Reentry Tools ve Spacecraft Reentry Paths Tasarımında Orbital Mechanics

Orbital mekanikler her yeniden görevin omurgasını oluşturur.Şu andan itibaren bir uzay aracı, son parachute dağıtıma yansır, her hesaplama, yerçekimi kuvvetleri, hız vektörleri ve atmosferik etkileşimlerin kesin anlayışına bağlıdır.

Orbital Mekaniklerin Temelleri

Orbital mekanikler - genellikle göksel mekanikler olarak adlandırılır - yerçekimi altında nesnelerin hareketini yönetir.Reentry tasarımı için, en kritik kavramlar, bir uzay aracının Dünya gibi merkezi bir vücutla nasıl hareket ettiğini tarif edenlerdir.Bu temeller, gerekli hız değişikliğini ve giriş koridorunun geometrisini belirtir.

Kepler'in Yasaları ve Reentry'leri

Johannes Kepler'in gezegensel hareket yasaları, yörünge planlamasını yeniden düzenlemeye doğrudan uygulanabilir:

  • [FONT:0) İlk Kanun (Elliptical Orbits): ) Orbitlar bir merkez vücutla bir odakta elipler.Reentry için, uzay aracının yörüngesi tipik olarak dairesel veya biraz eliptik.
  • [FONT:0)İkinci Hukuk (Equal Alanları):) Bir uzay aracı, uzaklarda Dünya'ya daha yakın ve daha yavaş hareket ettiğinde daha hızlı hareket eder. Bu, deorbit manevralarının zamanlaması etkiler - perigee'de yanmak, apogee yükseklikteki en verimli değişiklik.
  • [FONTD:0)Üçüncü Hukuk (Harmonik Kanun): [Dönerge dönemi kare yarı-major ekseninin küpüne orantılıdır. Bu, mühendisler aracın doğru iniş bölgesine gelmesini sağlamak için kesin zamanı hesaplamaya yardımcı olur.

Orbital Elements ve Reentry Geometry

Yeniden bir yol tasarlamak için, mühendisler uzay aracının yörüngesini tam olarak tanımlayan altı klasik yörünge elementlerini ortaya koyar:

  • [FONT:0]Semi-major eksen: yörüngenin boyutunu ve böylece toplam enerji.
  • [FONT:0)Ecsantriklik:[Dönetici:[Dönetici: 0)[Dönetici: 0) Bu yüzden yol atmosferine karşı en az 1.0 (veya biraz daha yukarıda) eksantrikliği yükseltmeyi gerektirir.
  • [FONT=0)Inclination:[Dönetici:[Dönetici:0)) Olası iniş sitelerinin enlem aralığını etkiler. Yüksek-inclinasyon yörüngeleri kutup yeniden etkinleştirir, düşük çözünürlük yörüngeleri düşük çözünürlükteki yörüngeleri kısıtlarken, iniş bölgelerinin daha düşük çözünürlükte kısıtlar.
  • [FONT:0]Argument of Perigee:[Dönetici:[Dönetici], uzay aracının atmosfere girdiği coğrafi değeri belirler.
  • [FONT:0) Dünya'nın geri dönüşü nedeniyle yörüngenin yönelimi, uzun vadeli planlama planlama için dikkate alınması gerekir.
  • [FONT:0]Mean anomaly:[Dönetici:[Dönetici: 0) Aracın belirli bir dönemde yörünge boyunca konumunu verir. Bu, deorbit'in tam olarak yakılmasını sağlamak için kullanılır.

Velocity, Acceleration ve Deorbit Burn

Reentry retrograd yanı ile başlar - yaklaşık 100-150 m /s bir tahrik hareketi, atmosferin altında daha düşük periferik bir şekilde giriş noktasının ne kadar yüksek olduğunu belirler.

Yan tarafta başarılı olmak küçük (0.1-0.5 g çoğu mürettebatlı araçlar için), ancak atmosferik bir aşamada, decelerasyon, yüksek performanslı askeri reentry araçları için 3-5 g'yi aşabilir.

Gravity Assists ve Perturbations

Dünya reentry için yaygın olarak kullanılmamış olsa da, yerçekimi yardımcıları, gezegenlerarası geri dönüş görevleri için kritiktir. Mars veya bir asteroidden dönen bir uzay aracı, enerjiyi yakmadan dağıtmaya yardımcı olabilir. Ancak, ortaya çıkan yörünge, atmosferik bir giriş koridorunu vurması için çok daha karmaşıktır.

Ay, güneş radyasyon baskısından ve Dünya'nın küresel çekim alanı (J2 etkisi) sürekli olarak yörüngeyi değiştirebilir. Uzun süredir hazırlık görevleri (örneğin, Ay'dan veya Lagrange noktasının geri dönüşü), bu ikna ediciler, yanlış açıda yeniden kurulmamalıdır.

Yeniden Araçlar Tasarlamak

Bir reentry aracının tasarımı, yörüngesel mekanik kısıtlamaların doğrudan bir sonucudur. Şekil, termal koruma sistemi (TPS), ve rehberlik mantığı, aracın yörüngesi ve istenen iniş sitesi tarafından dikilen özel yeniden yörüngeye göre belirlenir.

Reentry Angle ve Corridor

Yeniden açı - giriş arayüzünde hız vektörü ve yerel yatay uçak arasındaki açı (tipik olarak 120 km yükseklikte) - tüm termal ve mekanik ortamı tanımlar.

  • [FONT:0)Too dik (yaklaşık 10 °'dan çok büyük): [Dönetici: 1) Araç aşırı ısıtma oranları (ortalama 30 kW/cm2) ve 10 g üzerindeki yükleri azaltın. Bu tür yükler kapasiteye ve hasar yapısına göre biraz zaman ayırabiliyor.
  • [FONT:0)Too sığ (yaklaşık 1.5 °’den az): ) Aracın suya taş gibi atmosferi atlatabilir.Reentries birçok ısıtmalı puls üretir ve iniş ayak izi önemli ölçüde uzatabilir, yükseltilebilir kurtarma.
  • [FONT=0)Nominal koridor:[Dönetici:[Dönetici] çoğu LEO kapsülleri için giriş koridoru 1.5° ve 7° arasında yatıyor. Apollo komut modülü, 6.5° giriş açısı kullandı, Soyuz kapsülü 1.2° ile (aktif asansör kontrolü ile) arasındaki hedef.

Velocity at Reentry and Isıtma Yönetimi

LEO'daki 7.8 km/s. Ay geri dönüş görevleri için, giriş arayüzündeki hız 11 km /s'e ulaşabilir, yüksek ısıtma oranları birkaç kez daha yüksek hale gelir. Isıtma oranı hız küpü (geçmiş akış rejim) olarak değişir ve yerel atmosferik bir yoğunlukla orantılıdır.

  • [FONT:0]Blunt vücut şekilleri: [Dönder: Yüksek performanslı araçlar, atmosferin ince olduğu yüksek irtifalarda, üst ısı flux'ı azaltır. Bu yüzden kapsüller (Apollo, Soyuz, Dragon) blunt.
  • [FONT:0]Lifting vücut veya kanatlanmış şekiller: Bunlar aerodinamik asansör sağlar, aracın uçuş yolunu modüle etmesine ve tüm ısı yüklerini azaltmasına izin verir.The Space Card Card, with its delta kanat, has a balistik kattı 200 kg/m2.
  • [FONT=0)Entry speed vs. ısı yükü: Ay geri dönüşü için (11 km/s), toplam ısı yükü 1000 MJ /m2'yi aşabilir. Stardust kapsülü, 12.9 km/s'de geri dönen, yaklaşık 12 MW/m2'nin üst ısı flux'ı deneyimlemiştir.

