Wiederverwendbarkeit und Landefähigkeit der Falcon-Familie

Zitat von: Quetzalcoatl am 18. April 2016, 22:27:36

Zitat von: Prodatron am 18. April 2016, 22:23:58

Schon irre wie stabil die Stufen sind. Wenn man bedenkt, daß andere (z.B. Ariane 5) sogar aufgerichtet und nicht aufgetankt einfach in sich zusammenfallen würden...

Das ist bei der Falcon 9 auch so ebenso wie bei der alten Atlas. Allerdings gilt das nur, wenn die Stufe von oben auch entsprechend belastet wird, also Zweitstufe und Nutzlast tragen muss

Quelle? 

Das war zu den Anfangszeiten der Raumfahrt noch so, aber heute nicht mehr. Die Ariane steht z.B. unaufgetankt und aufgerichtet auf der Startrampe ohne in sich zusammen zu fallen, die wird nicht vorher betankt und dann aufgerichtet. Genauso wie alle anderen aktuellen Träger.

Ich hab das hier gelesen:
https://de.wikipedia.org/wiki/Ariane_5#Technik
"Ihr Leergewicht beträgt dank extremer Aluminium-Leichtbauweise nur 12,5 Tonnen. Das Material ist so dünn, dass die Rakete unter ihrem eigenen Gewicht zusammenbrechen würde, falls man die Stufe leer aufrichtet. Stabilität erlangt sie erst durch den eingefüllten Treibstoff bzw. Druckgas."
Ist das auf Wikipedia eine veraltete Information? Dann sollte das dort mal jemand ändern.

Das ist bei der Falcon 9 auch so ebenso wie bei der alten Atlas. Allerdings gilt das nur, wenn die Stufe von oben auch entsprechend belastet wird, also Zweitstufe und Nutzlast tragen muss

Das kann ja nicht sein. Die Falcon 9 wird erst "in letzter Minute" kurz vor dem Start betankt wegen dem extrem kalten LOX und Kerosin.

Ich hab das hier gelesen:
https://de.wikipedia.org/wiki/Ariane_5#Technik
"Ihr Leergewicht beträgt dank extremer Aluminium-Leichtbauweise nur 12,5 Tonnen. Das Material ist so dünn, dass die Rakete unter ihrem eigenen Gewicht zusammenbrechen würde, falls man die Stufe leer aufrichtet. Stabilität erlangt sie erst durch den eingefüllten Treibstoff bzw. Druckgas."
Ist das auf Wikipedia eine veraltete Information? Dann sollte das dort mal jemand ändern.

Also meines Wissens nach war die einzige Rakete bei der das wirklich der Fall war die Atlas-Agena und auch da nur weil man dort Ballontanks ohne jegliche Verstrebung oder Stützen eingesetzt hat so wie das heute bei allen Raketen üblich ist.

Leider gibt es bei dem Wikiartikel zur Ariane gerade bei dieser Behauptung keine Quellenangabe.

Würde die Falcon 9 also mit 2.Stufe und Nutzlast (aufgerichtet?) auch zusammenbrechen, wenn kein "Dummy"-Druckgas in den noch leeren Tanks ist? (die ja mittlerweile wirklich erst kurz vorm Abheben gefüllt werden)

Die Tanks einer Rakete sind nie 'leer', sondern immer mit Luft oder eben einem inerten Schutzgas gefüllt. Man hält sie aber dauerhaft unter ganz leichtem Überdruck, schon um eine Verformung durch ihr Eigengewicht (bzw. die Gravitation) zu vermeiden. Balloneffekt.

Im übrigen stand auch heute den ganzen Tag über ein großer weißer Stickstoff-Transporter vor der Falcon. Siehe das letzte Bild von McPhönix.

Und da steht er immer noch.....

Gruß
roger50

P.S.: 18 Uhr in Florida - Feierabend. Schon seit längerem tut sich nichts mehr an, auf oder neben der Stufe. Mal sehen, ob sie morgen früh immer noch da rumliegt oder über Nacht abtransportiert wurde.

