Почему ракеты цилиндрические?

Каковы коэффициенты лобового сопротивления для цилиндра, клина и т. д.?

Я знаю, что есть и другие причины, по которым ракета должна быть цилиндрической, не связанные с аэродинамикой, такие как эффективность при смешивании топлива и т. д., или это единственная причина, по которой они цилиндрические?

Или это больше связано с логистикой или с тем и другим? Если это связано с тем, что обе вещи верны, то с 3D-печатью и т. д., снижающими затраты на создание других форм, вероятно ли, что мы увидим клиновидную ракету в ближайшее время?

Связанный вопрос
Опорожните неповрежденную банку из-под газировки и наступите на нее. Если вы не очень тяжелый, он выдержит ваш вес. Неплохо для чего то всего 15 грамм! Ракеты используют те же характеристики цилиндра, чтобы сделать их корпус максимально легким.
Я почти уверен, что в будущем появятся ракеты с квадратным основанием и заостренным наконечником, стоимость и удобство использования в один прекрасный день окажут большее влияние, чем упомянутые проблемы со стабильностью или прочностью других форм. Вы можете не только более эффективно использовать внутреннее пространство, но и производить его намного проще и в небольших помещениях. Особенно, если вы идете на массовое производство, и я думаю и надеюсь, что однажды ракеты будут производиться серийно. Однако бустеры останутся круглыми.
@GdD, ... наступай очень осторожно! Я провел этот эксперимент, но он сложный. Если давление вашей ноги распределено неравномерно, банка прогнется.

Ответы (4)

Ракеты имеют цилиндрическую форму по той же причине, по которой бункеры для кукурузы имеют цилиндрическую форму: круг имеет наибольшую площадь по сравнению с периметром любой формы, а также обеспечивает максимальную прочность от внутреннего давления. Это означает, что вы можете сэкономить на весе стенок ракеты, когда она цилиндрическая.

Цилиндр не является абсолютно лучшей аэродинамической формой, как показывает раздел «Коэффициент лобового сопротивления» в этом документе (также см. Корпус Sears-Haack ), но аэродинамика, безусловно, не является единственным соображением. С другой стороны, носовая часть ракеты обычно представляет собой конус исключительно по аэродинамическим соображениям.

Да, я видел этот документ, проблема в том, что они проверяют коэффициент аэродинамического сопротивления клина ниже по течению , тогда как я хотел бы знать его выше по течению . Хотя в остальном есть и хорошие моменты.
Я связал еще один аналогичный вопрос, который дает некоторые ответы больше с точки зрения аэродинамики. Вы также можете посетить страницу Википедии тела Sears-Haack.
@Joze: Что ты имеешь в виду? Коэффициент аэродинамического сопротивления — это фактор формы, который объясняет разницу в силе сопротивления для объектов одного и того же поперечного сечения. Коэффициент аэродинамического сопротивления указан для всей формы, как для части «выше по течению» (спереди), так и для «ниже по течению» (сзади).
Что интересно, так это подумать о том, почему ракеты длиннее, чем они должны быть, если они оптимизировали вес / материал самой ракеты без топлива. Я думаю (не занимаясь математикой), что минимум материала будет использоваться, когда речь идет о форме пивной банки. Что говорит о том, что должен быть компромисс между весом и аэродинамическим сопротивлением, не так ли?
Я не понимаю, как этот документ относится к вопросу или ответу. Поперечное сечение объектов не указано, поэтому нельзя сделать вывод, что цилиндры хуже или лучше любой другой формы.
Разве не важно, в каком направлении тянуться? Призма (форма клина) имеет широкую сторону, идущую вперед. Была бы разница, если бы узкая сторона (заостренный конец) шла первой?
@jamesqf Это хороший момент. В ответах на этот вопрос есть несколько интересных моментов, почему они высокие и худые. Конечно, есть компромисс ради аэродинамики... стрела не улетела бы далеко, если бы она была больше похожа на пивную банку.
@VladimirCravero Этот документ не самый простой / прямой, но обратите внимание на следующее: у пули Cd 0,295, у аэродинамического профиля Cd 0,045. То есть разница почти на порядок. Цилиндрическая ракета напоминает пулю. Тело Sears-Haack напоминает аэродинамический профиль. Разница между ними будет не столь резкой, но у ракеты, безусловно, будет более высокий коэффициент лобового сопротивления .
Это не самый легкий? Есть детские рисунки и плохо отформатированная формула. Меня не волнует, есть ли это на сайте НАСА, это даже беднее, чем вики-страница. Вопрос о поперечном сечении, а не о наконечнике, но я уверен, что пуля Cd может сильно измениться, если вы направите ее чем-то другим, чем половина сферы. Первую часть вашего ответа я покупаю и с ней согласен , вторую? Это всего лишь предположение, а в гидродинамике угадать нельзя. Я не эксперт, но я понимаю надлежащее доказательство, а вы не дали ни одного.
@VladimirCravero Хорошо, хорошо. Я обновил свой ответ, включив в него ссылку, которая лучше показывает то, что я говорю. Я не имел в виду, что документ НАСА слишком технический, просто он не очень ясно показывает то, что я говорю.
Стоит отметить, что запуск Сатурн-5 теряет всего полпроцента своего полного импульса из-за атмосферного сопротивления. Осталось не так много оптимизации перетаскивания.

