¿Qué tan puntiaguda debe ser la nariz de un cohete?

A medida que los cohetes se hacen más grandes, la importancia del arrastre en relación con la masa disminuye (el arrastre generalmente es proporcional a la sección transversal y el área de la superficie, mientras que la masa generalmente es proporcional al volumen). Por lo tanto, los cohetes grandes tienden a tener carenados de carga útil menos puntiagudos, lo que proporciona un volumen por masa más útil, como muestra la respuesta de Hobbes.

Qu8k era un pequeño cohete desarrollado con el único objetivo de alcanzar una altitud de 100 000 pies (30 km) según las reglas del Carmack Micro Prize ; fue diseñado durante un fin de semana y se alejó un poco de las convenciones normales de cohetería de aficionados en nombre de la reducción de la resistencia:

La mayoría de las plataformas requieren el uso de una orejeta de lanzamiento o una guía de riel. Estas partes sobresalientes de un cohete generan mucha resistencia. Al quitar estas partes, las simulaciones mostraron que podía aumentar la altitud máxima en más de 10,000 pies. El deseo de mantener el arrastre bajo y tener control total sobre cuándo la plataforma estaría configurada y disponible para el lanzamiento me llevó a hacer mi propia torre de lanzamiento.

El artículo de Wikipedia sobre el diseño del cono de nariz que Hobbes vincula menciona que las puntas cónicas a menudo se eligen por su facilidad de fabricación en lugar de formas más complejas, y este fue probablemente el factor impulsor de Qu8k. Este gráfico de esa página muestra que los conos en realidad tienen un desempeño deficiente en el régimen transónico. Qu8k alcanzó su velocidad máxima de alrededor de Mach 2.8 a solo 17,000 pies (5 km), lo que significa que pasa mucho tiempo en aire denso a velocidades donde una nariz cónica no es ideal:

Comparación de las características de arrastre de varias formas de cono de morro en las regiones transónica a baja mach. Las clasificaciones son: superior (1), buena (2), regular (3), inferior (4).

Entonces, presumiblemente, la compensación aquí fue que Deville sabía que podía fabricar una nariz cónica, y sus simulaciones decían que llegaría a 100,000 pies, así que esa fue la ruta que tomó; Me imagino que con más tiempo y esfuerzo podría haber hecho un cohete un poco más pequeño con una nariz Haack/von Kármán y alcanzado la altitud objetivo, pero en el desarrollo de cohetes es muy raro que estés optimizando por un solo factor.

El gráfico no muestra el rendimiento de las cónicas de punta esférica por separado de las cónicas puras, pero sospecho que una punta de 1 cm de radio habría sido una diferencia insignificante en este cohete: un poco más de tiempo en el taller puliendo la punta hacia abajo y un es poco menos probable que perfore accidentalmente algo mientras se manipula, y aún capaz de romper 100,000 pies.

Las narices romas, especialmente en el caso del Shuttle Orbiter, también son una consideración térmica. En pocas palabras, cuando un vehículo viaja a velocidades supersónicas, hay una onda de choque producida por la nariz "porque el aire no se apartaría lo suficientemente rápido". Esta onda produce un gran componente de la resistencia total, especialmente a velocidades hipersónicas (Mach > 5). Tener un fuselaje más delgado y suave mitiga este arrastre.

Gran parte de la energía de las partículas de aire que impactan en esta onda de choque se convierte en calor, lo que ioniza el gas y produce las "llamas" que se ven alrededor de los vehículos que vuelven a entrar. Con un morro delgado y puntiagudo, la onda de choque no es inmediatamente intensa, por lo que se pega más al fuselaje, especialmente en la punta. El calor en el centro de la onda de choque es muy intenso, suficiente para derretir o debilitar la mayoría de los materiales conocidos por el hombre.

Para evitar que la punta se derrita, la nariz puede hacerse roma. Una punta roma produce una onda de choque inmediatamente más fuerte, que se aleja más de la nariz. Si bien esto aumenta la resistencia total, se ahorra peso y calor al no tener que aislar/disipar el calor en la punta de la nariz.

Aquí hay una compensación que debe evaluarse diseño por diseño para decidir qué estructura de punta y material es mejor.

Los cohetes orbitales generalmente no tienen narices tan afiladas. Aquí hay un Ariane 5 como ejemplo:

Puedes ver que hay un gran radio en la punta. Observando un modelo a escala que tengo a mano, diría que el radio es de aproximadamente 0,5 m.

El carenado del Falcon 9 también tiene un gran radio :

El Apollo LAS tenía una esfera incrustada en la punta.

El diseño de la nariz con la menor resistencia parece ser el diseño de Haack/von Karman , que utiliza una punta redondeada.

Como contraejemplo de algunas declaraciones en las otras respuestas ... la punta extrema real de la pila de transporte fue sorprendentemente afilada ...

(Foto personal)