Questão:
Por que os foguetes com rotação estabilizada são estáveis?
space_voyager
2020-07-18 04:09:46 UTC
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Corpos rígidos giratórios são estáveis ​​em seus eixos de menor e maior momento de inércia. Quando há modos de dissipação de energia, como flexão e respingo de propelente, apenas o maior momento do eixo de inércia é estável, porque girar em torno desse eixo corresponde a menos energia cinética. É por isso que a estabilização de rotação do Explorador 1 falhou (as antenas de rádio flexionaram para dissipar energia).

No entanto, foguetes estabilizados de rotação também estão girando em torno de seu eixo de menor momento de inércia (eles são "spinners de eixo menor"). Visto que os foguetes se curvam e seus propelentes se movem, essa rotação não deveria ser instável? Minha pergunta é se a razão pela qual a estabilização do spin funciona para a atitude de um foguete é porque o tempo de vôo é muito menor do que o tempo que levaria para a instabilidade rotacional crescer? Ou os foguetes usam sistemas de controle ativo para estabilizar o eixo de rotação menor?

Observe que uma resposta a uma pergunta anterior parece indicar que a estabilização de rotação iria ser instável para um foguete - no entanto, não há explicação de como esse problema é tratado.

Trzy respostas:
Russell Borogove
2020-07-18 04:24:48 UTC
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A maioria dos foguetes com rotação estabilizada são movidos a combustível sólido, portanto, sem respingos. Os estágios de combustível sólido também tendem a ter uma estrutura mais pesada do que os de combustível líquido, porque o recipiente de propelente precisa conter a pressão de combustão, então eles são menos flexíveis do que um estágio de líquido de volume semelhante. As proporções dos estágios superiores sólidos estabilizados por rotação tendem a ser bastante achatadas, e. Star 48, que reduz ainda mais a flexão longitudinal (e talvez tenha um benefício no momento de inércia também?).

A estabilização de rotação foi usada para fases líquidas em curtos períodos, também, embora instabilidades de derramamento tenham causado problemas em tais casos.

Além disso, é verdade que as queimaduras dessas fases tendem a ser curtas. Os motores Star 48 queimam apenas por cerca de um minuto e meio, no máximo.
@Russell Borogove Você tem alguma opinião sobre este https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1000936117301449 - Ampliei um pouco mais minha resposta.
Não. Meu modelo mental se fecha quando "precessão" e "nutação" entram na conversa.
John Doty
2020-07-19 01:09:28 UTC
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Observe que a estabilização de rotação do Explorer 1 funcionou bem para colocá-lo em órbita. A dissipação durante os poucos minutos de impulso não foi suficiente para causar problemas.

Puffin
2020-07-20 23:59:49 UTC
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Um spinner dinamicamente instável pode ser operado com Active Nutation Damping. Isso significa "simplesmente" usar uma malha de controle para conduzir pequenas manobras para reduzir a precessão. A direção do impulso está no eixo de rotação do corpo e está em um raio finito do vetor de rotação (quanto mais longe, mais efeito por pulso).

Obviamente, ele precisa de um tempo bastante preciso para que os pulsos ocorrer no momento certo. O projetista precisa escolher o sensor e a cadeia de processamento corretos para determinar a fase em relação à taxa de rotação e outro sensor para detectar o ângulo de nutação; de modo que o tamanho do pulso pode ser escolhido para reduzir progressivamente conforme a nutação é mantida sob controle.

Fiquei surpreso ao ver isso https://www.sciencedirect.com/science/article/pii / S1000936117301449 que sugere que os estágios superiores sólidos estabilizados por rotação freqüentemente apresentam problemas de nutação inesperados; Devo confessar que só dei uma olhada, mas parece estar relacionado ao movimento do gás quente dentro do motor sólido.



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