¿Qué evita que BFS se vuelva inestable al pasar de horizontal a vertical?

Question

¿Qué evita que BFS se vuelva inestable al pasar de horizontal a vertical?

arrastrar
elevar
parar
Aviación
estabilidad
aerodinámica

qq jkztd

En este video de ( Aterrizaje BFS de SpaceX ) hay un punto en el que la nave se inclina desde la caída libre de velocidad terminal horizontal «primero el vientre», hasta la posición de aterrizaje vertical «primero el motor».

El gráfico de la derecha muestra que esto conduce a una aceleración vertical de aproximadamente mach 0,26 a mach 0,31 inducida por la reducción de la resistencia debido a la propia maniobra de inclinación.

Los motores con cardán solo se encienden cuando el barco está en posición vertical, lo que podría significar que toda esta maniobra de inclinación debe lograrse aerodinámicamente.

Las aletas accionadas y las aletas canard están diseñadas para aumentar o disminuir la resistencia aerodinámica alrededor del centro de gravedad del barco, como lo hace un paracaidista moviendo sus extremidades.

Pero tan pronto como el barco comience a inclinarse de horizontal a vertical, su cuerpo y las aletas accionadas generarán sustentación. (en lugar de solo arrastrar)

El barco comenzará a deslizarse hacia atrás . La elevación aumentará hasta un punto máximo cuando las aletas ya no estén estancadas.

La pregunta es :

En este punto (deslizándose hacia atrás, casi vertical, mach 0.3, poco antes de la quemadura suicida), todo el barco debería volverse inestable si el centro de sustentación está entre el centro de gravedad y la parte trasera del barco (motores). Es un poco como imaginar uno volando hacia atrás. VariEze, o la figura acrobática llamada "tailslide": Dará la vuelta, de la misma manera que lo hace un volante de bádminton cuando cambia de dirección.

Cuando la sustentación se vuelve significativa, ¿qué impide que el barco se incline de forma natural hacia la horizontal o que gire o se balancee abruptamente hacia alguna nueva actitud impredecible (como un volante)?

Estoy de acuerdo si el centro de gravedad está muy atrás, las aletas de popa plegadas hacia adentro y las aletas canard podrían crear el momento de cabeceo correcto para que el BFS se incline verticalmente. Pero, ¿dónde debería estar el cg para que no se incline sobre el eje de guiñada (o balanceo inducido debido a la enorme aleta vertical fija)? Algunos aviones comerciales que cambian un estabilizador vertical en su cola por uno sobre su cabina tampoco serán muy estables sobre el eje de guiñada.

Tenga en cuenta que al mirar las animaciones proporcionadas por spaceX, las aletas de popa parecen tener solo un grado de libertad: las enormes bisagras permiten cambios en diedro.

Las aletas Canard parecen actuar de la misma manera, pero pueden tener un grado de libertad más (invisible en la animación): incidencia variable, que podría agregar control al cabeceo y alabeo, pero aún así es inútil para el control de guiñada.

Editar: concéntrese en el eje de guiñada, considere los segundos 1105 a 1107 en la animación. Las aletas Canard no juegan ningún papel en la estabilización de la guiñada. ¿Cómo puede la aeronave no volcar debido a la inestabilidad de la guiñada y al balanceo inducido?

Admira tu persistencia. No hay nada que cause guiñada. Aparentemente, planean usar empuje vectorial. Incluso podría usar entradas de timón inverso si el timón fuera lo suficientemente fuerte como para apuntar hacia el viento. Una guiñada que produzca viento cruzado sería peligrosa. Pero, de nuevo, el empuje vectorial desde abajo sería como equilibrar el palo de una escoba con el dedo. Curiosamente, esta inestabilidad, como en los aviones, ¡haría que fuera más fácil de manejar!

Respuestas (2)

¿Qué evita que BFS se vuelva inestable al pasar de horizontal a vertical?

