לווינים המקיפים את כדור הארץ שומרים על איזון עדין בין המשיכה הכבידה של כדור הארץ לבין המהירות קדימה שלהם.השלווה הזו שומרת אותם בדרך יציבה, אבל זה לא סטטי.לוויינים צריכים לעתים קרובות להתאים את מסלולם להשגת מטרות משימה, לפצות על הפרעות, או לסיים את חייהם בבטחה.היישום של דחף - הכוח שנוצר על ידי מערכת הנעה - הוא האמצעי העיקרי של שינוי מהירות לוויין וכיוון של תכנון לטווח ארוך, הוא השפעה על מסלול חיוני של חלל.

יסודות של מכניקה אורביטאל

לפני שחקר את ההשפעות של דחף, לזכור את העקרונות הבסיסיים השולטים בתנועה לוויינית. מסלול מעוקל שבו הכוח הצנטריפטאלי נדרש לשמור על הלוויין נע במעגל מסופק על ידי הכבידה.על פי חוק הכבידה של ניוטון של ניוטון, הכוח הכבידה בין כדור הארץ ללוויינים תלוי ההמונים שלהם ואת המרחק ביניהם.עבור לוויין להישאר במסלול, מהירותו השחית חייבת להיות כמו כוח מעגלי בדיוק.

במציאות, מסלולים הם לעתים רחוקות מעגלים מושלמים.חוקי קפלר מתארים מסלולים אלפטיים עם כדור הארץ להתמקד אחד.צורה וגודל של מסלול מאופיינים על ידי פרמטרים כגון ציר חצי-גדול, אקסצנטריות, נטייה וטיעון של perigee. כל שינוי פרמטרים אלה דורש שינוי מהירות הלוויין - כלומר, דל-v (vus) הוא המנוע הזה.

האנרגיה הכוללת של לוויין במסלול (אנרגיה מקיפים ספציפית) היא קבועה בהיעדר כוחות חיצוניים. Thrust הוא כוח חיצוני שמוסיפה או מסירת אנרגיה, ובכך משנה את המסלול.הכיוון והגודל של דחף לקבוע אם הלוויין מעלה את הגובה שלו, משנה את המטוס המקיפים שלו, או משנה את אקסצנטריות שלו.

תפקיד Thrust בשינוי Orbits

Thrust פועל ככוח מטריד שניתן ליישם בכיוונים שונים ביחס לViקטור המהירות של הלוויין.התמרונים הנפוצים ביותר כרוכים בדחף לאורך הווקטור המהיר (התכנת) או ההפך ממנו (retrograd) ל- Thrusting perpendicular (חיצוני או רגיל) משנה את המטוס המקיפים או אקסצנטריות.

שינויים

החלת דחף בכיוון הקדם מעלה את מהירות הלוויין ובכך את האנרגיה המקיפה שלו, מה שגורם לו לנוע לגבהים גבוהים יותר.בדרך אגב, דחף רטרודרגתי יורד במהירות ובאנרגיה, מוריד את המסלול.התמרונים האלה הם הבסיס של העברת הוהמן, שיטה יעילה שתי-סרב לנוע בין מסלולים מעגליים.

שינויים בביטחונה הם גם קריטיים עבור deorbiting.בסופו של חיי לוויין, כוויות רטרודרגתיות מאטות את זה מספיק כי גרר אטמוספירי בסופו של דבר גורם לחזרה.עבור לווינים במסלולים נמוכים מאוד, אפילו התאמות דחף קטנות יכולות לקצר באופן משמעותי את זמני הדעיכה.

אורביט Shape ו- Eccentricity

מסלולו של לוויין יכול להיות מעגלי או אלפטי.שינוי האקסצנטריות דורש דחף מוחל בנקודות ספציפיות.לדוגמה, שריפה פרו-דרגית ב perigee מעלה את האקספרסיומית, הגדלת אקסצנטריות. נשרף רטרודרגתי ב-Apogee מוריד את ה- Perigee, גם מגבירה את ה- eccentricity.כדי לעגל מסלול אלקטי, מוחל ב-Apogee (re) או בקיצור, כלומר, כדי להתאים את התקפים מדעיים אחרים (resis) לכדי התאמה).

