題:
Falcon-9的第一階段為什麼不使用三條腿降落?
Star Man
2019-08-19 05:36:21 UTC
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enter image description here您可能會立即想到“因為4條腿比3條腿更穩定”。但是,並非總是如此。 3條腿可提供與4條腿相同或在某些情況下更高的穩定性,因為3條腿可確保它們在同一平面上。 這個問題的答案 為什麼阿波羅登月艙為什麼有四個著陸腳?指出,

三根腳的安全性較低

然而,助推器總是降落在平坦的光滑表面上,即使助推器確實以很大的側向速度降落,也可能會損壞或掉入海洋。同樣具有三條腿,助推器將更輕,更便宜。

問題:那麼,為什麼SpaceX選擇在Falcon 9助推器上使用4條支腿?僅僅是因為它在某些情況下(例如,側身著陸)提供了更高的穩定性,並且出錯的可能性較小,還是僅僅是分配了更多的重量,還是另一個不那麼明顯的原因?

五 答案:
Schwern
2019-08-19 05:56:41 UTC
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我無法說出SpaceX為何做出決定。但是,儘管三隻腳不會擺動,但四隻腳不太可能翻倒。 SpaceX已證明翻車是一個主要問題

數學論壇的彼得森博士解釋了...

有不同的穩定性!保證三腳凳不會擺動,因為它的腿的末端始終形成一個平面。但是,一點點擺動只是一種不便。出於實際目的更重要, [三足式]凳比重腿的凳子穩定,因為它的重心在其底部更深:正多邊形的邊越多,則越大它的 apothem(從中心到邊緣中間的距離) 。更大的距離意味著保姆可以在任何方向上傾斜更遠而不會傾翻。因此,如果您不介意小費,但又不想摔倒在臉上,或者地板平整合理,那麼腿越多越好。

,為簡單起見,想像一下火箭腿所形成的圓的半徑為1。三個著陸墊位於等邊三角形的頂點上。四個頂點位於一個正方形的頂點上。

enter image description here

讓我們全部假設是一個等邊三角形。藍線是阿特姆。綠線是半徑。它們形成一個內角為120/2或60度的三角形。我們可以使用罪孽定律來解決該問題。

$$ \ frac {a} {\ sin 30} = \ frac {1} {\ sin 90} $$ span> $$ a = \ frac {1 * \ sin 30} {\ sin 90} $$ span> $$ a = 0.5 $$ span>

現在有四條腿。

enter image description here

相同的想法,但是現在角度為45度。

$$ \ frac {a} {\ sin 45} = \ frac { 1} {\ sin 90} $$ span> $$ a = \ frac {1 * \ sin 45} {\ sin 90} $$ span> $$ a = 0.707 $$ span>

在5條腿上的波峰係數是0.809。六點是0.866。基本公式為 $ \ sin(90-\ frac {180} {n})$ span>。


但是如果我們只是用了三個更長的腿?重量會比四個短的重量輕嗎?換句話說,我們需要使三足火箭的波峰強度達到0.707。降落墊必須進一步擴展多少?將 a 設置為0.707並求解 r

$$ \ frac {r} {\ sin 90} = \ frac {0.707} {\ sin 30} $$ span> $$ r = \ frac {0.707 * \ sin 90} {\ sin 30} $$ $$ r = 1.414 $$ span>

所有三個著陸墊的散佈比四個要多40%。對於三個腿,距離要比120%大,這是在我們認為腿成一定角度之前,因此需要更長的時間才能使護墊離火箭中心40%的距離。更長的時候,他們需要變得更強壯甚至更重。

更多的腿可以使收益迅速減少。通用公式只是 $ \ frac {a2} {a1} $ span>或 $ \ frac {\ sin angle2} {\ sin angle1} $ span>。

  • 使3條腿匹配4。 $ \ frac {\ sin 45} {\ sin 30} $ span>或1.414。
  • 使4條腿匹配5。 $ \ frac {\ sin 54} {\ sin 45} $ span>或1.144
  • 使5條腿匹配6。 $ \ frac {\ sin 60} {\ sin 54} $ span>或1.070

