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28. September 2020, 16:13:46
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Autor Thema: Beschleunigungsrückgang  (Gelesen 742 mal)

Offline delta900

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Beschleunigungsrückgang
« am: 27. Juni 2020, 23:42:01 »
Hallo,
ich habe mir den letzte Start der Falcon X im Video genau angesehen und anhand der eingeblendeten Daten ein Diagramm über die Höhe, die Geschwindigkeit und die berechnete Beschleunigung erstellt. Alles ist plausibel, was ich aber nicht verstehe, ist der signifikante Rückgang der Beschleunigung im Bereich Sekunde 50 bis 70 nach Start. Gibt es eine Erklärung dafür?
falcon9_diagr
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Ansonsten kann man gut erkennen:
  • Die Beschleunigung nimmt mit dem Ausbrennen der Stufen zu, wegen abnehmender Masse
  • Die Geschwindigkeit sinkt beim Abkoppeln der ersten Stufe (Brenner aus, aber Luftwiderstand) - minimal, im Diagramm kaum erkennbar
  • Die höchste Beschleunigung tritt kurz vor dem Ende der zweiten Stufen (40 m/s²) auf - danach Schwerelosigkeit.
  • Die erste Stufe bringt die Rakete auf etwa ein Drittel der Zielhöhe
  • Die zweite Stufe hat offenbar eine deutlich niedrigere Schubkraft als die erste - sonst würde die Beschleunigungskurve nicht so eine starke "Delle" aufweisen.
  • höchste Beschleunigung tritt kurz vor dem Ende der zweiten Stufen (40 m/s²) auf - danach Schwerelosigkeit.
  • Da die Kapsel ohne Antrieb auf der Höhe bleibt, wird die zweite Stufe es auch und damit sicher zu Weltraumschrott
  • Ab etwa 300 sek erhöht sich die Geschwindigkeit noch enorm, diese wird aber nicht mehr in Höhe verwandelt sondern in Horizontalgeschwindigkeit   

Warum aber die Beschleunigungsdelle am Anfang? Ich hoffe ich bin hier im richtigen Forum, wo jemand mir einen Tipp geben kann.
Stefan

Offline errsu

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Re: Beschleunigungsrückgang
« Antwort #1 am: 28. Juni 2020, 00:03:07 »
Hallo,
ich habe mir den letzte Start der Falcon X im Video genau angesehen und anhand der eingeblendeten Daten ein Diagramm über die Höhe, die Geschwindigkeit und die berechnete Beschleunigung erstellt. Alles ist plausibel, was ich aber nicht verstehe, ist der signifikante Rückgang der Beschleunigung im Bereich Sekunde 50 bis 70 nach Start. Gibt es eine Erklärung dafür?

Warum aber die Beschleunigungsdelle am Anfang? Ich hoffe ich bin hier im richtigen Forum, wo jemand mir einen Tipp geben kann.
Stefan

Das wird die Schubverringerung um den Max Q herum sein. Von der Höhe und Geschwindigkeit her würde es passen.

/m

Offline Hugo

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Re: Beschleunigungsrückgang
« Antwort #2 am: 28. Juni 2020, 00:11:38 »
>> der signifikante Rückgang der Beschleunigung im Bereich Sekunde 50 bis 70 nach Start. Gibt es eine Erklärung dafür?
Das ist der Bereich  um "MaxQ", also der Bereich der höchsten Belastung für die Rakete. SpaceX drosselt hier die Triebwerke um die Belastung auf die Rakete zu reduzieren .


>> Die Geschwindigkeit sinkt beim Abkoppeln der ersten Stufe (...) minimal, im Diagramm kaum erkennbar
Korrekt. Erkennbar ist an der Beschleunigung, daß diese hier negativ ist. Wenn Du die Skala der Y1-Achse bis -5 machst, sieht man es ganz deutlich.


>>  Die erste Stufe bringt die Rakete auf etwa ein Drittel der Zielhöhe
Jain. Das Primärziel eine Rakete ist nicht Höhe, sondern Geschwindigkeit. Die Höhe muss man nur erreichen, um aus der Atmosphäre zu kommen. Auf dem Mond kann eine Rakete sehr knapp über der Oberfläche starten. Sobald die Geschwindigkeit erreicht ist, ist das Apogäum höher als der Radius vom Mond.


>> Die zweite Stufe hat offenbar eine deutlich niedrigere Schubkraft als die erste
Es sind zum einen weniger Triebwerke verbaut, zum anderen ist die Stufe dann zu 100% betankt.


>> Da die Kapsel ohne Antrieb auf der Höhe bleibt, wird die zweite Stufe es auch und damit sicher zu Weltraumschrott
Nein. Zumindest nicht immer. Die 2. Stufe kann die Triebwerke erneut zünden und einen Deorbit durchführen. Das ist leider keine gesetzliche Pflicht und wird nicht immer gemacht. Bei Starlink ist es z.B. auch kein Problem, da das Perigäum hier extrem niedrig ist, die Stufe verglüht innerhalb weniger Wochen.


>> Ab etwa 300 sek erhöht sich die Geschwindigkeit noch enorm, diese wird aber nicht mehr in Höhe
>> verwandelt sondern in Horizontalgeschwindigkeit   
Eigentlich schon viel früher. Das Hauptziel der Rakete ist es, Horizontalgeschwindigkeit aufzubauen. Die Höhe kommt dann von ganz alleine. Nur wegen der Atmosphäre baut man mit der ersten Stufe erst einmal Höhe auf. Auf dem Mont würde man das nicht machen, wie oben geschrieben.
Tipp: Es ist möglich, anhand der Flugzeit und der Fluggeschwindigkeit die zurückgelegte Strecke zu berechnen. Wenn man jetzt auch noch die Flughöhe hat (Gibt es bei SpaceX) kann man die zurückgelegte Strecke am Boden berechnen. Hier sieht man, wie früh die Rakete anfängt sich zu drehen. und Horizontalgeschwindigkeit aufbaut.