שינויים ב-Ubital Inclination

שינוי הנטייה - הטיה של המטוס המקיפים יחסית למשווה - הוא אחד התרגילים היקרים ביותר דלה-v. Thrust חייב להיות מיושם perpendicular אל המטוס המקיפים, בדרך כלל עלה או יורד Node. מטוס שינוי של רק כמה מעלות יכול לדרוש מאות מטרים לשנייה של דלק, מה שהופך אותו לעלויות דלק משמעותיות.

תחנת-Keeping and Drag Compensation

לווינים רבים, במיוחד אלה במסלול גיאוסטציונרי (GEO), חייבים לשמור על עמדה קבועה יחסית לכדור הארץ.ללא דחף, זעזועים כבידה מהירח והשמש, כמו גם את הלכידות של כדור הארץ, יגרום ללוויינים לנסחף.לעצור את תמרונים של תחנת-התחנה, שימוש בדחפים קטנים, תקופתיים כדי לנטר את כוחות אלה באופן דומה, לוויינים בחוויה אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט

סוגים של מערכות מניעה ואפקטים אורביטליים שלהם

טכנולוגיות דחף שונות מספקות רמות שונות של דחף, דחף ספציפי (Isp), והתאמה למשימה.הבחירה של מערכת ההנעה משפיעה ישירות על האופן שבו לוויין יכול לבצע תמרונים מסלוליים.

  • (FLT:0Chemical PusherFLT:1) - אלה כוללים מונופרופורקט (למשל, hydrazine) ומנועי דו-פרו-מנטליים.הם מספקים דחף גבוה (עשרות עד מאות ניוטון) למשך זמן קצר, מה שהופך אותם אידיאליים עבור גדול דלאט-v תמרונים כגון צירים, כוויות אפורגיות, ו debiting במהירות 200 שניות (IF) ל-450 שניות נוספות ל-Ferferfern).
  • (FLT:0) מניעים חשמליים (Electric PusherFLT:1) - הנעה חשמלית, כגון משחתות של הול-אפקט ודחפורים יון, משתמשת בכוח חשמלי כדי להאיץ את הדחף (בדרך כלל xenon) למהירויות גבוהות של מפוישות. Thrust הוא נמוך (מילוני מים למספר לוויינים חדשים) אבל יעיל מאוד, עם Isp החל מ-1,500 שניות אלה הם לא דחפים מגנטיים לטווח ארוך, שבו הם מעל פני שטח מודרני, כאשר הם נמצאים בטווח הארוך, זמן רב יותר, 000, 000, לא ניתן להפעיל לוויינים מודרניים, 000, 000, 000, כאשר הם מעל פני זמן רב, 000 זמן רב, 000 זמן רב, 000 זמן רב, 000, 000, 000, 000 זמן רב, 000 זמן רב, 000, 000 זמן רב, 000 זמן רב, 000 זמן רב, 000 זמן רב, 000 זמן רב, 000 זמן רב, 000 זמן רב, 000 זמן רב, 000 זמן רב, 000 זמן רב, 000.
  • (FLT:0) דחפורים של יון (FLT:1) - תת-קבוצה של הנעה חשמלית, משחתי יון מייצרים אפילו גבוה יותר על ידי צבירה אלקטרוסטטית של תחזיות.משימה השחר של נאס"א השתמשה בדחפורים של יון לנסוע לאוסטה וסרס, המדגים את יכולתם לנסוע בין כוכבי לכת.
  • (FLT:0)Hall- Effect דחףersFLT:1 - בדומה לדחפורים של יון אבל עם מנגנון האצה שונה, הדחפורים מייצרים צפיפות גבוהה יותר ומשמשים נרחבים בלוויינים מסחריים.חברות כמו SpaceX משתמשות בדחפורים של הול-אפקט על לווייני סטארלינק לתחנות המקיפים ותחזוקת תחנה.
  • (FLT:0) דחפורים גזים קרים (FLT:1) - מערכות גז פשוטות ואמינה, קרות לגרש גז מחוסן (למשל חנקן) לייצר דחף קטן.הם משמשים לשליטה בגישה ותיקוןים מקיפים קטנים, אך יש להם יכולת נמוכה ומוגבלת של דלה-v.
  • (FLT:0) Resistojets ו- arcjetssveFLT:1) - אלה אלקטרו-thermal דחף חום דחף נמרצות חשמלית לפני הגירוש, המציעה Isp בין גז קר לבין דחף כימי.