Da liegt sie und wartet auf Morgen:

http://portcanaveralwebcam.com/

Die Tanks einer Rakete sind nie 'leer', sondern immer mit Luft oder eben einem inerten Schutzgas gefüllt. Man hält sie aber dauerhaft unter ganz leichtem Überdruck, schon um eine Verformung durch ihr Eigengewicht (bzw. die Gravitation) zu vermeiden. Balloneffekt.
......

Bedeutet das, dass die Statik einer Rakete eher der eines straff aufgepumpten Schlauches ähnelt, als der eines starren Metallzylinders? Welcher Teil der Belastung eines Tanks durch darüberliegende Teile wird dann beim Start durch den Innendruck gehalten? Ich glaube, ich habe noch nie gelesen, wie stark die Tanks beim Start unter Druck gesetzt werden, ist ja vielleicht ein Betriebsgeheimnis.

viele Grüße
Steffen

Druckstabilisierte Tanks hallten die Last nicht durch den Innendruck, sondern sorgen durch den Druck nur dafür, das der Tankzylinder seine Volumenoptimale runde Form behält.
Die erhöhte Tragfähigkeit kommt also daher, dass der Tank sich nicht einfach zusammendrücken läst, wie eine Dose.

Ein leichter Überdruck ist schon deshalb sinnvoll, um den Tank sauber zu halten, ähnlich eines Reinraums. Wenn Luft erstmal nur ausströhmen kann, kann auch kein Dreck so einfach eindringen.
Ob der Druck zusätzlich zum Stabilisieren genutzt wird ist eine andere Frage, schaden würde es wohl aber nicht.

Grüße aus dem Schnee

Nehmen wir an der Tank hat 3bar Überdruck und der Tank hätte 10,46m², so sind das 316t, die Last der Nutzlast wird also mehr als überkompensiert.

Moin,

es ist 21:30 Uhr am Cape und die Pier liegt im Flutlicht. Die meisten Container, Kräne und Cherrypicker sind weg - nur die Stufe ist noch da....

Gruß
roger50

Hallo Klakow

Nehmen wir an der Tank hat 3bar Überdruck und der Tank hätte 10,46m², so sind das 316t, die Last der Nutzlast wird also mehr als überkompensiert.

Diese schelle Analogie als Kräftegleichgewicht ist aber weder vollständig noch sinnvoll. Das innere Medium trägt nicht die Last. Der Druck wirkt auch zur Seite und nach unten ... und nullt sich damit aus. "Überkompensieren" würde dann auch noch heißen: beschleunigen ... aus dem Nichts!

Der Innendruck hilft die Struktur zu versteifen (also die Verformung zu steuern), nicht die Festigkeit/Tragfähigkeit direkt zu steigern. Nur indem der Druck gewisse Verformungen "blockiert" (erschwert), wird die Konstruktion ggf. mittelbar tragfähiger. Das ist dann aber nicht dieses simple "Gleichgewicht". Die Tragfähigkeit kommt dann immer noch aus der Struktur, nicht aus dem Medium.

@Schillrich:
Das erklärst du mal deiner Luftmatratze und den ganzen Autoreifen.
Es mag zwar sein das die äußere Hülle die Last tragen könnte, aber notwendig ist das nichg nicht. Überkompensiert hat nichts mit beschleunigen zu tun, sondern damit das der statische Innendruck größer als der Außendruck ist. Die Differenz bewirkt eine Zugbelastung in der Außenhülle. Ist der Außendruck größer als der Innendruck treten Druckbelastungen im Material auf, diese sind sehr viel schwerer konstruktiv abzufangen als Zugbelastungen, was zu höherer Trockenmasse führt.

Und hier ist die Krux, was ist der optimale Innendruck um bei maximaler Bescheunigung möglichst wenig Tankmaterial zu benötigen?

Hallo

Sogar ein Luftballon kann allein durch den Innendruck, ganz ohne feste Struktur, eine Last tragen, die sein Eigengewicht um ein vielfaches übersteigt.
Durch den Überdruck im Innern werden die Tankwände in alle Richtungen, auch nach oben und unten, auf Zug belastet, der Tank wird durch den Druck auseinandergezogen, was dem Gewicht der zu tragenden Teile entgegenwirkt. Das sollte doch die Struktur zumindestens teilweise entlasten, je nach Stärke des Drucks, die ich aber leider nicht kenne. Der Tankdruck dient sicher auch zur Stabilisierung, damit die lange dünne Falcon nicht einknickt.