Anders herum kann man es sich besser vorstellen: Würde eine Rakete zu 100% nach oben fliegen, würde sei immer wieder zurück fallen zur Erde. Egal wie schnell sie wäre.  (Sofern sie < der Fluchtgeschwindigkeit bleibt). Somit ist der Flug nach oben zu 100% Verlust.


>>Warum aber die Beschleunigungsdelle am Anfang?
Zum Schutz der Rakete. Das ist genau der Bereich, wo die Schallgeschwindigkeit überschritten wird. Hier gibt es einen physikalischen Effekt, der äußerst negativ ist: Beim Überschreiten der Schallgeschwindigkeit nimmt der Widerstand (CW-Wert) überproportional zu. Kurz danach nimmt er dann wieder ab.


>> Ich hoffe ich bin hier im richtigen Forum, wo jemand mir einen Tipp geben kann.
Hier bist Du genau richtig.


Sehr schöne Grafik! Ich vermute, Du hast im 5-Sekunden-Takt die Rohdaten ermittelt? 

Vorschlag: Mache es im 1-Sekunden Takt wenn es Veränderungen gibt. Also bei MaxQ bei 50-70 Sekunden und kurz vor der Triebwerksabschaltung. Nicht immer, aber manchmal kann man hier sogar noch eine Drosselung der Triebwerke 3-4 Sekunden vor der Abschaltung sehen.

Offline delta900

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Re: Beschleunigungsrückgang
« Antwort #3 am: 28. Juni 2020, 00:32:11 »
@ Hugo: Wahnsinn, wie schnell und differenziert Deine Antwort hier zu so später Stunde kommt. Vielen Dank!
Im Video kommt was von "maximum dynamic pressure" als Ton und als infotext. Gemeint ist wohl rho halbe mal v^2 und das fällt auch in diese Zeit mit sinkendem a. Ich habe es mit höhenabhängiger Luftdichte nachgerechnet - passt in etwa.
Ich nehme an, das ist mehr oder weniger das gleiche wie maxQ?
10 Sekunden Auflösung reicht mir, war schon genug Arbeit ;-)




Offline Hugo

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Re: Beschleunigungsrückgang
« Antwort #4 am: 28. Juni 2020, 01:25:30 »
Ja, "Maximum dynamic pressure" und "MaxQ" ist das gleiche.


>> 10 Sekunden Auflösung reicht mir, war schon genug Arbeit ;-)
Ja, das stimmt. Bei Youtube kann das Video auf Pause stellen und dann mit "Pfeil rechts" und "Pfeil links" im 5-Sekunden-Takt springen. Daher nutze ich gerne den 5-Sekunden-Takt. Wenn ich im 1-Sekunden-Takt auslesen möchte, mache ich das 5 mal nacheinander, also ich wertet erst 5-10-15-20-usw aus und dann 6-11-16-21-usw. usw. Für die 2. Stufe gehe ich gerne auf 30 Sekunden hoch, während sie normal feuert.

Offline MarsMCT

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Re: Beschleunigungsrückgang
« Antwort #5 am: 28. Juni 2020, 06:11:55 »
>> Die zweite Stufe hat offenbar eine deutlich niedrigere Schubkraft als die erste
Es sind zum einen weniger Triebwerke verbaut, zum anderen ist die Stufe dann zu 100% betankt.

Ja, tolle Erklärungen mit viel Aufwand ermittelt.

Nur eine kleine Info zu einem Punkt. Relativ zu anderen Raketen ist der Schub der Falcon Oberstufe sogar sehr hoch. Das RL-10 der Centaur Oberstufe hat ein viel geringeres Schub/Gewicht Verhältnis, selbst die Version mit 2 RL-10. Die Erststufe liefert da genug vertikale Geschwindigkeit, daß die Oberstufe Zeit hat, Horizontalgeschwindigkeit aufzubauen.

Ihr beide wißt das wahrscheinlich, aber nicht jeder, der das liest.

Offline delta900

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Re: Beschleunigungsrückgang
« Antwort #6 am: 28. Juni 2020, 11:22:12 »
So, jetzt habe ich auf Anregung von Hugo noch ein Wegdiagramm vertikal über horizonal erstellt (einfach nach Pythagoras den "fehlenden" Höhenzuwachs in Horizontalzuwachs umgerechnet), und es passt alles gut zusammen:
falcon_weg
falcon_weg
Die gelbgrüne Linie  deutet die Stufen an.
Man kann erkennen (draufklicken für bessere Auflösung):
  • Die Rakete wird immer schneller (Abstand der Punkte immer länger)
  • Am Schluss bleibt die Geschwindigkeit konstant
  • Es geht fast alles in Horizontalgeschwindigkeit
  • Von einem "senkrechten" Hochfliegen kann nicht die Rede sein
Ich bin selber erstaunt, was sich aus so einem Video mit etwas Mittelstufen-Mathematik alles herausholen lässt.
Stefan

Offline McPhönix

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Re: Beschleunigungsrückgang
« Antwort #7 am: 28. Juni 2020, 12:16:24 »
Nebenbei - mit "J" und "L" kann man in YT im 10sek Takt springen. Weiß auch nicht jeder, wie ich im Bekanntenkreis sah.

Ich habe keine Angst vor Aliens. Solange sie über uns lachen wegen dem kleinkarierten Raketengefummel auf der Erde, tun sie uns nix.

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