Görev tasarımında Eğitme, Yakma Zamanı ve Roket Değişimi Arasındaki İlişkiyi Anlamak

Rocket Propulsion'in Core Dynamics'e Giriş

Her başarılı uzay görevi, üç temel parametre arasında hassas bir dengeye bağlıdır: itmek, yakarak zaman ve hız değişikliği roket denklemi tarafından tahmin edilir; roket denklemi nasıl etkiler, ve roket denkleminin her şeyi bir araya getireceğini belirleyen sıkı bir çift sistem oluşturur.Bu makale, bu elementler arasında bir araya gelir, görev tasarımcıları ve meraklı havacılıklar için pratik bir çerçeve sağlar.

roket denklemi, ilk olarak 1906 yılında Konstantin Tsiolkovsky tarafından formüle edildi, astrodinamik temel taşı olmaya devam ediyor. [Dönetici:0] ﴾37﴿ .[Döneticileri:0) · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·

Bu ticaret-offları takdir etmek için, temel tanımları ilk incelemeliyiz ve sonra gerçek görev senaryolarında nasıl etkileşim kurduklarını keşfedin.

Rocket Propulsion

Thrust: Rocket That Moves the Rocket

Thrust, yüksek hızda bir nozul ile üretilen reaksiyon kuvvetidir. Newton’ üçüncü yasaya göre roket eşit ve tam tersi bir güç deneyimliyor. Matematiksel olarak, itme (F).

[FONT=0)F = ⁇ × v_e|(p_)[FLT|8722; p) ve #215; A[FLT: 7)[FLT[FLT: 9)[FLT: 9)

[FONT=0] [FONT=FONT=[FONT=0] [FONT=FONT=[FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=[FONT=)[[FONT=[FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=))[değiştir | kaynağı değiştir]

Thrust, bir roketin elde edilebilir olduğunu belirler.Başlangıç sırasında, itkik, aracın pedin dışına çıkmasını sağlamak ve aracın çıkarılmasını sağlamak zorundadır. Üst aşamalar için, daha küçük itki seviyeleri kabul edilebilir çünkü roket zaten hareket ediyor ve yerçekimi kayıpları daha düşük.

Gerçek dünya örnekleri: Satürn V’ F-1 motorları her bir itikatının yaklaşık 1.5 milyon poundunu üretti, SpaceX ’ Merlin 1D motorları deniz seviyesinde yaklaşık 1 90 pound basıyor. Bu sayılar farklı görevlerde kullanılan itme ölçeklerini vurgulamaktadır.

Burn Time: Propulsion

Burn zamanı, motorların toplam ateşlendiği zamandır. Doğrudan pervanantajın miktarına bağlıdır ve kütle akışı oranı.Bir verilen pervanant kitle için, daha yüksek itme (ve daha yüksek kütle akışı) sonuçları daha kısa sürede azalır. Conversely, daha düşük itme süresi azalır, ancak hızlanır ve yerçekimi kayıpları artırabilir.

Burn zamanı ayrıca yapısal yükleme, termal yönetim ve rehberlik doğruluğu etkiler. Uzun yaklar ısı nozlarını ısıtabilir ve aktif soğutma gerektirir, kısa, yüksek hızlar yan yanarlar, yüksek hızlı güçlere dayanacak sağlam yapılar talep eder.

Tipik yan zamanlarda geniş ölçüde değişebilir. ağır bir kaldırma aracının ilk aşaması 150–300 saniye boyunca, üst bir aşama 500–1000 saniye boyunca şarj sistemleri, iyon itkileri gibi, günler veya aylar boyunca sürekli yakılabilir.

Özel Impulse: Verimlilik

([Dönemli))[[Dönemli))[[Dönemli)))[Dönemli bir roket motorun sıkıştırılabilmesi için, doğrudan bir pervanant (genellikle saniyede) sabit bir şekilde ayarlandığından (düşün) bir yanan) daha fazla tahrik edilir.

Özel dürtü hız ile yakından ilgilidir: [DÜDÜDÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜŞÜŞÜNÜŞÜŞÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞ

Belirli bir dürtü ve önemi hakkında daha fazla okuma için, bakınız:0 Wikipedia'nın belirli dürtü üzerine yazdığı makale).

Rocket Equation in lips

Tsiolkovsky’ Miras

roket denklemi uzay ışığının ana denklemidir:

[FONT=0) {0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|4|)[D)[D)[D))[D))[D)))[D))))[D)))

Nerede:

• [FONT:0) ﴾86v[DÜDÜT:1][/S) = hızdaki değişim (m/s)
• [FONT:0][DÜDÜT:2][DÜDÜ:2][DÜDÜ: 3)[0)
• [FONT:0] ) = ilk kitle (önemli dahil)
• [FONT:0] [Dönemli yakıcı yanan) = son kitle (sonra yakılan)

Doğal logarithm, büyük hız değişikliklerine ulaşmak için muazzam kütle oranları gerektirir. 4 km/s egzoz hızı ile tek bir aşama için, 8 km/s (ortak Dünya yörüngesine ulaşmak için) ihtiyaç duyar.(0e.(8/4) ⁇ 7.4[D)

Roket denklemi ayrıca egzoz hızının kritik rolünü ortaya koyar.DoublingENFLT:0)[Döneticiler için gerekli kütle oranını büyük ölçüde azaltırlar.

Kitlesel Oran ve Yapısal Verimliliği

Kitle oranı [Dönetici:0)[Dönetici:2)[Dönetici:0)[Dönetici: 4][Dönetici: 4)[Dönetici: 0:0|Dönetici))))))) Aracın ne kadarını ısıttığı ve daha fazla perosen veya daha az kuru kütleye izin verirken, ısıtılmış basınç gemilerinin ne kadarını azalttığını temsil eder.

