Насколько острым должен быть носовой обтекатель ракеты?

По мере того, как ракеты становятся больше, важность сопротивления по отношению к массе уменьшается (сопротивление обычно пропорционально поперечному сечению и площади поверхности, а масса обычно пропорциональна объему). Следовательно, большие ракеты, как правило, имеют менее острые обтекатели полезной нагрузки, которые обеспечивают больший полезный объем по массе, как показывает ответ Гоббса.

Qu8k была небольшой ракетой, разработанной с единственной целью достичь высоты 100 000 футов (30 км) в соответствии с правилами Carmack Micro Prize ; он был разработан за выходные и имел некоторые отклонения от обычных любительских ракетных технологий во имя уменьшения сопротивления:

Для большинства площадок требуется использование пусковой проушины или рельсовой направляющей. Эти выступающие части ракеты создают сильное сопротивление. Удалив эти части, моделирование показало, что я смог увеличить максимальную высоту более чем на 10 000 футов. Желание поддерживать низкое сопротивление и иметь полный контроль над тем, когда площадка будет установлена ​​и доступна для запуска, побудило меня сделать свою собственную пусковую башню.

В статье о дизайне носового обтекателя в Википедии , на которую ссылается Хоббс, упоминается, что конические наконечники часто выбирают из-за простоты изготовления, а не более сложных форм, и это, вероятно, было движущим фактором для Qu8k. Эта диаграмма с этой страницы показывает, что конусы на самом деле плохо работают в околозвуковом режиме. Qu8k достиг своей максимальной скорости около 2,8 Маха всего на высоте 17 000 футов (5 км), а это означает, что он проводит много времени в плотном воздухе на скоростях, где конический нос не идеален:

Сравнение характеристик лобового сопротивления различных форм носового обтекателя в трансзвуковых и маломаховых областях. Рейтинги: превосходно (1), хорошо (2), удовлетворительно (3), неудовлетворительно (4).

Так что, по-видимому, компромисс здесь заключался в том, что Девиль знал, что может изготовить конический носовой обтекатель, и его симуляции говорили, что он будет достигать 100 000 футов, поэтому он выбрал именно этот маршрут; Я предполагаю, что, потратив больше времени и усилий, он мог бы сделать ракету чуть меньшего размера с носовой частью Хаака/фон Кармана и достичь заданной высоты, но при разработке ракет очень редко приходится оптимизировать только один фактор.

На диаграмме не показаны характеристики конусов со сферическим наконечником отдельно от чистых конусов, но я подозреваю, что наконечник с радиусом 1 см был бы незначительной разницей на этой ракете: немного больше времени в мастерской, шлифующем наконечник, и чуть менее вероятно, что он случайно что-то проткнет при обращении, и все еще способен разбить 100 000 футов.

Затупленные носы, особенно в случае орбитального шаттла, также являются тепловым соображением. Проще говоря, когда транспортное средство движется со сверхзвуковой скоростью, возникает ударная волна, создаваемая носом, «потому что в противном случае воздух не мог бы уйти с пути достаточно быстро». Эта волна создает большую составляющую полного сопротивления, особенно на гиперзвуковых (Mach > 5) скоростях. Более тонкий и гладкий планер снижает это сопротивление.

Большая часть энергии частиц воздуха, сталкивающихся с этой ударной волной, превращается в тепло, которое ионизирует газ и создает «пламя», наблюдаемое вокруг возвращающихся транспортных средств. С тонким заостренным носом ударная волна не так мгновенна, поэтому она прилипает ближе к планеру, особенно на кончике. Тепло в центре ударной волны очень сильное, достаточное, чтобы расплавить или ослабить большинство материалов, известных человеку.

Чтобы кончик не оплавился, носик можно сделать тупым. Тупой наконечник сразу производит более сильную ударную волну, которая выталкивается дальше от носа. Несмотря на то, что это увеличивает общее сопротивление, существует экономия веса и тепла за счет отсутствия необходимости изолировать / рассеивать тепло на кончике носа.

Здесь существует компромисс, который необходимо оценивать в зависимости от конструкции, чтобы решить, какая структура и материал наконечника являются лучшими.

Орбитальные ракеты обычно не имеют таких острых носов. Вот, например, Ariane 5 :

Вы можете видеть, что на кончике большой радиус. Глядя на масштабную модель, которая у меня есть под рукой, я бы сказал, что радиус около 0,5 м.

Обтекатель Falcon 9 тоже имеет большой радиус :

В наконечник Apollo LAS была встроена сфера .

Дизайн носа с наименьшим сопротивлением, похоже, является дизайном Хаака / фон Кармана , в котором используется закругленный кончик.

В качестве контрпримера к некоторым утверждениям в других ответах ... фактический крайний конец стека челнока был на удивление острым ....

(личное фото)