בחירת מערכת ההנעה תלויה בדרישות המשימה: תמרונים מהירים דורשים דחף כימי, בעוד יעילות וחיים ארוכים לטובת הנעה חשמלית.חלק מהחללית משלבת הן - דחף כימי עבור כוויות גדולות ודחפורים חשמליים להתאמות קנס.

המונחים: Orbital Maneuversing Thrust

Thrust מאפשר מגוון רחב של פעולות קריטיות למשימות לוויין. להלן הן כמה דוגמאות נפוצות.

המונחים:

לאחר השיגור, לוויין בדרך כלל משוחרר למסלול חניה או מסלול העברה.זה חייב לבצע שריפה כדי להתחנף בגובהו הסופי.עבור לווייני גאוסטציה, התהליך לעתים קרובות כרוך כוויות מרובות: כוויות perigee לשרוף כדי להעלות את apogee לגובה GEO, ואחריו כוויות אפוגי כדי להעלות את perigee ולהקטין את הנטייה.

המונחים: p Hasing

קבוצות לווייני גדולות כמו Iridium ו Starlink דורשות ספיגה מדויקת בין לווינים באותו מטוס מסלול. Thrust משמש כדי להתאים את האנמליה האמיתית (הצבת לאורך המסלול) של כל לוויין. , עוקץ קטן או שריפת רטרודרג מתקדם או מעכב את הלוויין ביחס לאחרים, השגת הphasing הרצוי.

הימנעות מהתערבות

עם הגדלת פסולת החלל, לוויינים חייבים לעתים לבצע תמרונים למניעת התנגשות (CAMs) אלה הם בדרך כלל קטנים אך כוויות זמן כי להעלות או להוריד את המסלול מעט כדי להימנע מצירוף צפוי.לדוגמה, ה-FLT:0 European Space AgencyibFLT:1 מפעילה מערכת ניטור פסולת אשר מזהירה את מפעילי ההתנגשויות הפוטנציאליות.

מחיקה וסוף החיים

כדי להפחית את פסולת החלל, לוויינים חייבים להיות מוזנים בסוף חייהם.עבור לווייני LEO, כוויות רטרודרג סופיות מורידות את ה- perigee לתוך האווירה, להבטיח כניסה בתוך 25 שנים (כפי מומלץ על ידי הנחיות בינלאומיות) עבור לווייני GEO, כוויות שורפות מעלה את מסלול החניכה אל מסלול חצר קבר כמה מאות קילומטרים מעל GEO, שבו הם לא יפריעו לחללית פעילה.

מגבלות ודלק

כל תמרון דחף צורך דחף, וכמות הדחף של לוויין יכול לשאת מוגבלת על ידי שיגור מסה ועלויות. משוואה הרקטות (משוואות טולקובסקי) מראה כי דלה-v achievable הוא פרופורציה לדחף הספציפי וללוג הטבעי של יחס המסה (מסה המונית על מסה יבשה).זה אומר שכדי להשיג שבריר גדולה של דלה-v, לוויין חייב לשאת שבריר משמעותית של שימוש מסיבי או מערכת הנעה גבוה.

