چرا مسیر لانچر راکت فضایی منحنی هست

مدیران انجمن: javad123javad, parse

ارسال پست
نمایه کاربر
rohamjpl

نام: Roham Hesami

محل اقامت: City of Leicester Area of Leicestershire LE7

عضویت : سه‌شنبه ۱۳۹۹/۸/۲۰ - ۰۸:۳۴


پست: 1114

سپاس: 1408

جنسیت:

تماس:

چرا مسیر لانچر راکت فضایی منحنی هست

پست توسط rohamjpl »

این تکنیک دو مزیت اصلی را ارائه می دهد: اول اینکه به موشک اجازه می دهد در مراحل اولیه صعود خود زاویه حمله بسیار کم یا حتی صفر را حفظ کند، به این معنی که موشک استرس آیرودینامیکی کمتری را تجربه می کند. مزیت دیگر این است که به موشک اجازه می دهد از جاذبه زمین برای تغییر جهت خود به جای سوخت خود استفاده کند. سوختی را که موشک در نتیجه صرفه جویی می کند می تواند برای شتاب افقی به منظور دستیابی به سرعت بالا و ورود آسانتر به مدار استفاده شود.
به طور خلاصه، یک موشک اگر بخواهد وارد مدار زمین شود، باید مسیر خود را پس از پرتاب منحنی کند. اگر این کار را نمی‌کرد و مستقیماً به سمت بالا ادامه می‌داد، در نهایت به نقطه‌ای می‌رسید که سوختش تمام می‌شد و به احتمال زیاد، مانند یک سنگ به زمین بازمی‌گشت.
بعد از پرتاب و صعود مسافتی به سمت بالا موشک رو کج می‌کنن تا علاوه بر کسب سرعت توی راستای عمودی، توی راستای افقی هم سرعت کسب کنه. بنابراین اگه بعد از کج کردن موشک و کسب سرعت افقی، موتورهای موشک خاموش بشن، موشک یه مسیر سهمی شکل رو طی می‌کنه و مجدّداً به زمین بر می‌گرده. به این نوع پرواز می‌گن پرواز زیر-مداری
امّا گاهی هم نیاز هست موشک به مداری بالاتر بره. این کار شامل دو مرحله هست: اوّل توی راستای حرکت خودش موتورش رو روشن می‌کنه (نقطه‌ی 1) تا مدارش از فرم دایره‌ی خارج بشه و به فرم بیضی در بیاد (رنگ قرمز)؛ چیزی که توی قسمت اوّل هم بهش اشاره شد. نقطه‌ای که اقدام به این کار کرده تبدیل می‌شه به حضیض و نقطه‌ی مقابلش هم اوج. این کار رو تا جایی ادامه می‌ده که اوج اون بیضی برسه به ارتفاعی که قصد داره توی اون باشه. بعد از اون، موتورها رو خاموش می‌کنه و منتظر مرحله‌ی دوّم باقی می‌مونه. مرحله‌ی دوّم زمانی آغاز می‌شه که موشک به نقطه‌ی اوج اون بیضی برسه (نقطه‌ی 2). اون‌جا مجدّداً موتورها رو توی راستای حرکت روشن می‌کنه تا ارتفاع نقطه‌ی حضیض رو افزایش بده و بیضی رو تبدیل به دایره کنه (رنگ مشکی). حالا دقیقاً توی مدار مورد نظر قرار گرفته.
برای رفتن به مدارهای پایین‌تر هم دقیقاً عکس همین کار رو انجام می‌ده. اوّل موتورها رو خلاف جهت حرکت روشن می‌کنه تا سرعتش کم‌تر بشه (دقیقاً داره ترمز می‌کنه یا به بیان دیگه، خلاف جهت حرکت گاز می‌ده!) و مدارش از دایره به بیضی تبدیل بشه و این کار رو تا جایی ادامه می‌ده که نقطه‌ی حضیض بیضی که اون سمت مدار هم قرار داره، برسه به مدار مورد نظر. بعد موتورها رو خاموش می‌کنه، صبر می‌کنه تا به حضیض برسه و باز موتورها رو خلاف جهت حرکت روشن می‌کنه تا ارتفاع نقطه‌ی اوج رو هم کاهش بده و مجدّداً بیضی رو به دایره تبدیل کنه.تصویر
هر چیزی (نه تنها شاتل های فضایی) که به مدار زمین می رود باید مسیر خود را در مسیر صعود منحنی کند. اگر وسیله نقلیه مستقیماً به سمت بالا می رفت و به سرعت فرار نمی رسید، پس از تمام شدن سوخت به زمین برمی گشت.تصویر
هدف اصلی موتور موشک تنها رساندن محموله به بالای جو نیست، بلکه مهمتر از آن شتاب دادن آن در جهت افقی تا سرعت مداری (7.5 کیلومتر بر ثانیه برای ارتفاعات مداری شاتل و ایستگاه فضایی بین‌المللی) است. به همین دلیل است که همه موشک ها / شاتل ها مسیر خود را به تدریج به سمت افقی منحنی می کنند و سپس سوخت زیادی را در جهت افقی می سوزانند. اگر محموله به سرعت افقی کافی نمی رسید، دوباره به زمین سقوط می کرد.سوال اصلی که می بینم این است که آیا شاتل می خواهد به یک زاویه غیر عمودی بپیچد؟ البته منظور من از "شاتل" مهندسانی است که آن را طراحی می کنند. و منظور من از مهندسان، واقعیت ریاضی است. به طور خلاصه، اگر مسیر شما تا حدودی کج شود، آیا سوخت کمتری می سوزانید؟ ما فکر می کنیم که پاسخ "بله" است، اما توجیه آن آسان نیست. همچنین مشخص نیست که انگیزه چیست. اگر جو وجود نداشت، ما ترجیح می‌دهیم در واقع به صورت افقی پرتاب کنیم.
