Jeg gjorde noen back-of-the-envelope beregninger på tyngdekraftssving. Nå er det grunnleggende klart for meg (tror jeg), men denne detaljene unnslipper meg:
Etter løfting utfører vi pitchover manouvre på tidspunktet T + x, og begynner å få nedovergående hastighet. Etter dette tilbakestilles trykkvektorene til å peke langs aksen, og av går vi, uten angrepsvinkel … bortsett fra at angrepsvinkelen ikke er strengt null. Vi trenger å orientere oss langs hastighetsvektoren, men hva er den strenge formuleringen her?
Holder vi den forhåndsbestemte pitchover-vinkelen i noen forhåndsbestemt mengde sekunder, og skyver deretter vektoren til null angrepsvinkel?
Eller holder vi oss i en solid pitchover-vinkel til hastighetsvektoren sammenfaller, og begynner å følge den?
Svar
Dette avhenger av hvor stabil raketten din er. Hvis raketten din er aerodynamisk stabil, noe som betyr at dens trykkpunkt ligger bak massesenteret, vil raketten sannsynligvis bli dreid til hastighetsvektoren (ingen angrepsvinkel) av aerodynamikk alene.
En gravitasjonssving er optimalisert for minst mulig manuell manøvrering. Enhver lanseringsbane foruten en perfekt gravitasjonssving bruker litt energi (thruster drivstoff eller drag fra finner) for å tvinge til å endre rakettens hastighetsvektor ved å legge til angrepsvinkelen. Rett etter lanseringen er det en første liten manøvre til litt vertikal i retning av svingen. Akselerasjonen på grunn av tyngdekraften dreier rakettens hastighetsvektor over tid, og ideelt sett resulterer dette i horisontal holdning ved den tiltenkte baneens perigee. Det er vanligvis noe manøvrering som kreves for å kompensere for vind, turbulens og andre forstyrrelser. De frie variablene som er involvert her er startmanøvreringens endelige holdning, skyvekurver på raketten, aeroegenskaper på raketten osv.
Jeg vet ikke nøyaktig matematikk for å bestemme rotasjonshastigheter for en bestemt gravitasjonssving , men jeg vedder på at det innebærer å få enhetsretningen til den jordsentrerte-inertiale rammens totale akselerasjon av raketten, projisere det på rakettens kropp-yz (kropp-x er fremover) plan, og gjøre et cosinus for en vinkelhastighet.
Hvis raketten er aerodynamisk ustabil, med en CoP foran CoM, eller marginalt stabil, med en CoP veldig nær CoM, kreves aktiv kontroll for å opprettholde tyngdekraftsvending (vanligvis datamaskinstyring). Dette krever mer energi fra thrustere eller finner for å korrigere de spontane forstyrrelsene fra den ustabile aerodynamikken. Mer ustabil betyr mer energi.
Hvis raketten er overstabil, som beskrevet her: https://www.rocketryforum.com/threads/open-rocket-stability-number.122399/ , det kan være enda mer energi som trengs for kurskorrigeringer på grunn av «weathercock» -effekten, tendensen til å bli vind. Tenk på en pil med store finner som plutselig blir truffet i flukt med sidevind, og hvordan det vil påvirke flyveien.
Utdrag fra rakettstabilitetsforumets innlegg:
Jeg tar vanligvis sikte på en stabilitet på 1.0, en stabilitet på 1 er tyngdepunktet (CG) er EN kaliber (kroppsrørdiameter) foran Center of Pressure (CP). Alt mindre enn ett anses å være marginalt stabilt, og alt over 1.0 anses å være for stabilt (iirc). Overstabile raketter vil vanligvis forvitre kuk (slå inn i vinden) i varierende grad, marginalt stabile raketter kan gjøre alt annet enn å fly rett.
Kommentarer
- Er ikke noen faktiske orbitalraketter aerodynamisk ustabile? Mye av denne diskusjonen virker mer anvendelig for modellraketter som ikke utfører gravitasjonssvingninger.
- Takk! Etter litt graving ser det ut til at å oppnå sirkulær bane fra under en atmosfære ikke er en grei operasjon. På den luftløse planeten ville man snu seg slik at vertikal trykk bare avbryter tyngdekraften minus vinkelakselerasjon. Når hastighetsvektoren er tangensiell, er bane sirkulær, og trykk kan kuttes. Gravity turn derimot ser ikke ut til å føre inn i en sirkulær bane av seg selv. Eller jeg ' mangler noe.
- @Elmore Det er vanligvis noe avvik fra en gravitasjonssving på en vanlig jordbane for å gjøre rede for å bruke mindre tid i lav høyde (høy luftmotstand) og diverse ytelse og sikkerhetskrav til kjøretøyer. Behovet for en «gravitasjonssving» kommer fra et behov for å minimere motstand ved å minimere angrepsvinkelen. I en luftløs verden som månen kan man øke oppover i noen sekunder for å rydde terreng i nærheten, og deretter umiddelbart vende seg til den mest effektive holdningen for å øke banehøyde: vannrett.
- @OrganicMarble Jeg vet ikke hvor mange raketter som er aerodynamisk ustabile. Jeg tror ikke det er noen duplikater av «Hvilke banebrytende kjøretøy er aerodynamisk stabile i lanseringskonfigurasjonen?».Du kan legge ut det spørsmålet hvis du vil.
- Jeg ' Jeg er rimelig sikker på at svaret er " ingen ".