Макс д условием является точка , когда аэрокосмического транспортного средства атмосферного полета достигает максимального давления динамического . Это важный фактор при проектировании таких транспортных средств, поскольку аэродинамическая структурная нагрузка на них пропорциональна динамическому давлению. Это может наложить ограничения на зону полета транспортного средства .
Динамическое давление
Динамическое давление q математически определяется как
где ρ - местная плотность воздуха , а v - скорость транспортного средства ; динамическое давление можно рассматривать как плотность кинетической энергии воздуха по отношению к транспортному средству. Эта величина заметно фигурирует в уравнении сопротивления .
Для автомобиля, движущегося со скоростью 90 км / ч (25 м / с) на уровне моря (где плотность воздуха составляет около 1,225 кг / м ^ 3 [1] ), динамическое давление на переднюю часть автомобиля составляет 383 Па, примерно 0,38% статического давления (101,325 Па на уровне моря).
Для авиалайнера, летящего со скоростью 828 км / ч (230 м / с) на высоте 10 км (где плотность воздуха составляет около 0,4135 кг / м ^ 3), динамическое давление на переднюю часть самолета составляет 10937 Па, примерно 41% статического давления (26 500 Па на 10 км).
Макс q при запуске ракеты
Для запуска ракеты с земли в космос динамическое давление составляет:
- ноль при отрыве, когда плотность воздуха ρ высока, но скорость транспортного средства v = 0
- ноль вне атмосферы, где скорость v велика, но плотность воздуха ρ = 0
- всегда неотрицательный, учитывая задействованные количества
Во время запуска скорость ракеты увеличивается, но плотность воздуха уменьшается по мере подъема ракеты. Следовательно, (по теореме Ролля ) существует точка, в которой динамическое давление максимально.
Другими словами, до достижения max q изменение динамического давления из-за увеличения скорости больше, чем из-за уменьшения плотности воздуха, так что динамическое давление (противодействие кинетической энергии), действующее на аппарат, продолжает увеличиваться. После прохождения max q верно обратное. Динамическое давление, действующее на корабль, уменьшается по мере уменьшения плотности воздуха, в конечном итоге достигая 0, когда плотность воздуха становится равной нулю.
Это значение имеет большое значение, поскольку оно является одним из ограничений, определяющих конструктивную нагрузку, которую должен нести корпус ракеты. Для многих ракет, если они будут запущены на полном газу, аэродинамические силы будут выше, чем они могут выдержать. По этой причине их часто снижают до достижения максимального значения q и затем снова повышают, чтобы снизить скорость и, следовательно, максимальное динамическое давление, возникающее во время полета.
Примеры запуска ракет
Например, во время обычного запуска космического корабля "Шаттл" максимальное значение q, равное 0,32 атмосферы, произошло на высоте примерно 11 км (36 000 футов). [2] Три главных двигателя космического челнока были снижены до примерно 60–70% их номинальной тяги (в зависимости от полезной нагрузки), когда динамическое давление приблизилось к максимальному значению q; [3] в сочетании с конструкцией твердотопливных ракетных ускорителей , которая уменьшала тягу при максимальном q на одну треть после 50 секунд горения, общие нагрузки на транспортное средство поддерживались на безопасном уровне.
Во время типичной миссии « Аполлон » максимальное q (также чуть более 0,3 атмосферы) наблюдалось на высоте от 13 до 14 километров (43 000–46 000 футов); [4] [5] примерно такие же значения имеют место для SpaceX Falcon 9 . [6]
Точка max q является ключевой вехой во время запуска ракеты, поскольку это точка, в которой планер подвергается максимальной механической нагрузке.
Смотрите также
Рекомендации
- ^ https://www.engineeringtoolbox.com/standard-atmosphere-d_604.html
- ^ Джексон, Дуглас Т. (2001-05-06). «Спейс Шаттл Макс-Q» . Вопросы аэродинамики . AerospaceWeb.org . Проверено 12 февраля 2007 .
- ^ Хейни, Анна (2007-08-08). «Запустить блог» . НАСА . Проверено 22 мая 2011 .
- ^ Вудс, Дэвид; О'Брайен, Фрэнк (21 августа 2005 г.). «Аполлон-8, день 1: запуск и выход на околоземную орбиту» . Журнал полетов Аполлона . НАСА . Архивировано из оригинала на 2013-07-02 . Проверено 14 февраля 2007 .
- ^ Брандт, Тим; Вудс, Дэвид (2004-10-29). «Аполлон-16, день первый, часть первая: запуск и выход на околоземную орбиту» . Журнал полетов Аполлона . НАСА . Архивировано из оригинала на 2013-07-02 . Проверено 14 февраля 2007 .
- ^ «Миссия Starlink (момент прохождения Falcon 9 через MAX-Q на высоте 12,7 км)» .