Dlaczego Falcon 9 nie lubi wiatru?

Dziś kilka słów wyjaśnienia dlaczego Falcon 9 nie lubi wiatru. 

Zacznijmy od typowego profilu siły wiatru na Cape Canaveral – obrazek po lewej pokazuje typową maksymalną prędkość wiatru w zależności od wysokości. W dowolnym momencie roku istnieje tylko 5% szans na to żeby wiatr na dowolnej wysokości był większy niż zdefiniowany na rysunku. Nie oznacza to że rakieta jest tak zaprojektowana by dać sobie radę z taką siłą wiatru – granice możliwości rakiety mogą być znacznie niższe, ale oznacza to że budując rakietę należy wziąć pod uwagę siłę wiatru na różnych wysokościach. 

Drugim problemem jest nie tyle siła wiatru co jego zmienność. Stały wiatr jest sporym problemem, jednak jego porywy są znacznie gorsze. Nazywa się to „uskok wiatru” („wind shear”) i jest znacznie większym problemem dla rakiety niż sama siła wiatru. 
Wymieńmy problemy jakie może spowodować wiatr:

  • w momencie startu silny wiatr wiejący z dużą siłą może popchnąć rakietę na wyrzutnię (wieżę, lub w przypadku SpaceX T/E). Czytelnikom proponuję zrobić prosty eksperyment – weźcie dłuższy patyk i spróbujcie ko utrzymać na palcu pionowo przy dużym wietrze – już przy niewielkich siłach wiatru musicie się sporo na balansować żeby go utrzymać. Teraz wyobraźcie sobie że nie macie miejsca na ruszanie palcem bo zaraz obok jest wieża… Dlatego właśnie nie tylko siła wiatru ale także jego kierunek są ważne w czasie startu rakiety.
  • stały wiatr powoduje że rakieta musi lecieć pod kątem do jego kierunku by utrzymać właściwą trajektorię. Powoduje to większe zużycie paliwa oraz większe naprężenia. Szczególnie w przypadku Falcona 9, który jest bardzo długi i chudy – siła wiatru działa na całą rakietę (a w szczególności na znacznie większą osłonę ładunku) a siła przeciwdziałająca mu jest umiejscowiona u samego dołu. Powoduje to że na rakietę działa moment łamiący i przy pewnej sile wiatru może on przekroczyć możliwości rakiety i po prostu ją złamać.  
  • jednak najgorszym problemem są podmuchy wiatru – gwałtownie zmieniająca się siła wiatru powoduje naprężenia dynamiczne które mogą osiągnąć znacznie większe wartości niż wynikało by to z samej siły wiatru – rakieta wpada w rezonans i zaczyna się wyginać jak cienki patyk na wszystkie strony. Silniki próbują nieustannie korygować tor lotu przez zmiany kierunku ciągu – może dojść do rezonansu i utraty kontroli nad rakietą. 
  • w locie rakiety występują dwa krytyczne momenty – przekroczenie prędkości dźwięku oraz moment maksymalnego obciążenia siłami aerodynamicznymi. W pierwszym z tych momentów następuje gwałtowna zmiana siły nośnej produkowanej przez osłonę ładunku – przy zerowym wietrze wektor tej zmiany jest wzdłuż osi rakiety i nic się nie dzieje, ale przy silnym wietrze wektor ten może być znacząco odchylony od osi rakiety – w momencie przejścia przez barierę dźwięku siła działająca na ładunek zmienia gwałtownie swój kierunek. To tak jakby ktoś stuknął koniuszek waszego patyczka – utrzymanie go w stabilności jest trudne + może się on złamać. W przypadku max Q siły aerodynamiczne są największe dla jakich została zaprojektowana rakieta – dodatkowe siły zginające wynikające z wiatru mogą przekroczyć granice wytrzymałości rakiety.
Przez najbliższe kilka dni mamy dość ciekawy fenomen – polarny prąd strumieniowy zawinął się tak nisko że akurat jego brzeg przechodzi nad naszymi okolicami. Jednocześnie subtropikalny prąd strumieniowy zawinął się do góry i także przechodzi nad naszymi okolicami. Zderzenie tych dwóch powoduje olbrzymie turbulencje na wysokości kilkunastu kilometrów. Dokładnie na tej wysokości na której Falcon 9 doznaje max Q. Dlatego jakiekolwiek próby startu w ciągu najbliższych kilku dni nie mają szans. Piątek też nie wygląda zbyt dobrze, ale wydaje się że wiatr ma szanse na tyle zmaleć by start był możliwy:
Edycja – porównajcie ten obrazek na górze z tym co Elon wczoraj zatweetował – nie wygląda na to żeby ten „straszny” wiatr był mocniejszy od tego co można na Cape Canaveral oczekiwać. A z tego by wynikało że Falcon 9 jest szczególnie wrażliwy na siłę wiatru.

Edycja 2 – prognoza pogody przewiduje 90% szans na pogodę pozwalającą na start w piątek.
admin Opublikowane przez: