Eine Rakete, die in keiner Form oder Größe wie eine Rakete der aktuellen Generation aussieht. Es ist kürzer und dicker als eine typische Space X-Rakete und am seltsamsten ist es aus Edelstahl. Ein Material, das seit den 60er Jahren für Treibstofftanks weitgehend unbrauchbar geworden ist. Stahl ist stark, aber ziemlich schwer. Für Flugstrukturen ungeeignet machen.

Die Gewichtsreduzierung der Trägerrakete ist eine Kunstform der Raketenwissenschaft. Jedes Kilogramm zählt, und die Ingenieure haben einige innovative Möglichkeiten zur Gewichtsreduzierung entwickelt. WD-40 wurde ursprünglich entwickelt, um Wasser, von dem der Name stammt, zu verdrängen, um die Metalltanks der Atlas-Raketen vor Rost zu schützen, da sie nicht lackiert wurden, um Gewicht zu sparen. Und diese Atlas-Raketen bestanden aus rostfreiem Stahl.

space x falcon 9

Damals waren Aluminiumlegierungen die einzige Option. Die Wissenschaft war noch nicht weit genug fortgeschritten, und die Ingenieure der Atlas-Raketen entschieden sich stattdessen für extrem dünnen Edelstahl für ihre Treibstofftanks, die zwischen 2,5 und 10 Millimeter variierten. Dies waren im Wesentlichen Metallballons. Da sie im drucklosen Zustand baulich instabil waren.

In einem berüchtigten Fall am 11. Mai 1963 verlor eine Atlas Agena D den Druck auf der Startrampe, wodurch das Gewicht der oberen Stufe den dünnen Stahl abknicken konnte.
Durch die Druckbeaufschlagung werden die Druckbehälter stärker, da der Druck eine Rückstellkraft für kleine Verformungen bietet. Wenn das Metall also versucht, sich nach innen zu biegen, wird es durch den Innendruck wieder herausgedrückt.

Dies stärkt alle Raketentanks und ermöglicht die Minimierung ihrer Dicke. Diese Anwendung hat es jedoch auf das Äußerste gebracht, die Stahldichte auszugleichen. Unsere Materialauswahl für Luft- und Raumfahrtanwendungen hat sich mit unserer Beherrschung der Materialwissenschaften weiterentwickelt. Speziell mit den uns zur Verfügung stehenden Materialien, die das höchste Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht aufweisen. Wir können diese Stärke-zu-Gewicht-Verhältnisse in einem Diagramm wie diesem darstellen. Auftragen der Festigkeit des Materials gegen seine Dichte. Wenn man dies betrachtet, ist es ziemlich klar, dass Stahl eine bedeutende Menge an Gewicht hinzufügt, während er keine proportionale Menge an Festigkeit hinzufügt. Stahl ist in der Regel 2,5-mal schwerer als Aluminium, aber nicht 2,5-mal fester.

Warum verwenden Edelstahl?

Das Verhältnis von Stärke zu Gewicht ist nicht der einzige Faktor, den Ingenieure berücksichtigen müssen. Einige andere Parameter wie Wärmeleitfähigkeit usw. müssen berücksichtigt werden. Aluminium hat eine viel höhere Wärmeleitfähigkeit als Stahl und kann so viel schneller Wärme aus seiner Umgebung an den kryogenen Brennstoff abgeben. Dies kann den Kraftstoff verdampfen lassen, was Absperrventile erfordert, um den verdampften Kraftstoff abzulassen. Um dieses Problem zu minimieren, werden Raketentreibstofftanks häufig mit Schaumisolierung besprüht, was den Außentank des Space Shuttles ergab. Dies führt jedoch zu einer erheblichen Menge an Masse selbst, was wiederum die gewichtssparenden Vorteile von Aluminium verringert.

Die Falcon-9-Kraftstofftanks sind jedoch nicht isoliert. Um ein starkes Abkochen des Kraftstoffs zu verhindern, wird der Kraftstoff so spät wie möglich eingefüllt. Dies reduziert die Menge an Kraftstoff, die verdampft, macht es aber auch zu einem Albtraum, den Falcon 9 für menschliche Nutzlasten zertifizieren zu lassen. Die NASA wollte nicht, dass SpaceX die Rakete mit Passagieren an Bord betankt, denn wie wir bereits gesehen haben, kann in dieser Phase etwas schief gehen. Im August 2018 genehmigten sie schließlich den Falcon 9 für diese Art des Betankens für den menschlichen Flug.

