Fråga:
Varför är rymdskeppskapslar frustumformade?
Forin
2014-12-08 20:26:46 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Varför har rymdskepp en form (del av en kon) som t.ex. tryckkapseln på SpaceX Dragon på bilden nedan?

enter image description here

Jag tror att det finns några tekniska grejer bakom detta att göra med aerodynamik under landning. Kan någon förklara varför det är så?

Egentligen stod det en fråga om Soyuz-formen för ett år sedan
@oefe - sant. Jag har tagit bort den kommentaren nu, men i alla fall var den frågan mycket mer specifik och täckte inte mycket om hur återinträde fungerar i allmänhet.
Ett svar:
kim holder
2014-12-08 21:58:26 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Kapslarna som är utformade för att återuppta atmosfären måste sakta ner från cirka 8 km / s till noll när de kommer till marken. De använder faktiskt inte den del som ser ut som en kon för att göra det. De har alla plana bottnar som de möter i vinden för att göra det. Om du jämför Dragon-kapseln från din länk till en Soyuz -kapsel, Orion -kapseln eller Space Shuttle är deras former väldigt olika, men de har alla en del som är mer spetsig (men inte så mycket, när det gäller Soyuz), och en del som är platt. Den spetsigare biten används när de skjuts upp, för att sänka friktionen för att passera genom atmosfären (Soyuz lanseras i mitten av raketen, och så behöver den inte en punkt). Den plana delen används för att komma tillbaka.

blunt shapes of reentry vehicles

De svarta linjerna på bilden visar var sprängvågens framsida uppstår när dessa former passerar genom luften i mycket hög hastighet. Sprängvåg är det som saktar ner kapseln och du vill att den ska vara så stor som möjligt. En sfär är faktiskt den form som gör den största sprängvågen - faktiskt fungerar den för bra för att användas på en kapsel med människor inuti. Det saktar ner så snabbt att de känner sig krossade. Alla former som används är delvis sfäriska, på den del som vetter mot vinden, bakom den avsmalnar, men hur mycket är valfritt. Rymdfärjan var ett undantag - den hade bara en mycket liten kurva på botten eftersom det var bäst när den övergripande designen övervägdes. Det fungerade eftersom ytan den hade för att sakta ner var så stor jämfört med storleken på hela rymdfarkosten.

Lägg märke till hur sprängvågen inte rör vid båten utan rör sig framför den. Båten rör sig så fort att det finns en luftbubbla som är instängd framför den, komprimerad mellan sprängvågens utsida och rymdfarkosten. Den bubblan är också mycket viktig. När luft komprimeras värms den upp. Ju snabbare den komprimeras, desto mer värms den upp. Den snabbaste komprimeringen sker på sprängvågens yta, och så är den delen hetast. Luftbubblan blir också väldigt het, men inte så varm som det, så det skyddar rymdfarkosten från den värsta värmen.

Och ser du det fuzzy avsnittet bakom hantverket? Det är ett område där luften är tunnare, eftersom rymdfarkosten stansar ett hål genom luften och det tar lite tid för det hålet att fylla i igen efter att det har passerat. Det skapar sug som drar på hantverkets baksida, och det saktar också ner det.

Re: "Det skapar sug som drar på hantverkets baksida och det saktar ner det också." Jag skulle ha trott att en spetsig ände skulle vara bäst för kapselns baksida för att minska drag eller vinklade fenor (som en virvelgenerator på plan) men detta visar annorlunda och faktiskt vill du dra via sug under nedstigning. Kanske kan en konkav ände skapa ännu mer sug.
Sugdragning och "sugdragning" existerar inte; vad du _medlar_ är att lufttrycket på fartygets framsida inte motverkas av en kraft från det nära vakuumet bakom det - det vill säga sprängvåg har en _starkare effekt_. Vid atmosfäriska återinträdeshöjder är lufttrycket inte tillräckligt högt för att göra detta till en viktig faktor.
@Scott - jag tror inte att det skulle göra mycket över ett så litet område. Volymen som luften rusar tillbaka i skulle vara mycket lika, och du skulle ha tappat utrymmet från insidan av kapseln, där saker redan är trånga.
@imallett - Läs "skapar sug, drar ..." Sug är bara skapande av ett partiellt vakuum, termen gäller. Det fortsätter att vara en faktor tills fallskärmarna placeras djupt i atmosfären.
@briligg `sug` är inte en vetenskaplig term till att börja med. Vad jag säger är att den fiktiva bakåtkraften som skapas av en _lack_ av en framåtriktad kraft redan redovisas i din annars korrekta beskrivning av mekanismen för sprängvågsminskning. Det finns ingen extra kraft som "drar" bakåt förutom trycket från sprängvågen. Min andra del var bara en anmärkning om att denna effekt är mindre över 30 km, där retardationen är högst.
@imallett - Jag vet inte om människor är så förvirrade att sug är en kraft, snarare än en stor tryckskillnad som skapas av den totala rörelsen i ett system. Det är bara så bekvämt att prata om det som om det är - system i denna situation svarar verkligen exakt som om det fanns något som drog dem i riktning mot det partiella vakuumet. Detta är ett inledande svar och mitt största bekymmer är att det är tydligt. Sättet det anges förklarar spåren i illustrationen i korta termer från vardaglig upplevelse.
Sfärer är också mindre än idealiska eftersom de har ett L / D-förhållande på noll, vilket innebär att alla poster är ballistiska, utan meningsfull manövrerbarhet eller styrning. Koniska kapslar viktas vanligtvis så att de har en liten attackvinkel, i motsats till vad som visas på bilden. Denna angreppsvinkel ger en lyftkraft som gör att återinträde kan kontrolleras till en viss grad genom att rulla kapseln. Apollo använde detta för att skapa en återinträde med profilprofil för att minska toppvärme och g-belastningar. Det ger också en liten mängd kryssregleringskontroll.
Kan du analysera eller ge referens för analysen av stabiliteten hos dessa former?
@kimholder du kanske blir förvånad över hur långt från "helt platt" magen på en orbiter var. Det var den största överraskningen jag hade första gången jag såg en riktig Orbiter. Det var som att gå under en valens svagt böjda mage. https://imgur.com/a/T50kOiw
@OrganicMarble det är värt en korrigering, tror jag. Jag redigerar.
@Hans Nej, jag är inte rädd. Om du inte hittar något här relaterat till det efter en sökning, rekommenderar jag att du ställer en fråga om det.
Min förståelse var att den trubbiga änden håller den hetare bågchocken borta från strukturen (bilden "initialt koncept" skulle vara en katastrof av den anledningen), men den koniska formen är aerodynamiskt stabil så att kapseln inte tumlar. En sfär skulle inte ha någon anledning att inte rotera om den inte är aktivt kontrollerad.


Denna fråga och svar översattes automatiskt från det engelska språket.Det ursprungliga innehållet finns tillgängligt på stackexchange, vilket vi tackar för cc by-sa 3.0-licensen som det distribueras under.
Loading...