& #8220 kavramı; yük kesik ve #8221; roket denkleminden elde edilir. Verilen bir delta-v gereksinimi için, ilk kütlenin sadece küçük bir kısmı ücret yüklenebilir.Tek aşamalı-son kavramları mücadele çünkü gerekli kütle oranı son derece yüksek, küçük odadan maaş yükünden ayrılır.

Delta-V Bütçeler

Misyon mühendisleri bir delta-v bütçesi yaratır: görevin tamamlanması için gerekli olan toplam hız değişikliği. Örneğin, Dünya'dan düşük Dünya yörüngesine başlamak yaklaşık 9.4 km/s (kırık ve sürüklenme kayıpları dahil) Bir trans Ay enjeksiyonu başka bir ~3.1 km/s. Mars transferine ihtiyaç duyar.

Her görev aşaması kendi itikat ve zaman özellikleri ile farklı bir tahrik sistemi kullanır. Motor arasındaki etkileşim zaman, yanar zaman ve roket denklemi yörünge tasarlarken belirgin hale gelir: yüksek itmeler, yerçekimi kayıpları azaltmayı sağlar, ancak yakmanın çok uzun olması durumunda azalır.

Referans için, NASA, roket denkleminde (FLT) NASA tarihi sayfasının (Dönetici) üzerinde kapsamlı kaynaklar sunar.

Thrust, Burn Time ve Rocket Equation arasındaki Interplay

Thrust-Burn Time Trade-Off

Sabit bir pervanant için, itme ve yakıcı zaman ters bir şekilde ilişkilidir (kesinlikle tükenen hız varsayılır). Yüksek güven motoru hızlı bir şekilde, yüksek hız üretir, ancak kısa bir yanır. Düşük bir güven motoru daha uzun yakılır, daha düşük hıza yanılır. roket denklemi iten ve yakılabilir zaman ve yakılır.(8212; sadece pervanant ve egzoz hızına dikkat edin.

Başlangıçta, yerçekimi roketi sürekli olarak çeker. Daha uzun bir yanık, daha fazla hız yerçekimine kaybedilir (gösterme kaybı ⁇ g × dikey uçuş için zaman/2 yakmak). Bu nedenle, daha yüksek itme yerçekimi kayıpları azaltır, daha fazla delta-v'un gerçek hız için kullanılmasını sağlar. Ancak daha yüksek itme daha büyük motorlar gerektirir, bu da doğal olarak fayda sağlar.

Örneğin, Satürn V ilk aşaması, asansörde yaklaşık 1.2 oranında bir darbeye sahip oldu, yani Falcon 9 gibi modern roketler daha yüksek bir ağırlığa sahip olabilir (yaklaşık 1.4) böylece daha hızlı hızlanırlar.

Gravity Kayıplar ve Optimal Thrusting

Gravity kayıpları yakıcı bir zaman ve dikey olarak itme açısıdır.Düzesel olarak, yerçekimi kaybı sadece zaman içinde g'nin integralidir. 300 saniyelik bir yanı için, yerçekimi kaybı 2940 m /s (300 × 9.8)'e kadar uzanabilir.

Artan itki zaman azalır ve bu nedenle yerçekimi kayıpları azaltır. Ancak, ilişki lineer değildir, çünkü daha yüksek itki zararları da arttırır ( atmosferdeyse) ve yapısal kitle ile ticaret yapmak için bir sürü fırlatma aracı kullanır. Birçok fırlatma aracı, sert kaybı en aza indirmek için erkenden kullanır, sonra aerodinamik yükleri azaltmak ve verimliliği artırmak için.

Düşük güven elektrik tahrikli görevler için, yıllarca veya aylar olabilir. Bu durumlarda, yerçekimi kayıplar zaten yörüngede, ancak uzun yan yanan yörünge optimizasyon zorluklarını (örneğin, sürekli spiraller) uygular.

Özel Impulse ve Thrust-Burn Zaman Dengesi

Yüksek performanslı [Dönetici:0)I[DÜDÜDÜDÜ:2] [DÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜŞÜNÜDÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜ

Buna karşılık, kimyasal motorlar orta dereceden:0)I_{sp) [300–460 s) ama yüksek itme için kısa bir süre gereklidir, yerçekimi agresif bir şekilde karşılanmalıdır.}

Hibrit bir yaklaşım yaygındır: yüksek güven aşamaları için kimyasal tahrik (başarılı yörünge ekler) ve uzun süredir şarj edici, düşük güven manevraları (veyabit yükseltme, istasyon açma, içiş, uçak dışı transferler). Bu, zayıf yönleriyle karşı karşıya kalırken her iki teknolojinin güçlü güçlerini kullanır.

Pratik Misyon Tasarım Tahminleri

Staging: Rocket Equation'ı aşmak için anahtar

Stating, iki aşamalı roketin artırılması için en etkili yoldur: ilk aşama, daha hafif bir ikinci aşamayı terk ediyor.Her aşamanın kitle oranlarının ürünü haline geldi, ancak kalan aşamalar için kütle oranı dramatik bir şekilde arttı.

Stating also decouples it and yanı sıra zaman gerekliliklerini de azaltmaktadır. İlk aşama yüksek itme ve kısa yanma için optimize edilebilir (kürücüler ile) yerçekimi kayıpları en aza indirmek için.İkinci aşama daha yüksek bir güvenlik kullanır)[Dönetici: 3 )