עבור לווינים קטנים כמו CubeSats, תקציב הדחף הוא מאוד הדוק.הם לעתים קרובות להסתמך על מערכות הנעה קומפקטיות כגון גז קר או צריפים חשמליים קטנים.לוויינים גדולים יותר יש גמישות אבל עדיין צריך לייעל את התמרונים שלהם כדי למזער את השימוש בדלק.מתכננים המשימה לחשב בקפידה את דלה-v הנדרש עבור כל שלב של המשימה ועיצוב הטנק המדחף בהתאם.

שיקול חשוב הוא עריצות של משוואה הרקטות: כפי שדחף נשרף, הלוויין הופך בהיר יותר, מה שהופך כל נשרף מאוחר יותר יעיל יותר.עם זאת, נושאת דחף נוסף מגביר גם את המסה הראשונית, אשר יכול להיות חסרון.זה סחר-off מניע את הבחירה של טכנולוגיה הנעה עבור משטרים שונים של מסלולים.

הגבלה נוספת היא הכוח הזמין עבור מדחף חשמלי.פאנלים סולאריים חייב להיות בגודל לספק מספיק חשמל, סוללות עשוי להיות נחוץ לתקופות ליקוי.משתים בעוצמה גבוהה יכול גם לייצר חום כי יש לנהל.

מגמות עתידיות במניעה של מכניקה אורביטלית

ההתקדמות בטכנולוגיית ההנעה ממשיכה להרחיב את מה שלוויינים יכולים להשיג.כמה מגמות מתעוררות מבטיחות לשפר את יכולתנו לתפעל את הסבבים עם יעילות רבה יותר וגמישות.

  • (FLT:0) נקלאר נטייה תרמית (NTP)אנדרל 1) – שימוש בכור גרעיני לדחף חום, NTP מציע Isp כ-900 שניות עם דחף גבוה. בעוד בעיקר נחשב למשימות מאדים מאוישות, NTP יכול גם לאפשר התחדשות מהירה של לווינים גדולים או כוונונים חלל עבור servicing.
  • (FLT:0) , Solar חשמל הנעה (SEP)IRLT:1) - מערך גדול המחזק את הדחפורים של האולם העליון מפותחים למשימות מטען וכלי רכב העברה מקיפים של נאס"א.
  • (FLT:0) מפרשים מפרשים 1:1 - במקום לגרש את הדחף, מלחים סולאריים משתמשים בלחץ פוטון מאור השמש כדי ליצור דחף.למרות שהכוח הוא זעיר, הוא רציף ודורש לא דלק.
  • (FLT:0) מדחף ירוק (FLT:1) - hydrazine מסורתי הוא רעיל ודורש טיפול זהיר. Newer לא רעילים מונעים, כגון LMP-103S (שימוש ב-FLT:2SCISAT-2FLT 3), מציעים ביצועים דומים עם סיכון בטיחות מופחת.
  • (FLT:0) tethersFLT:1 tethers ארוך התנהגות יכול אינטראקציה עם השדה המגנטי של כדור הארץ כדי ליצור דחף או לגרור ללא דחף.

חידושים אלה יפחיתו את העלות ויגבירו את יכולת משימות לוויין עתידיות, שיאפשרו פעולות מקיפים מורכבות יותר וניהול טוב יותר של סביבת החלל.

מסקנה

Thrust הוא הכלי הבסיסי לשינוי ולשמירה על מסלולים לווייניים.בין אם מדובר בעיטות קצרות וחזקות ממנוע כימי או דחיפה עדינה, מתמשכת מדחף חשמלי, היישום של דחף משנה את המהירות של הלוויין, האנרגיה, וטרפוסטורי. Mastering עקרונות אלה מאפשר למפעילים להכניס לווינים למסלולים המיועדים שלהם, לשמור אותם על תחנה במשך שנים, למנוע התנגשות, ולסלק את היכולות של הטכנולוגיה שלנו, כמו גם לפתח את יעילות החלל, רק כדי להרחיב את סביבת העבודה שלנו, ולנהל את יעילות הסביבה.