Frage:
Warum sind spinstabilisierte Raketen stabil?
space_voyager
2020-07-18 04:09:46 UTC
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Spinnende starre Körper sind um ihre Achsen der kleinsten und größten Trägheitsmomente stabil. Wenn es Energiedissipationsmodi gibt, wie z. B. Biegen und Schwappen des Treibmittels, ist nur das größte Trägheitsmoment der Achse stabil, da das Drehen um diese Achse der geringsten kinetischen Energie entspricht. Aus diesem Grund ist die Spinstabilisierung des Explorer 1 fehlgeschlagen (die Funkantennen wurden gebogen, um Energie abzuleiten).

Raketen, die spinstabilisiert sind, drehen sich jedoch auch um ihre Achse des kleinsten Moments der Trägheit (sie sind "Nebenachsenspinner"). Sollte diese Rotation nicht instabil sein, da sich Raketen biegen und ihr Treibmittel schwappt? Meine Frage ist, ob der Grund, warum die Spinstabilisierung für die Fluglage einer Rakete funktioniert, darin besteht, dass die Flugzeit viel kürzer ist als die Zeit, die erforderlich wäre, um die Rotationsinstabilität zu vergrößern. Oder verwenden Raketen aktive Steuerungssysteme, um die Nebendrehachse zu stabilisieren?

Beachten Sie, dass eine Antwort auf eine vorherige Frage darauf hindeutet, dass die Spinstabilisierung em wäre > für eine Rakete instabil sein - es gibt jedoch keine Erklärung dafür, wie mit diesem Problem umgegangen wird.

Drei antworten:
Russell Borogove
2020-07-18 04:24:48 UTC
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Die meisten spinstabilisierten Raketen sind mit festen Brennstoffen ausgestattet und daher schwappfrei. Festbrennstoffstufen haben tendenziell auch eine schwerere Struktur als Flüssigbrennstoffstufen, da der Treibmittelbehälter einen Verbrennungsdruck enthalten muss, sodass sie weniger biegsam sind als eine Flüssigstufe mit ähnlichem Volumen. Die Anteile der spinstabilisierten festen oberen Stufen neigen dazu, ziemlich gedrungen zu sein, z. Star 48, der die Längsbiegung weiter reduziert (und möglicherweise auch einen Trägheitsmomentvorteil hat?).

Die Spinstabilisierung wurde für flüssige Stufen über kurze Zeiträume verwendet. auch, obwohl schwappende Instabilitäten in solchen Fällen Probleme verursacht haben.

Darüber hinaus ist es wahr, dass die Verbrennungen solcher Stadien dazu neigen, kurz zu sein. Die Star 48-Motoren brennen höchstens anderthalb Minuten.
@Russell Borogove Haben Sie irgendwelche Gedanken zu diesem https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1000936117301449 - Ich habe meine Antwort etwas erweitert.
Nee. Mein mentales Modell wird heruntergefahren, wenn "Präzession" und "Nutation" in das Gespräch eintreten.
John Doty
2020-07-19 01:09:28 UTC
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Beachten Sie, dass die Spinstabilisierung von Explorer 1 gut funktioniert hat, um in den Orbit zu gelangen. Die Verlustleistung während der wenigen Minuten des Schubes reichte nicht aus, um Probleme zu verursachen.

Puffin
2020-07-20 23:59:49 UTC
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Ein dynamisch instabiler Spinner kann mit Active Nutation Damping betrieben werden. Dies bedeutet "einfach" die Verwendung eines Regelkreises zur Durchführung kleiner Manöver zur Verringerung der Präzession. Die Richtung des Schubes liegt in der Körperspinachse und befindet sich in einem endlichen Radius vom Spinvektor (je weiter außen, desto mehr Effekt pro Impuls).

Offensichtlich benötigt es ein ziemlich genaues Timing, damit die Impulse zum richtigen Zeitpunkt auftreten. Der Konstrukteur muss den richtigen Sensor und die richtige Verarbeitungskette auswählen, um die Phase in Bezug auf die Spinrate zu bestimmen, und einen anderen Sensor, um den Nutationswinkel zu erfassen. Damit kann die Pulsgröße so gewählt werden, dass sie sich schrittweise verringert, wenn die Nutation unter Kontrolle gebracht wird.

Ich war überrascht, dass dies https://www.sciencedirect.com/science/article/pii ist / S1000936117301449, was darauf hindeutet, dass spinstabilisierte feste obere Stadien häufig unerwartete Nutationsprobleme hatten; Ich muss gestehen, dass ich nur einen Blick darauf geworfen habe, aber es scheint sich auf die Bewegung des heißen Gases im Feststoffmotor zu beziehen.



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