یکی از راه‌های پاسخ به این سوال، استفاده از روش‌های عددی برای تبدیل مشکل به یک راه‌حل است. یک تابع "امتیاز" با شاخص شایستگی ایجاد کنید، و سپس مسیر را تغییر دهید تا بهترین ارزش را بدست آورید. از نظر عددی، احتمالاً می‌توانید این کار را با حدس زدن برخی از مسیرهای اولیه و سپس استفاده از ژاکوبین و هسین محاسبه‌شده برای نزدیک‌ترین نقطه بحرانی، جایی که رقم شایستگی (امیدوارم) در حداقل محلی است، انجام دهید.
بنابراین برای شبیه سازی، در اینجا برخی از مواردی که در نظر گرفته ام وجود دارد:
نیروی رانش موتورها به 3g می رسد و این ثابت است
گرانش زمین آن را به سمت پایین می کشد
کشش اتمسفر از معادله درگ پیروی می کند و من از پارامترهای جرم و قطر Falcon9 استفاده کردم
بردار حالت زوایایی را نشان می دهد که رانش در آن اعمال می شود، نسبت به عمودی
یک روش ساده rk4 برای ادغام این مدل با توجه به کنترل خاصی استفاده می شود
در پایان شبیه سازی، یک عدد از تابع شایستگی امتیاز خود را محاسبه می کند. اینها خودسرانه انتخاب می شوند تا به نتیجه ای که می خواهیم برسیم.
ایده این است که یک برنامه بهینه ساز بهترین ترکیب از این سه را با کمترین قیمت برای شما پیدا کند. این چیزی است که من از نظر زاویه اعمال رانش به دست آوردم. این نسبت به عمودی است، به این معنا که 0 درجه اعمال نیروی رانش مستقیم به بالا است. توجه داشته باشید که رانش و سرعت همیشه در یک جهت نیستند. این نشان دهنده "بهترین" روش برای زاویه دادن به موشک برای دستیابی به بهترین عملکرد است.
زوایای رانش
این نوع روش اغلب با آن مشکل دارد. بسیاری از رفتار "هری" در آنجا احتمالاً به دلیل خطاهای مدل به عنوان مشکلات در محاسبات مشتق و سایر انواع مصنوعات است. شبیه سازی بیش از 500 بازه اجرا می شود ... و 17 متغیر مستقل وجود دارد که مشتق دوم سیستم را برای آنها تعیین می کند. از آنجایی که از نظر تعریف نزدیک به نقطه بحرانی است، رقم شایستگی به این متغیرها بسیار حساس است و می تواند مشکلاتی را ایجاد کند.
با این وجود، آنچه را که من می‌خواستم نشان می‌دهد - مسیر بهینه به وضوح یک مسیر غیرعمودی نزدیک سطح را دنبال می‌کند. FYI، زاویه اولیه در اینجا حدود 27 درجه نسبت به عمودی است. من انتظار دارم که سناریوهای دنیای واقعی از اعدادی استفاده کنند که تا حدودی نزدیک به این هستند.
از نظر ریاضی، این یک توجیه نسبتاً دقیق برای زاویه ای است که موشک ها پس از دور شدن از سکو پرواز می کنند. در واقع، شیب دادن خود سکوی پرتاب بهینه تر است. از نظر لجستیکی، این ایده واقعا بد به نظر می رسد. بنابراین مهندسان با چرخش به زاویه بهینه پس از پاکسازی سکوی پرتاب سازش می کنند.
موشک ها با بالا رفتن مستقیم شروع می شوند، اما به تدریج شروع به انحنا به سمت یک نگرش افقی می کنند. این "چرخش گرانشی" نامیده می شود. بیشتر انرژی صرف شده توسط موشک برای به دست آوردن سرعت به سمت شرق استفاده می شود: باید حدود 18000 مایل در ساعت (27000 کیلومتر در ساعت) در حدود 200 مایل بالاتر از سطح حرکت کند.پاسخ: اگر یک موشک مستقیماً به سمت بالا پرواز می کرد، پس از تمام شدن سوخت، دوباره به زمین سقوط می کرد! راکت ها باید در حین حرکت به سمت آسمان برای رسیدن به مدار یا یک مسیر دایره ای حرکت به دور زمین به سمتی کج شوند.راکت ها باید در حین حرکت به سمت آسمان برای رسیدن به مدار یا یک مسیر حرکت دایره ای در اطراف زمین، به طرفین کج شوند. این تکنیک هدایت به عنوان چرخش گرانشی شناخته می شود که از گرانش زمین برای کمک به حفظ سوخت موشک و به حداقل رساندن استرس و فشار وارد بر فضاپیما استفاده می کند.