Die im Falcon-9 verwendeten Aluminium-Lithium-Legierungen wurden erst Ende der 50er und Anfang der 60er Jahre entwickelt, wodurch sich das Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht erhöhte und der Einstieg in die Luft- und Raumfahrttechnik ermöglichte.

Die Edelstahl-Ballontanks der Atlas-Raketen wurden schließlich aus diesem Aluminiumlegierungsmetall hergestellt, und ihr Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht wurde durch die Verwendung eines einzigartigen Stringer-Musters namens Isogrid verbessert, das die Fähigkeit des Aluminiums erhöhte, einem Knicken wie dem des Atlas zu widerstehen Agena D. NASA führte diese großen Druckknicktests an den Aluminium-Lithium-Tanks der SLS-Rakete durch. Normalerweise verwenden Sie kleine Dehnungsmessstreifen, deren elektrischer Widerstand sich ändert, wenn Sie sie dehnen, wodurch die Elektronen auf einem längeren Weg gezwungen werden, die Dehnung im Material zu verfolgen, aber für etwas so Großes hätten sie Tausende benötigt. Stattdessen haben sie die gesamte Struktur mit Punkten versehen, damit Computer-Imaging-Software den Überblick über die Beanspruchung behalten kann. Diese Isogitterstruktur eignet sich hervorragend zur Maximierung der Festigkeit bei gleichzeitiger Minimierung des benötigten Materials.

machining rocket material

Es ist im Wesentlichen ein verwobenes Muster von I-Trägern, das die Steifheit der Gesamtstruktur erhöht. Sie werden dieses Muster überall in der Luft- und Raumfahrt sehen. Von diesen Raketen aus den sechziger Jahren bis zu den neuen Dragon 2-Kapseln von Space X. Space X hat bisher Aluminium-Lithium-Legierungen in seinen Treibstofftanks verwendet. Aber sie entschieden sich dafür, diese Isogitter-Struktur nicht zu verwenden, obwohl sie eine fantastische Leistung in Bezug auf Festigkeit und Gewicht bietet, ist ihre Herstellung absurd teuer. Zur Herstellung von Iso-Gittern beginnen Sie mit einem dickeren Stück Aluminium und bearbeiten es mit einer CNC-Maschine. Dies führt dazu, dass ca. 95% des Materials verschwendet werden. Stattdessen entschied sich SpaceX für eine dünne Haut aus Aluminium-Lithium-Legierung und rührte dann geschweißte Verstärkungsstringer ein. Wir gleichen ständig eine Vielzahl von Faktoren aus.

Hier beeinflussten die Herstellungskosten der Rakete ihr Design. Normalerweise überwiegen die Kosten für die Einführung eines zusätzlichen Kilogramms Material in den Weltraum bei weitem die Materialkosten. In solchen Fällen kann jedoch die Verschwendung im Herstellungsprozess unsere Materialauswahl beeinflussen. Zum Beispiel führte Musk die Kosten für Kohlefaserverbundwerkstoffe als einen der Hauptgründe an, warum er sie als Material für den Starhopper aufgab. Kohlefaserverbundwerkstoffe kosten etwa 135 Dollar pro Kilogramm, und ein erheblicher Teil davon wird beim Auflegen weggeworfen. Das Herstellungsverfahren für Kohlefaserverbundwerkstoffe ist außerordentlich aufwendig und schwierig. Kohlefaserverbundwerkstoffe gewinnen ihre ganze Stärke aus den langen und dünnen Kohlenstofffasern im Kunststoffharz, das sie zusammenhält.

Dies bedeutet, dass ihre Festigkeit nicht in alle Richtungen gleich ist. Um sicherzustellen, dass das Material in alle Richtungen fest ist, müssen Sie Ihren Kohlefaserverbundstoff auf eine ganz bestimmte Art und Weise schichten. Sie müssen es dann in einem unter Druck stehenden Ofen aushärten. Dies war einer der Hauptfehler bei der Vorhersage des Versagens der frühen Prototypen der BFR-Carbon-Composite-Tanks, die in zwei Teilen hergestellt wurden, vermutlich, weil sie kein Werkzeug und keinen Autoklaven fanden, der groß genug war, um einen Tank voller Größe zu heilen.

Hier sehen wir wirklich, wo Edelstahl glänzt und warum Musk sich für ein Edelstahlfahrzeug entscheidet. Zeichnen wir ein weiteres Diagramm, diesmal die Stärke gegen die maximale Betriebstemperatur. Hier zeigt sich, dass Edelstahl sowohl Aluminiumlegierungen als auch Kohlefaserverbundwerkstoffe deutlich übertrifft.

Die Rakete der ersten Stufe des Falcon 9 dient nur dazu, die zweite Stufe auf eine Höhe von 65 bis 75 km und eine Geschwindigkeit zwischen 6.000 und 8.300 km / h zu bringen, bevor sie umgedreht wird und Verbrennungen beim Wiedereintritt ausführt, um sich zu verlangsamen, bevor sie mit relativ geringer Geschwindigkeit in die dickere Atmosphäre eintritt Geschwindigkeiten. Selbst dann übernehmen die Motordüsen, die für massive Temperaturen ausgelegt sind, die Hauptlast der Wiedereintrittsheizung, sodass die Aluminiumtanks keine größere Wiedereintrittshitze entwickeln. So soll der Starhopper nicht funktionieren, weil er als interplanetares Fahrzeug gebaut wird.

evaporisation technique in spacex rocket

Der Starhopper kann damit rechnen, mit einer Geschwindigkeit von bis zu 21.000 km / h und Temperaturen von bis zu 1.700 Grad in die Marsatmosphäre einzutreten. Weit über der maximalen Betriebstemperatur von Aluminium und Edelstahl, aber wir haben Möglichkeiten, einen Teil dieser Wärme abzuleiten, bevor sie das Metall erwärmen kann. Der Curiosity Rover verwendete einen phenolimprägnierten Kohlenstoff-Ablator, der extrem leicht ist, eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist und extremen Temperaturen von bis zu 1.930 Grad standhält.

Aber nichts so Schweres ist jemals zuvor in die Marsatmosphäre eingetreten, und es wird keine leichte Aufgabe sein, es zu verlangsamen. Es muss in einem extrem hohen Anstellwinkel in die Marsatmosphäre eintreten, damit die dünne Marsatmosphäre über einen längeren Zeitraum hinweg Geschwindigkeit durch Widerstand verlieren kann, doch der Widerstand geht mit Hitze einher. Edelstahl ist zwar schwer, erfordert jedoch deutlich weniger Wärmeabschirmung als Aluminium- oder Kohlefaserverbundwerkstoffe. Schließen Sie noch einmal diese Gewichtsvorteilslücke dieser alternativen Materialien. Tatsächlich hat Musk angegeben, dass die Rückseite des Star-Trichters überhaupt keine Wärmeabschirmung erfordert, und er plant, eine seltsame Technik zu verwenden, um die dem Wind zugewandte Seite des Fahrzeugs zu kühlen. Mit der gleichen Methode kühlt der Mensch durch Schwitzen ab. Musk plant, flüssiges Methan zwischen zwei Stahlblechen auf der der Windrichtung zugewandten Seite der Space X-Rakete zu pumpen, wo es durch kleine Löcher in der Raketenoberfläche Wärme gewinnt, verdampft und verdampft.

Dies ist eine ziemlich seltsame Art, ein Schiff zu kühlen, und ich fragte mich, warum Sie sich nicht einfach für die bewährte Methode der ablativen Kacheln entscheiden würden. Dann erinnerte ich mich, dass dieses Schiff eine Rückfahrt machen muss und der Eintritt in die Marsatmosphäre die Kacheln beschädigen und Wartung erfordern wird. Am Mars befindet sich kein Öl zur Herstellung von neuem Phenolharz oder des für Ablative benötigten Kohlenstoffs. Die Verwendung von Methan als Treibstoff für die neuen Raptor-Motoren, die Space X für den Starhopper verwenden wird, ist also sehr sinnvoll. Dies verringert die Ausrüstung, die die Rakete zum Mars tragen muss, und macht die Rakete erheblich leichter.

Sie können einfach die Ausrüstung verwenden, die sie bereits zum Auftanken benötigt haben, was den doppelten Zweck erfüllt. Sie müssen nur Wasser abbauen und Kohlendioxid aus der Atmosphäre extrahieren und dann etwas Chemie betreiben, um Methan und Sauerstoff zu produzieren. Der Prototyp, den sie im Moment bauen, wird wahrscheinlich nur die Herstellungstechniken testen, die für den Bau erforderlich sind, und die Flugfähigkeiten testen. Dieses Schiff muss nicht platzsparend sein, es muss nur das gleiche Gewicht, den gleichen Schwerpunkt und die gleiche Form haben, damit SpaceX es testen kann.

Das Post-Credit für diesen Blog geht an den YouTube-Kanal von Real Engineering.

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