PS: Ist nicht beim Unfall der CRS-7 nach Leckschlagen und Druckverlust des Sauerstofftanks dieser sofort "zusammengebrochen", weil die tragende oder mittragende Komponente des Drucks fehlte?

viele Grüße
Steffen

Wir müssen hier ordentlich trennen bei diesen einfachen Analogien: versteifen (Verformung) vs. tragen (Festigkeit)... Ein Material kann reißen, dann hat die Festigkeit versagt. Eine Struktur kann sich aber auch schon vorher katastrophal verformen (z.B. Knicken oder "buckling"), dann hat die Steifigkeit versagt.

Die Luft im Tank trägt nicht die Last (das wäre dann nähmlich "Schweben" wie ein Luftschiff). Daher trägt auch der Druck nicht die Last. Die Luft versteift über ihren Druck die Struktur, so dass diese sicht nicht zu stark verformt, bevor sie ihre Festigkeitsgrenze erreicht. Die gesamte Last lastet weiter auf der Struktur, die durch den Druck sogar noch eine zusätzliche Spannung aushalten muss. Die Zugfestigkeit des Strukturmaterials ist weiter der begrenzende Faktor und wird durch den Druck nicht erhöht.

Die Kraft des Innendrucks auf eine Stirnfläche des Tanks mit der Last durch die Oberstufe zu verrechnen, hat mit diesen Leichtbauprinzipien gar nichts zu tun.

Natürlich müssen die Kräfte übertragen werden, das ist klar. Aber durch den Tankdruck wird die Art der Kräfte verändert, von Druckkräften in der Tankwand hin zu Zugkräften. Die Differenz wird von der unter Druck stehenden Luftsäule im Tank "getragen", so dass in der Summe wieder die ürsprüngliche Kraft herauskommt.
Das mit der Technischen Mechanik ist einfach schon zu lange her, ich kann das nicht mehr gut erklären.

viele Grüße
Steffen

Wahrscheinlich sind wir gedanklich beieinander, nur in den Begriffen nicht deckungsgleich .

Deswegen poche ich etwas auf klare Begriffe und dass wir nicht "zu schnelle Analogie" hinpinseln. Statische ordentliche Kräftegleichgewichte sollten wir schon beachten, lokal und global, sonst lesen sich die Dinge komisch. Am Ende muss die Struktur "alles aushalten". Die gewonnene Steifigkeit durch die Luftsäule hilft ihr dabei "in Form" zu bleiben. Aber die Struktur wird dadurch nicht entlastet.

Falls das Ding nicht gerade explodiert ist die Summe der Kräfte letztentlich Null. Wir haben zwar einen Körper der sich bewegt, aber abgesehen von kurzzeitigen Anpassungen z.B. wegen Laständerungen aufgrund der Tankbefüllung, darf es nur statische Lasten geben. Das hat nichts mit der Dynamik der Rakete zur Umgebung zu tun.
Kommt es irgendwo zu einer Überlastung wird es dynamisch und zwar so lang bis ein neues Gleichgewicht der Kräfte erreicht wurde.

Ich schließe mich mal der Fraktion an :
Druck - nicht um die Last zu tragen, sondern um die optimale Form der Tank- Struktur zu erhalten, bei der die dann durch ihr eigenes Gewicht nicht verformt werden und (nicht zu vergessen) nicht die Tankbefestigungen über Gebühr beanspruchen. Sonst kann das alles  kein Zertifikat für die Weiterverwendung bekommen.

Man muß das doch als Einheit sehen - Hülle, innere Halterungen (!) und die Tanks.
Es liegt doch vor unseren Augen : Bei sanftem Herumschwenken und in Ruhelage gibt es keine Probleme. Da fällt auch nix in sich zusammen. Selbst wenn auch mal ein "stage hand" drauftritt.
Ich denke mal - was man fürchtet, sind (z.B.) nicht erkennbare Mikrorisse durch Vibrationen in waagerechter Lage. Dafür ist das Dingens (aus zweckmäßigkeitsgründen) nicht optimiert. Letzteres kann sich aber noch ändern, wenn sichs mal rechnen wird.