Voto para cerrar esta pregunta como fuera de tema porque parece más adecuada para la exploración espacial
La pregunta de @FreeMan es sobre el comportamiento aerodinámico subsónico de baja atmósfera. SE puede votar para cerrarlo y enviarlo aquí.
@FreeMan, esto es aerodinámica pura y trata algunos conceptos fundamentales muy importantes con respecto al CG y el Centro de sustentación y resistencia vertical. Esto es aplicable a TODAS LAS AERONAVES. Gracias.
Puedo ser la voz de uno que clama en el desierto. Por eso tarda 5 en cerrar.
Ok, ahora si las aletas traseras son más grandes, el CG estará más atrás que en la foto (de todos modos). Cuando las aletas traseras se pliegan, el par de elevación/arrastre del canard se vuelve mayor e impulsa la rotación a la vertical. Ahora es un dardo de césped feliz. El cohete gimballado afina y completa el aterrizaje.
Consulte la respuesta editada con respecto a la posible condición de guiñada 😊
@FreeMan Suspiro... a pesar de que la pregunta real no tiene nada que ver con explorar el espacio.
¿Y por qué su sustentación y arrastre no son perpendiculares, respectivamente, paralelos al viento relativo?
@jjack en el gif animado hay un pequeño punto en la curva de altitud/velocidad, que muestra cuándo comienza la quemadura suicida (y el cardán). También el empuje está representado por una pluma en el modelo del lado izquierdo. Tiene razón, la elevación y el arrastre deben ser perpendiculares y paralelos al viento relativo, actualizaré una ilustración más precisa.
La pregunta debería ser "¿cómo se controla durante la inclinación"? Puede ser aerodinámicamente inestable y aun así experimentar un movimiento controlado.
En sus dibujos, agregue el vector de elevación de los canards en el frente del CG.
Admira tu persistencia. No hay nada que cause guiñada. Aparentemente, planean usar empuje vectorial. Incluso podría usar entradas de timón inverso si el timón fuera lo suficientemente fuerte como para apuntar hacia el viento. Una guiñada que produzca viento cruzado sería peligrosa. Pero, de nuevo, el empuje vectorial desde abajo sería como equilibrar el palo de una escoba con el dedo. Curiosamente, esta inestabilidad, como en los aviones, ¡haría que fuera más fácil de manejar!

Roberto DiGiovanni · Answer 1

La respuesta aquí es revisar la historia de cómo Space X "lo hace" con el Falcon 9. Para resolver aerodinámicamente, extienden los frenos de velocidad desde la parte SUPERIOR del refuerzo para que caiga primero. Los fanáticos de CG tomen nota, así es como funciona en la gravedad y la atmósfera. Como un paracaídas o un ala delta.

Una observación muy cercana del video muestra las "aletas traseras" inferiores plegándose hacia adentro, elevando el punto de presión aerodinámica (en este caso, la resistencia) por encima del centro de gravedad. El cohete ahora se comporta como un avión con su CG demasiado atrás (en relación con Clift), lanzándose hacia arriba y cayendo "hacia atrás" hacia el suelo. El empuje del cohete luego ralentiza el descenso para aterrizar.

El cohete está rotando durante esta maniobra a su nueva configuración de peso hacia abajo y arrastre/elevación, con un aumento predecible en la velocidad debido a la menor resistencia neta hacia la dirección de "vuelo".

Puede ser útil dibujar aquí los componentes vertical y horizontal de "elevación" para comprender las fuerzas. La maniobra no es diferente a un bucle de 1/4. Está controlado, porque el CG está debajo del centro de arrastre.

En respuesta a la edición con respecto al eje de guiñada, ¡gran observación! ¡Esta es una técnica considerada para los aviones de pasajeros que se recuperan de una entrada en pérdida profunda! Balancee hacia adelante y hacia atrás para poner en juego la puñalada en V para salir de la pérdida profunda.

Pero con el cohete, el motor con cardán detendrá esto, y antes, el timón ahora no se usará para romper la pérdida, ¡sino para preservarla! Esta es una maniobra acrobática, pura y simple.

Lo que Space X hace tan bien es la transición de la "pérdida profunda" a un aterrizaje controlado.

La preocupación por la puñalada en V está justificada. Los frenos de velocidad Falcon 9 son más infalibles. Esperemos que no se "diseñen a sí mismos en un rincón" con un diseño potencialmente defectuoso.

