Max q - Max q
Condiția max q este punctul în care zborul atmosferic al unui vehicul aerospațial atinge presiunea dinamică maximă . Acesta este un factor semnificativ în proiectarea unor astfel de vehicule, deoarece sarcina aerodinamică structurală asupra acestora este proporțională cu presiunea dinamică. Acest lucru poate impune limite asupra anvelopei de zbor a vehiculului .
Presiune dinamică
Presiunea dinamică, q , este definită matematic ca
unde ρ este densitatea aerului local și v este viteza vehiculului ; presiunea dinamică poate fi considerată densitatea energiei cinetice a aerului în raport cu vehiculul. Această cantitate apare în special în ecuația de tragere .
Pentru o mașină care circulă la 90 km / h (25 m / s) la nivelul mării (unde densitatea aerului este de aproximativ 1,225 kg / m ^ 3), presiunea dinamică pe partea din față a mașinii este de 383 Pa, aproximativ 0,38% din presiunea statică (101325 Pa la nivelul mării).
Pentru un avion de linie care navighează la 828 km / h (230 m / s) la o altitudine de 10 km (unde densitatea aerului este de aproximativ 0,4135 kg / m ^ 3), presiunea dinamică pe partea din față a avionului este de 10937 Pa, aproximativ 41% din presiunea statică (26.500 Pa la 10 km).
Max q la lansarea unei rachete
Pentru lansarea unei rachete de la sol în spațiu, presiunea dinamică este:
- zero la decolare, când densitatea aerului ρ este mare, dar viteza vehiculului v = 0
- zero în afara atmosferei, unde viteza v este mare, dar densitatea aerului ρ = 0
- întotdeauna non-negative, date fiind cantitățile implicate
În timpul lansării, viteza rachetei crește, dar densitatea aerului scade odată cu creșterea rachetei. Prin urmare, (prin teorema lui Rolle ) există un punct în care presiunea dinamică este maximă.
Cu alte cuvinte, înainte de a atinge max q, creșterea presiunii dinamice datorită vitezei crescătoare este mai mare decât scăderea presiunii dinamice datorită scăderii densității aerului, astfel încât presiunea dinamică netă (energia cinetică opusă) care acționează asupra ambarcațiunii continuă să crească. După ce a trecut max q, opusul este adevărat. Presiunea dinamică netă care acționează împotriva ambarcațiunii scade mai repede pe măsură ce densitatea aerului scade odată cu altitudinea decât crește de la creșterea vitezei, ajungând în cele din urmă la 0 când densitatea aerului devine zero.
Această valoare este semnificativă, deoarece este una dintre constrângerile care determină sarcina structurală pe care trebuie să o poarte racheta. Pentru multe rachete, dacă ar fi lansate la maxim, forțele aerodinamice ar fi mai mari decât ceea ce pot rezista. Din acest motiv, acestea sunt adesea strânse în jos înainte de a se apropia de max q și se întorc înapoi după aceea, astfel încât să reducă viteza și, prin urmare, presiunea dinamică maximă întâlnită de-a lungul zborului.
Exemple de lansare de rachete
În timpul unei lansări normale a navetei spațiale , de exemplu, valoarea max q de 0,32 atmosfere a avut loc la o altitudine de aproximativ 11 km (36.000 ft) la aproximativ un minut după lansare. Cele trei motoare principale ale navetei spațiale au fost restrânse la 65-72% din forța nominală (în funcție de sarcina utilă) pe măsură ce presiunea dinamică se apropia de max q; combinat cu designul cerealelor de propulsor al rapperelor solide , care au redus forța la max q cu o treime după 50 de secunde de arsură, tensiunile totale pe vehicul au fost menținute la un nivel sigur.
În timpul unei misiuni tipice Apollo , max q (de asemenea, puțin peste 0,3 atmosfere) a avut loc între 13 și 14 kilometri (43.000-46.000 ft) de altitudine; aproximativ aceleași valori apar pentru SpaceX Falcon 9 .
Punctul max q este o etapă cheie în timpul lansării unei rachete, deoarece este punctul în care celula este supusă unei solicitări mecanice maxime.