Это совокупность факторов. По сути, цилиндры больших размеров легко изготовить, они имеют низкое сопротивление и в целом работают хорошо. Основная часть сопротивления будет исходить от верхнего или нижнего конца. Нижний конец содержит двигатели, которые имеют особые требования к форме. Верх обычно содержит полезную нагрузку, к которой также предъявляются особые требования. Танк должен иметь форму, которая работает с обоими. Цилиндр почти оптимален, и его гораздо проще изготовить, чем форму воздушной фольги, которая была бы оптимальной.

Что касается 3D-печати, то ракеты достаточно большие, где сделать такую ​​штуку было бы очень сложно.

Интересно, какой материал можно использовать с 3D-принтером, который также будет поддерживать перемещение в атмосфере (даже если мы рассматриваем только подъем) со скоростью около километра в секунду. Это 3 Маха, плюс-минус, и космический корабль достигает этого порядка секунд ... не говоря уже о точке максимального Q.
В наши дни титан можно напечатать в 3D. И я подозреваю, что во время подъема время, проведенное на малых высотах, слишком мало для значительного нагрева, поэтому на носовых обтекателях нет сложных теплозащитных экранов.
Трудна не форма, а размер. Очень немногие 3D-принтеры вообще могли напечатать форму размером с ракету, и это заняло бы много времени.
Я полагаю, вы все равно построили бы специальный 3D-принтер для своих ракет, даже если бы имеющиеся в продаже были достаточно большими. Контроль качества для ракет намного выше среднего, поэтому вы хотели бы получить обратную связь от своего типографа, прошла ли печать гладко, и если нет, то какие места следует проверить.

Ракеты летают в основном со сверхзвуковой скоростью. В этих условиях правило площади (постоянная площадь поперечного сечения или, по крайней мере, плавное изменение) является наиболее важным фактором, определяющим сопротивление. Цилиндр тривиально имеет постоянное сечение, а носовой обтекатель служит плавным переходом.

Конечно, длинная прямоугольная коробка также может иметь постоянное поперечное сечение, но в этом случае ответ neelsg уже объясняет, почему цилиндр идеален.

Другая проблема заключается в том, что распределение массы является невероятно важным фактором в космическом полете, потому что любая тяга, которая не проходит прямо через центр масс, насколько это возможно для человека, вызовет вращение. Вы не получите намного более симметричного, чем цилиндр, если у вас нет возможности сделать идеальную сферу...
@Shadur: Это имеет меньшее значение, чем вы думаете - тяга должна быть направлена ​​вдоль оси z независимо от того, и если это так, то прямоугольная форма также работает.

Вероятно, на этот вопрос уже дан хороший ответ, но я хочу подчеркнуть несколько моментов.

Во-первых, сосуды под давлением хотят быть круглыми. Подумайте о том, что происходит, когда вы оставляете коробку с апельсиновым соком с крышкой — она нагревается и выпирает. Это больше относится к твердотопливным ракетам, где в основном все дело в барокамере.

Другое дело, что сопротивление ветру имеет значение. Есть такое понятие, как Max Q, которое представляет собой максимальное динамическое давление (сопротивление ветра) на ракету, которое возникает где-то между отдыхом на стартовой площадке и полетом по безвоздушной орбите. Это момент, когда может произойти разрушение конструкции, и в это время ракеты часто глушат из соображений безопасности. Так что дело не только в топливной экономичности.