(Nebenbei - gibts hier auch Leute , die sich einfach an den Bildern erfreuen können ?  )

Natürlich geht der Innendruck in das Kräftegleichgewicht mit ein und verändert in die Art der Materialbelastung. Und damit trägt der Innendruck auch die eigene bzw. zusätzliche Last mindestens mit. Wir sind hier mit der Stufe auf der Erde und können für diese Betrachtungen davon ausgehen, daß sie unter der Belastung nicht zurückweicht.

Daß der Innendruck gleichzeitig auch die Form stabilisiert, und so die mögliche Belastung bei bestimmten Beanspruchungen (Transport) vielleicht entscheidend erhöht, ist dabei kein Widerspruch.

Eines sollte man nicht übersehen, der Treibstoff in den Tanks drückt auf den Tankboden und zwar für den oberen LOX wie den unteren PR-1 Tank.
Die LOX Masse bei der Startstufe ist sehr groß und die Kraft steigt bis die Rakete den maximalen Schub erreicht hat an.
Mir fällt zumindest nicht ein wie sich die Sauerstoffmoleküle sich an der Tankwand festkrallen könnten.

Moin,

mal zurück zu den Arbeiten an der 1.Stufe der Falcon-9:

Noch immer liegt die Stufe still auf der Pier, sie wurde also über Nacht nicht abtransportiert.

Okay, es ist momentan erst 7:30 Uhr am Cape , und heute passiert bestimmt noch was. Aber ich frage mich inzwischen wirklich, warum man sich mit den ganzen Arbeiten so viel Zeit läßt. Heute vor einer Woche kam die Stufe im Hafen an....

Gruß
roger50

Ist zwar grundlagenfreie Spekulation, aber vielleicht ist im Moment ein Großteil der SpaceXler unten am Cape damit beschäftigt, den Booster/das Launchpad für JCSAT-14-Start vorzubereiten, anstatt den CRS-8-Booster abzutransportieren? Sind schließlich nur noch 9 Tage hin bis zu dem avisierten Startdatum und SpaceX hat wahrscheinlich nicht endlos viele Techniker etc.

Wenn sie keine Termindruck haben ist der Ablauf vielleicht gerade optimal.

Sorry, aber mir fällt gerade auf, das Klakow schon recht hat.

Erstmal sorgt der Innendruck für eine Formstabilisierung, vor allem, wenn eine Stuffe liegt spielt das eine Rolle. Aber auch beim Stehen und gegen Punktuelle Krafteinwirkungen von außen, zb Anschraubpunkte der Beinen. Diese Formstabilisierung schützt den Tank auch gegen traglastbedingtes Knicken, was seine Tragfähigkeit als Strucktur deutlich erhöht.

Der Innendruck versucht aber auch die Tanks auseinander zu drücken, das heist die Oberseite nach oben weg zu drücken, was eine Zugbelastung in der Außenwandung auslöst. Entsprechend kann eine Last oben aufgesetzt werden und wird von der Luftsäule im Inneren mitgetragen. Zum Ausgleich für den Druck nach oben drückt die Luftsäule gegen den Boden und stellt somit ein statisches Gleichgewicht her. Den Druck zur Seite hab ich nicht vergessen, ist für dieses statische Gleichgewicht aber nicht wichtig.
Siehe Pneumatische Heber. Einziger unterschied ist, das Der bewegliche Part mit der Wandung verbunden ist.
https://images.raumfahrer.net/up051219.png

Allerdings sollte der Tank der Falcon 9 auch ohne diese Extras wenigstens alleine stabil stehen können, damit sie sich beim Heimtransport auf der Barke nicht über den innendruck sorgen machen müssen.
Auch Liegen auf 2 Auflagerhalbringen müsste ohne Innendruck funktionieren, da die Erststuffe so in der Fertiungshalle auch liegt, während man Außen und Innen arbeitet.

Grüße aus dem Schnee