EDICIÓN POSTAL - RESPUESTA A LOS COMENTARIOS

Debemos tener en cuenta aquí que la animación es lo que puede estar mal, no el plan de vuelo real. @qq jkztd señaló correctamente que, si el BFR caía verticalmente, sin movimiento horizontal, el cabeceo hacia arriba provocaría un movimiento horizontal hacia la cola (comenzando a deslizarse hacia atrás). Aunque el cabeceo hacia arriba no induciría la guiñada, el BFR que se desliza hacia atrás SERÍA inestable en la guiñada. Doblar las aletas horizontales lo haría estable en cabeceo. Una mejor solución puede ser iniciar el cabeceo hacia arriba con un poco de movimiento hacia adelante, o simplemente cabecear agregando más resistencia al "tope" con frenos de velocidad como lo hace el Falcon 9, o encendiendo antes el motor de cohete con cardán. Sin embargo, a veces, más simple es mejor,

Básicamente es "intercambiar extremos" con arrastre, en relación con CG.
pregunta editada. CG por debajo de CoD es lo que hace que la estabilidad cuando las aletas están estancadas. En algún momento, CoL también podría ir por debajo de CG y alterar la estabilidad.
Ahí es donde un paracaídas es útil. La intuición es que el cohete tiene mucha energía desde la órbita para llegar a LZ. KISS podría ser mejor aquí, solo haz un Falcon 9 más grande.
@qq jkztd esta es una maniobra de lanzamiento. El cardán controlaría la guiñada. El único peligro es el viento cruzado, pero el cardán también se encargaría de eso. Las aletas retraídas formarían diedro para controlar el balanceo. El cabeceo es controlado por elevador/gimbal y la rotación asistida por canard drag. Lo único que cuestionaría, al igual que con el transbordador espacial, es la necesidad de alas, ya que agregan peso al cohete. Este tipo de recuperación es la quema de arrastre/cohete. El cohete alado se deslizaría para aterrizar. ¿Por qué mezclar 2 técnicas?
Necesitas alas si quieres llegar a un lugar de aterrizaje oa un lugar alternativo. Y el área de la superficie disipa el calor.
Creo que preferiría remolcar la barcaza (o el portaaviones) hacia la trayectoria orbital. El problema aquí es tratar de hacer un avión direccionalmente estable "extremos de intercambio". Usar el cardán sería como equilibrar un palo de escoba en la punta de tu dedo, pero podría funcionar. Es un poco ambicioso y quizás demasiado complejo con otras opciones disponibles. No tengo ninguna duda de que el transbordador tenía a von Braun revolcándose en su tumba, pero abrió muchas posibilidades que tenemos hoy.
@RobertDiGiovanni es direccionalmente estable y orientable cuando cae de barriga primero (al menos como lo es F9, incluso sin alas) Lo que no puedo entender es la estabilidad durante la fase de inclinación antes de aterrizar.
Realmente no es estable ya que está lanzando. Y tu preocupación por la puñalada en V es plausible. La animación muestra básicamente un cabeceo causado por la pérdida de resistencia en la parte trasera. La misma rotación podría ser causada agregando arrastre al frente (como con un paracaídas o frenos de aire) y lo rotaría de manera estable a una orientación vertical. Me gusta el Falcon 9. Si quieren alas o no, depende de ellos. Preferiría agregar arrastre a la parte superior de la forma en que lo están haciendo actualmente.
@qq jkztd su diagrama modificado es MUCHO MEJOR. ¡Ahora agregue el vector de sustentación al canard (junto con el arrastre) y trabaje los brazos de palanca de torque para hacerlo cabecear! Mi pensamiento final sería doblar las aletas traseras tal como lo hacen, pero desplegar el freno de velocidad (pétalo de flor) en la parte superior para completar la rotación y estabilizar la configuración vertical antes de disparar el cohete. ¡Buena suerte con esto!
@qq jkztd Es posible que desee verificar si el momento angular en el cabeceo estabilizaría momentáneamente la guiñada, ¡como una llanta de bicicleta que gira! Si se hace rápidamente, el cardán podría atraparlo. No es mi favorito, ¡pero pueden ir por él!

jjack · Answer 2

Creo que los motores cardánicos se disparan antes del punto indicado en la animación; la animación no es precisa en este sentido.

El control del vector de empuje de los motores puede estabilizar la maniobra de inclinación y dirigir el vehículo hasta el aterrizaje.

Estoy de acuerdo si hay una manera de acelerar esos motores. El empuje mínimo del motor F9 proporciona una relación de empuje a peso superior a 1 durante la quema suicida. Esto podría ser problemático si el barco no está vertical. De todos modos, tendremos que esperar hasta la próxima iteración de diseño.