¿Por qué los cohetes son cilíndricos?

¿Cuáles son los coeficientes de arrastre para un cilindro, una cuña, etc.?

Sé que hay otras razones para que un cohete sea cilíndrico que no están relacionadas con la aerodinámica, como la eficiencia al mezclar los propulsores, etc. ¿o es esa la razón exclusiva por la que son cilíndricos?

¿O está más relacionado con la logística o ambos? Si se debe a que ambas cosas son ciertas, entonces con la impresión 3D, etc., reduciendo los costos de construcción de otras formas, ¿es probable que veamos un cohete en forma de cuña en el corto plazo?

Pregunta relacionada
Vacíe una lata de refresco en buen estado y pise sobre ella. A menos que sea muy pesado, soportará su peso. ¡No está mal para algo que es todo de 15 gramos! Los cohetes utilizan las mismas características de un cilindro para que sus cuerpos sean lo más ligeros posible.
Estoy bastante seguro de que el futuro traerá cohetes con una base cuadrada y una punta puntiaguda, los costos y la facilidad de uso tendrán más impacto algún día que los problemas mencionados con la estabilidad o la fuerza de otras formas. No solo puede usar el espacio interior de manera más eficiente, sino que puede producirlo de manera más fácil y en instalaciones más pequeñas. Especialmente si opta por una producción en masa y creo y espero que algún día los cohetes se produzcan en masa. Sin embargo, los refuerzos permanecerán redondos.
@GdD, ... ¡pisadlo con mucho cuidado! He hecho ese experimento, pero es complicado. Si la presión de su pie no se distribuye uniformemente, la lata se pandeará.

Respuestas (4)

Los cohetes son cilíndricos por la misma razón que los silos de maíz son cilíndricos: un círculo tiene el área más grande frente al perímetro de cualquier forma y también proporciona la máxima fuerza de la presión interna. Esto significa que puede ahorrar peso en las paredes de un cohete cuando es cilíndrico.

Un cilindro no es absolutamente la mejor forma aerodinámica como lo muestra la sección Coeficiente de arrastre de este documento (consulte también el cuerpo de Sears-Haack ), pero la aerodinámica ciertamente no es la única consideración. Por otro lado, la punta de un cohete suele ser un cono puramente por razones aerodinámicas.

Sí, vi ese documento, el problema es que verifican el coeficiente de arrastre de la cuña aguas abajo , mientras que me gustaría saberlo aguas arriba . Sin embargo, el resto son algunos puntos buenos.
Enlacé otra pregunta similar que brinda algunas respuestas más en términos de aerodinámica. También puede consultar la página de wikipedia del cuerpo de Sears-Haack
@Joze: ¿Qué quieres decir con eso? El coeficiente de arrastre es un factor de forma que explica la diferencia en la fuerza de arrastre para objetos de la misma sección transversal. El coeficiente de arrastre es para toda la forma, tanto la parte "aguas arriba" (frente) como la parte "aguas abajo" (parte posterior).
Lo que es interesante es pensar por qué los cohetes son bastante más largos de lo que deberían ser si estuvieran optimizando el peso/material del cohete en sí, sin combustible. Creo (sin hacer cuentas) que se usará el material mínimo cuando se trata de la forma de una lata de cerveza. Lo que dice que debe haber una compensación entre el peso y la resistencia aerodinámica, ¿no?
No puedo ver cómo ese documento se relaciona con la pregunta o la respuesta. No se proporciona la sección transversal de los objetos, por lo que no se puede inferir que los cilindros son algo peores o mejores que cualquier otra forma.
¿No importa en qué dirección es el arrastre? El prisma (forma de cuña) tiene el lado ancho primero. ¿Habría alguna diferencia si el lado angosto (extremo puntiagudo) fuera primero?
@jamesqf Ese es un buen punto. Las respuestas a esta pregunta tienen algunos puntos interesantes sobre por qué son altos y delgados. Ciertamente hay una compensación por el bien de la aerodinámica... una flecha no volaría muy lejos si tuviera más la forma de una lata de cerveza.
@VladimirCravero Ese documento no es el más fácil/directo, pero tenga en cuenta lo siguiente: una bala tiene Cd de 0.295, un perfil aerodinámico tiene Cd 0.045. Eso es casi un orden de magnitud diferente. Un cohete cilíndrico se asemeja a una bala. Un cuerpo de Sears-Haack se parece a un perfil aerodinámico. La diferencia entre ellos no será tan drástica, pero el cohete ciertamente tendrá un coeficiente de arrastre más alto .
¿No es lo más fácil? Hay algunos dibujos de niños y una fórmula mal formateada. No me importa si eso está en el sitio de la NASA, es incluso más pobre que la página wiki. La pregunta es sobre la sección transversal, no la punta, pero apuesto a que la bala Cd puede cambiar enormemente si la inclinas con algo diferente a media esfera. La primera parte de tu respuesta, la compro y estoy de acuerdo , la segunda? Eso es solo una suposición, y no se puede adivinar en dinámica de fluidos. No soy un experto, pero entiendo la prueba adecuada, y usted no dio ninguna.
@VladimirCravero Está bien. Actualicé mi respuesta para incluir un enlace que muestre mejor lo que estoy diciendo. No quise decir que el documento de la NASA es demasiado técnico, solo que no muestra muy claramente lo que estoy diciendo.
Vale la pena señalar que un lanzamiento de Saturno V pierde solo la mitad de su impulso total debido a la resistencia atmosférica. No queda mucha optimización de arrastre por hacer.

