Конструктивные нагрузки верхней ступени при всплытии?

В другом вопросе возникло следующее:

Например, если Falcon 9 запускает 20 тонн топлива для стыковки на НОО, как можно использовать одну и ту же верхнюю ступень для запуска 40 тонн топлива на ту же орбиту? Разве он не должен быть больше и, может быть, прочнее, чтобы выдерживать гораздо более тяжелую полезную нагрузку?

И я понял, что не уверен, как на самом деле работает структурная нагрузка на верхних ступенях.

Находящаяся на земле конструкция второй ступени поддерживает вес этой полезной нагрузки в 20 или 40 тонн под действием земной гравитации, которую мы можем выразить как силу в ньютонах.

Однако после выхода из атмосферы и ступени действующая сила равна силе двигателя второй ступени — около 95 тонн для Merlin Vac при максимальной тяге — значит, это сила, действующая на конструкцию второй ступени? Или, если предположить, что ступень и полезная нагрузка равномерно ускоряются вместе, нужно ли пропорционально распределять силу между массой ступени и массой полезной нагрузки? Означает ли это, что эффективный вес полезной нагрузки увеличивается по мере использования топлива?

Как будет рассчитываться структурная деформация второй ступени на начальном этапе набора высоты, когда аэродинамическое сопротивление противодействует тяге двигателей первой ступени?

Старая поговорка гласит, что преобладает правило 90/10: 90% веса ракеты требуется, чтобы вывести на орбиту 10% всего веса. Это включает в себя всю структуру, чтобы она не развалилась по пути, а также топливо, чтобы доставить ее туда.

Ответы (1)

Изменить: этот ответ был основан на неправильной интерпретации вопроса. Оставил его, так как он вызвал некоторый интерес.

Я могу объяснить в общих чертах, как это было сделано для Shuttle. Из участия в заседаниях межорганизационных рабочих групп могу сказать, что такой же общий процесс осуществляется и по одноразовым ракетам-носителям, хотя и с более новой технологией.

Для шаттла вместо того, чтобы пытаться вычислить структурные нагрузки в реальном времени (что считалось непрактичным с технологией 70-х/80-х годов), ограничения были созданы заранее. Затем, используя массовые характеристики, настройки дроссельной заслонки, объемные температуры SRB, ветры и т. д. в день, моделировались траектории в день запуска и генерировались параметры рулевого управления, чтобы гарантировать, что транспортное средство останется в рамках ограничений.

Были проверены многие ограничения, но те, которые относились к структурным нагрузкам, представляли собой Q-плоскости или сквотчелоиды, набор трехмерных объемов в альфа, бета и q (угол атаки, угол бокового скольжения и динамическое давление), проиндексированные числом Маха. .

введите описание изображения здесь

Если рассредоточенная траектория все время лежала внутри Q-плоскостей, проверка была пройдена.

Другими ограничениями были индикаторы структурной нагрузки, «расчеты, полученные на основе более точных структурных аналитических пределов для определения структурных нагрузок элементов». Для каждой пробной траектории оценивали 42 показателя структурной нагрузки. Все должны были иметь положительную маржу, чтобы пройти проверку.

введите описание изображения здесь

Прежде чем был принят проект траектории, было проведено много других проверок, но это основные из них, касающиеся структурных нагрузок.

Более подробно предлагаю прочитать очень доступную и интересную информацию по этим двум ссылкам.

Операции по проектированию траектории космического корабля "Шаттл" в день запуска - технический документ Презентация в формате Powerpoint, охватывающая тот же материал, но с улучшенной графикой

Интересно, но я спрашиваю больше об идеализированной физике - как работает математика, предполагая, что полезная нагрузка и первая ступень являются сферическими коровами одинаковой плотности, нулевым углом атаки, постоянной силой тяги и т. д.
Извиняюсь. Я пытался ответить на этот вопрос: «Как будет рассчитываться структурная деформация второй ступени во время всплытия». Я понял, что «во время подъема» означает в реальном времени. Теперь я вижу, что вы на самом деле спрашиваете: «Как рассчитываются структурные нагрузки при подъеме».
Попался. Я изменил это предложение, чтобы помочь с этой двусмысленностью.
Конструктивные нагрузки верхней ступени при всплытии?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v