Ускорение запуска: ценности, история

Восхождение G-Force

Отчет о полете ракеты-носителя AS-506 «Аполлон-11» содержит хороший график кривой перегрузки того знаменитого запуска «Сатурн-5»:

Из этой диаграммы вы можете видеть, что первая ступень Saturn V весит около 1,2 г; это значение быстро увеличивается по мере уменьшения атмосферного сопротивления и расхода массы топлива. Центральный двигатель намеренно остановлен, чтобы ограничить ускорение, а четыре внешних двигателя продолжают развивать максимальное усилие около 3,9 g. Это максимальное ускорение в миссии до входа в атмосферу и приземления.

Верхние ступени менее драматичны в своем ускорении, но следуют аналогичным возрастающим кривым; кривая второй ступени понижается один раз при отключении центрального двигателя и еще раз при переключении соотношения топлива и окислителя («Сдвиг EMR» на графике для соотношения компонентов смеси двигателя) — это делается для оптимизации I _sp в вакууме. , с динамическим выбором времени для обеспечения одновременного истощения топлива и окислителя. Раннее отключение центрального двигателя второй ступени сделано для уменьшения продольных (пого) вибраций, а не для ограничения ускорения; это было введено, начиная с полета Аполлона-10.

Третья ступень не использует все свое топливо в этой части миссии; большая часть топливной нагрузки предназначена для более позднего сжигания лунной инъекции, и поэтому его кривая ускорения такая плоская по сравнению с другими.

Миссии Mercury-Atlas были более драматичными: 1,35 г от стартовой площадки, пиковое значение около 7 г как раз перед тем, как двигатели ускорителя отключились и упали, снова поднявшись почти до 8 г, прежде чем у маршевого двигателя закончилось топливо.

Вот Меркурий-Атлас 7 :

Вес Gemini-Titan превысил 7 г на втором этапе. Вот сюжет из отчета о миссии Gemini VIII:

И Атлас, и Титан были спроектированы как межконтинентальные баллистические ракеты, поэтому они не были оптимизированы для удобства человека.

По сравнению с ним космический шаттл был намного мягче; при выгорании твердого ускорителя оно достигло первого пика в 2,5 г, кратковременно упав немного ниже 1 г, а затем медленно поднявшись до 3 г на главных двигателях; сеть несколько раз снижалась, чтобы удерживать около 3 г в течение чуть более минуты.

Я думаю, что Союз делает под 4g при запуске.

При прочих равных условиях запуск с более высокой перегрузкой может быть более экономичным, потому что меньше энергии теряется из-за гравитации при более быстром выходе на орбиту, а гравитационные потери обычно преобладают над потерями на сопротивление. Снизить STS до 3g было непростой задачей при проектировании — трудно встроить в двигатель возможность глубокого дросселирования, но шаттл был разработан для перевозки относительно хрупких полезных грузов. "Союз" - это своего рода компромисс.

Falcon 9 стартует примерно с 1,15 g и, в зависимости от полезной нагрузки, будет иметь пиковое ускорение на первой ступени около 4,5 g, но, похоже, он дросселирует свои двигатели обратно к концу горения первой ступени, чтобы поддерживать ускорение ближе к 3,5 g.

Повторный вход и посадка G-Force

Я не нашел хорошего временного графика силы входа в атмосферу, но пики относительно короткие — сила увеличивается по мере того, как капсула опускается в более плотный воздух, но уменьшается по мере того, как капсула замедляется, поэтому чем выше замедляющая перегрузка, тем короче это будет продолжаться.

Астронавты Меркурия при входе в атмосферу испытали пиковое усилие около 11g, Аполлон около 6,5-7g. Космический шаттл был удивительно мягким, а его максимальное усилие при входе в атмосферу составляло всего 1,6 g.

Опять же, Союз делает здесь около 4G, я думаю.

Также может быть довольно хороший толчок при приземлении/приводнении. Некоторые из Аполлонов столкнулись с поднимающимися волнами в конце поездки, получив очень короткий удар 15g.

Перегрузки STS и «Союза» обязательно низкие, опять же, потому что они несут гражданские экипажи. В случае с шаттлом, опять же, это главное конструктивное соображение: плавный вход в атмосферу означает, что кораблю приходится иметь дело с длительным периодом высокой тепловой нагрузки, что требует причудливых и уязвимых керамических плиток, а не простого абляционного теплозащитного экрана.

Чтобы ответить на ваш второй вопрос об опыте астронавтов и о том, сколько усилий было потрачено на корректировку профиля перегрузки при запуске, НАСА опубликовало документ, содержащий информацию о диапазоне выживаемости человека при перегрузке.

Вот документ , соответствующий рисунок, который вам нужен, это рисунок 5, который находится примерно на полпути вниз по странице. На рисунке представлен график перегрузки по оси y и времени по оси x с выделенными областями живучести.

Рис. 5 – Человеческая толерантность ко времени: ускорение