Es una combinación de factores. Básicamente, los cilindros son fáciles de fabricar en tamaños grandes, tienen poca resistencia y, en general, funcionan bien. La mayor parte del arrastre vendrá de los extremos superior o inferior. El extremo inferior contiene los motores, que tienen requisitos de forma particulares. La parte superior contiene típicamente la carga útil, que también tiene requisitos particulares. El tanque debe tener una forma que funcione con ambos. Un cilindro es casi óptimo y mucho más fácil de hacer que la forma de lámina de aire que sería óptima.

En cuanto a la impresión en 3D, los cohetes son lo suficientemente grandes como para que sea muy difícil hacer tal cosa.

Me pregunto qué tipo de material podría usarse con una impresora 3D que también permita moverse a través de la atmósfera (incluso si solo consideramos el ascenso) a algo así como un kilómetro por segundo. Eso es Mach 3, más o menos, y las naves espaciales alcanzan eso después del orden de segundos... sin importar el punto de Q máximo.
El titanio se puede imprimir en 3D en estos días. Y sospecho que durante el ascenso, el tiempo que se pasa a bajas altitudes es demasiado corto para que se produzca un calentamiento significativo, por lo tanto, no hay escudos térmicos elaborados en los conos de la nariz.
No es la forma lo que es difícil, es el tamaño. Muy pocas impresoras 3D podrían imprimir una forma del tamaño de un cohete, y llevaría mucho tiempo.
Supongo que de todos modos habrá construido una impresora 3D personalizada para sus cohetes, incluso si las disponibles en el mercado fueran lo suficientemente grandes. El control de calidad de los cohetes está muy por encima del promedio, por lo que le gustaría recibir una respuesta de su impresora si la impresión se realizó sin problemas y, de no ser así, qué ubicaciones deben inspeccionarse.

Los cohetes vuelan principalmente a velocidades supersónicas. Bajo esas condiciones, la regla del área (área de sección transversal constante, o al menos que varía suavemente) es el determinante más importante de la resistencia. Un cilindro trivialmente tiene una sección transversal constante y el cono de la nariz sirve como una transición suave.

Por supuesto, una caja rectangular larga también podría tener una sección transversal constante, pero en ese punto la respuesta de Neelsg ya explica por qué un cilindro es ideal.

Otro problema es que la distribución de masa es un factor increíblemente crítico en los vuelos espaciales porque cualquier empuje que no sea tan recto a través del centro de masa como sea humanamente posible provocará una rotación. No obtienes mucho más simétrico que un cilindro a menos que tengas la opción de hacer una esfera perfecta...
@Shadur: Eso importa menos de lo que piensa: el empuje debe estar a lo largo del eje z independientemente, y si es así, también funciona una forma rectangular.

La pregunta probablemente ha sido bastante bien respondida, pero quiero enfatizar algunas cosas.

Una es que los recipientes a presión quieren ser redondos. Piense en lo que sucede cuando deja afuera el cartón de jugo de naranja con la tapa puesta: se calienta y sobresale. Eso es más una cosa para los cohetes de combustible sólido donde básicamente todo es una cámara de presión.

La otra es que la resistencia al viento importa. Hay una cosa llamada Max Q, que es la presión dinámica máxima (resistencia al viento) en el cohete, que ocurre en algún lugar entre descansar en la plataforma de lanzamiento y volar en una órbita sin aire. Es un punto donde puede ocurrir una falla estructural, y los cohetes a menudo se reducen durante ese tiempo, por seguridad. Así que no es solo una cuestión de eficiencia de combustible.

¿Por qué los cohetes son cilíndricos?
RespuestasAquíPolítica de privacidad1y, 15v