只需將四條腿的寬度加寬15%即可達到五條腿的穩定性,即總長為60%,這使得使用四根更長,更強的腿比五個短腿更經濟。

這是一個好方法,特別是如果您認為它必須降落在非常小的船上。為了使三條腿具有相同的抗傾翻性,*它們將不得不向遠離火箭的方向延伸*,因此增加了錯過船隻邊緣的機會,更不用說它們必須更長並且//或更強或更重,具體取決於實施細節。
@uhoh好點了。我將計算出要使四隻腳的穩定性相等的三隻腳需要多長時間。
看起來漂亮!
@uhoh已完成。四是魔數。
好答案。我的只是“我在喀爾巴太空計劃中嘗試過,那真是太痛苦了”
很好的答案將問題擴展到了為什麼不走3條腿卻要更長。我想知道為什麼不在您的回答中間5條腿。
WTF? CNN只是公然偷走了SpaceX的整個視頻,並將其上傳到自己的頻道中!我現在編輯了您的答案以鏈接到原始答案。而且我報告了該副本…是垃圾郵件。因為無論出於何種原因,都沒有正確的報告原因。
這個答案很好。感謝您的解釋,圖表和方程式。我只需要發表評論,僅僅讚美還不夠。
這是一個很好的答案,尤其是當您計算出要保持相同穩定性所必須的腿長。謝謝。
@s3raph86-[相關XKCD](https://xkcd.com/1244/)
@T.Nel您現在正坐在辦公椅上嗎?向下看。如果像大多數辦公椅一樣,您會注意到它有5條腿。椅子製造商早就意識到了這一點。只要您在相當平坦的表面上(就像大多數辦公室和著陸墊一樣),更多的支腿就能提供更多的穩定性,而不是更少。我看過一些四腳辦公椅,如果您朝錯誤的方向傾斜,它們肯定更容易傾斜。
為了擴展此範圍,請考慮將每條腿簡單描述為一個簡單的懸臂,然後將光束偏轉$δ= F L ^ 3 /(3 E I)$。 (F =力,L =長度,E =彈性模量,I =彎矩,等於寬度乘以厚度的立方。)如果您使用三個橫截面相同的支腳,則每個軸承的長度是其長度的1.414倍4 / 3倍的負載,它們將偏轉1.885倍。為了確保它們不會進一步偏斜,您需要將腿加厚1.235倍。再加上長度和數量的變化,導致飛行器的腿部重量增加了1.3倍。
@DarrelHoffman注意,對於辦公椅而言,穩定性比重量更重要,五個腿而不是四個腿。對於火箭來說,重量是至高無上的,四腳而不是五腳。
與達勒爾·霍夫曼(Darel Hoffman)的評論一樣,三腳凳作為隱喻的穩定性比實際物體要普遍得多。凳子通常有四個腿。
David Hammen
2019-08-19 07:16:02 UTC
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具有三個固定的,固定長度的,相對於凳子的座位具有固定方向的支腿的凳子優於具有三個以上固定的,固定長度的,固定方位的腿的椅子而且只有一個方面。而且這與著陸腿完全無關。

任何著陸航天器上的著陸腿都不可避免地違反了至少三個必要條件之一(剛性,固定長度,固定方向)。當獵鷹第一階段著陸時,由於這些功能,所有的腿都會在表面上。雖然三腳著陸器在穩定性方面的購買很少,但三腳著陸器在傾翻性方面卻損失了很多。

另一個因素是,獵鷹有9台發動機,其中一台在中心,另外八台在它以八角形或正方形排列。推進器的底部反映了這種四角形/八角形對稱性。底部連接點靠近發動機,並且必須適合發動機佈局的限制。有四個著陸腳遵循這種對稱性。只有三個不會。

“另一個因素是,獵鷹有9台發動機……”只​​是一瞬間,我以為您正在考慮基於*風水*的論點,但我應該知道得更多。
@uhoh另一個風水問題可能是:如果F9的六邊形配置有7台發動機,並且由於結構原因三腳架。它還會有4個柵格鰭嗎?
@qqjkztd等待,它是否也掉入了森林?
Antzi
2019-08-19 17:53:22 UTC
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三隻腳的主要優點是在不平坦的土壤上:它們總是始終與地面接觸,而四隻腳可能懸在空中。

SpaceX無需擔心,因為它們可以降落在平坦的發射台或駁船上。

這裡的4條腿通過增加傾翻公差來增加穩定性(如其他答案所示)

Kuldeep Singh Dhaka
2019-08-20 19:48:38 UTC
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在4腳設計中,單個腳的負載小於3腳設計。 (負載分配優化)。因此,四腿設計的總重量小於三腿設計(應力處理與材料密度優化)。

Joe Pfeiffer
2019-08-21 23:14:06 UTC
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我想在Falcon Heavy的兩個側面核心周圍設計三個支腿也要困難得多,因為(假設間距相等)兩條支腿會更靠近核心。

不是真正的原因(FH在F9之後),但這沒有錯。


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