چرا پرتاب به شرق منجر به شیب مداری برابر با عرض جغرافیایی سایت پرتاب می شود؟مرکز زمین، برای هر تقریب منطقی، در یکی از نقاط کانونی یک مدار بیضی شکل است. برای یک مدار دایره ای، تنها یک نقطه کانونی وجود دارد، بنابراین مرکز زمین در مرکز مدار قرار دارد.
نابراین، صفحه مدار هم مرکز زمین و هم محل پرتاب را قطع می کند.
اگر محل پرتاب در خط استوا بود، تصور این که اگر دقیقاً به مقصد شرق، یعنی مماس بر مدار هدف، پرتاب می کنید، دشوار نیست، صفحه مداری با صفحه استوایی منطبق است، بنابراین میل مداری شما با عرض جغرافیایی محل پرتاب شما برابر است. : 0 درجه اما با دور شدن مکان پرتاب شما از معادله، صفحه مداری شما با همان مقدار عرض جغرافیایی شروع به کج شدن می کند، زیرا باید تقاطع را حفظ کنید:
شماتیک شیب مداریتصویر
شیب مداری شیب مدار یک جسم به دور یک جرم آسمانی را اندازه گیری می کند. به عنوان زاویه بین صفحه مرجع و صفحه مداری یا محور جهت جسم در حال گردش بیان می شود.
برای ماهواره‌ای که مستقیماً بالای استوا به دور زمین می‌چرخد، صفحه مدار ماهواره با صفحه استوای زمین یکسان است و شیب مداری ماهواره 0 درجه است. حالت کلی برای مدار دایره ای این است که این مدار کج است و نیمی از مدار را بر روی نیمکره شمالی و نیمی را بر روی نیمکره جنوبی می گذراند. اگر مدار بین 20 درجه عرض شمالی و 20 درجه عرض جغرافیایی جنوبی نوسان داشته باشد، آنگاه میل مداری آن 20 درجه خواهد بود.شیب یکی از شش عنصر مداری است که شکل و جهت یک مدار آسمانی را توصیف می کند. این زاویه بین صفحه مداری و صفحه مرجع است که معمولاً بر حسب درجه بیان می شود. برای ماهواره ای که به دور یک سیاره می چرخد، صفحه مرجع معمولاً صفحه ای است که استوای سیاره را در بر می گیرد. برای سیارات منظومه شمسی، صفحه مرجع معمولاً دایره البروج است، صفحه ای که در آن زمین به دور خورشید می چرخد. این هواپیمای مرجع برای ناظران زمینی بسیار کاربردی است. بنابراین، شیب زمین، طبق تعریف، صفر است.ما مشکل داریم. در مقایسه با فاصله بین سیارات و زمان محدودی که می خواهیم برای سفر استفاده کنیم، موشک های ما واقعاً ضعیف و ضعیف هستند. برای وارد شدن به مدار زمین، انرژی زیادی لازم است. سپس انرژی زیادی لازم است تا از مدار زمین خارج شود و به دور خورشید بچرخد. و سپس انرژی بسیار بیشتری برای بلند کردن (یا رها کردن) مدار ما برای مطابقت با سیاره دیگر نیاز است. سپس ما باید انرژی بیشتری را برای قرار گرفتن در مدار سیاره مورد نظر مصرف کنیم، و همچنان بیشتر برای فرود آمدن.
پس باید راهی برویم که کمترین انرژی را می گیرد. و آن این است که از موتورهای موشکی خود برای شتاب دادن به وسیله نقلیه برای قرار گرفتن در مداری بیضوی استفاده کنیم، مداری که از موقعیت فعلی ما می گذرد و وقتی به آنجا می رسیم سیاره در کجا قرار خواهد گرفت. گاهی اوقات به این نوع مدار، مدار انتقال می گویند. بعد از اینکه از موتورهای خود برای ورود به مدار انتقال استفاده کردیم، می‌توانیم آنها را خاموش کنیم و تا زمانی که به سیاره مورد نظر نزدیک شویم، در کنار آن حرکت کنیم. سپس دوباره از موتورها برای قرار گرفتن در مدار سیاره و بعداً برای فرود استفاده خواهیم کرد.
بنابراین برای پاسخ به سوال شما
ما در حال حاضر نمی توانیم در خط مستقیمی که شما ترسیم می کنید برویم، زیرا موتورهای موشکی نداریم که به اندازه کافی قدرتمند باشند. اما همچنین، مسیر مستقیم بیهوده خواهد بود. و در نهایت، حتی با وجود موتورهایی که می توانند در تمام مسیر آتش بزنند، سریع ترین مسیر در واقع یک خط تنگه نخواهد بود. اما این توضیح واقعا طولانی خواهد بود!I hope I help you understand the question. Roham Hesami smile072 smile261 smile260 رهام حسامی ترم پنجم مهندسی هوافضا
تصویر

ارسال پست