Termal Koruma Sistemleri (TPS)

Orbital mekanikler sadece ısı miktarı değil aynı zamanda dağıtım ve süresine bağlı olarak seçilir. TPS materyalleri beklenen ısı flux ve toplam yüke dayanmaktadır:

  • [FONT:0)Ablative ısı kalkanları: Çoğu kapsüller bir fendi karbon ablası (PICA) veya benzer materyaller kullanıyor. Apollo ısı kalkanı bir olic epoxy reçinesi ile dolu bir fazed paslanmaz çelik balkomb.
  • [FONT=0)Reusable TPS:[Dönetici:[Dönetici: 0) Uzay Yardımı, seramik karoları kullandı ve önde gelen kenarlarda karbon-karbonu güçlendirdi. Bu malzemeler, orta ısıtmada birden fazla reent için tasarlanmıştır ( RCC için 1600°C).
  • [FONT:0)Seksable TPS: [Dönetici: 0] HIAD gibi Kavramlar (Hy personicidge Aerodynamic Decelerator) büyük sürüklenme yüzeyleri oluşturmak için esnek kumaşlar kullanıyor, balistik katlama ve ısıtmayı azaltır. Bu, Mars girişi için henüz operasyonel değil.

Rehberlik, navigasyon ve Kontrol (GNC)

Orbital mekanikler doğrudan GNC algoritmalarına beslenirler.Reentry sırasında, araç nominal yörüngeden dağıtımlar için doğru olmalıdır. birincil yöntem [[Ücretsiz modulation) - arabayı asansör vektörünü değiştirmek için veya doğru, araç istenen iniş noktasına yönlendirebilir.Bu teknik Apollo, Uzay Servisi ve modern kapsüller tarafından kullanılmıştır.

Reentry Path Planlama

Yol planlama yörünge mekaniği teorisini uçabilir bir manevra dizisine dönüştürür. Süreç yeniden ortaya çıkmadan haftalar başlar ve fragmanların anılarına kadar devam eder. Anahtar aşamalar, karaout, giriş arayüzü, karaout ve terminal iniş.

Deorbit Hedefleme ve Burn Execution

Mühendisler uzay aracının doğru yerde atmosfere girmesini sağlamak için para yakma parametrelerini hesaplıyorlar ve sağ uçuş yolundan sonra, yakılan motor (Frex on Dragon) veya sağlam bir roket motoru gibi) veya doğru bir şekilde yönlendirilmelidir.

Trajektörel Düzelt Adameuvers (TCMs)

Küçük perturbasyonlar – reentry, çekimsel değişiklikler ve navigasyon hataları – Uluslararası Uzay İstasyonu (ISS) mürettebat geri dönüş görevleri TCM'ler son yörünge arasında planlanabilir ve her TCM genellikle bir delta-v of 0,5-2 m /s işlem yapılır. Örneğin, Uluslararası Uzay İstasyonu (ISS) mürettebat geri dönüş görevleri TCMs 24 saat içinde 24 saat, 12 saat ve 3 saat önce deorbit.

Giriş Interface ve Atmospheric Faz

Giriş arayüzü (EI) şu anda aracın koridorda 120 km'ye ulaşması gerekiyor. Bu noktada, araç hala ücretsiz olarak düşüyor ancak yakında önemli aerodinamik kuvvetlerle karşı karşıya kalacak.

Araç battığı gibi, etrafındaki plazma radyo sinyalleri engelleyebilir - ortalama 20-30 km yükseklikte bilinen bir dönem) Apollo için karaout yaklaşık 4 dakika sürdü. Bu süre zarfında, araç önceden programlanmış rehberlike güvenmek zorunda.

Terminal Descent ve Landing

Mach 2, parachute sistemleri dağıtılır. Bir kapsül için sıra tipik olarak bir drogue chute (Soyuz, Starliner), bir pilot chute ve nihayet ana parachute kümesi.For the SpaceX Dragon, dört ana parachutes düşüş için iniş hızını azaltır (daha erken Merkür) ve daha geniş bir balistik kapsüller için (daha fazla ağar)

Uygulamalar ve Future Developments

1960'lardan beri her mürettebat ve geri dönme görevi, yukarıda açıklanan ilkelere dayanıyordu. görevler daha hırslı hale geldi - Mars, Ay veya asteroidlerden geri döndü - yörüngesel mekanikler daha talep edecek.

Tarihi örnekler

  • [FONT:0]Apollo:[Döneticiler, Ay geri dönüş trajektörleri 6.5° +0.5 ° nin kritik bir gerileme açısına ihtiyaç duyuyordu. Rehber bilgisayar, ısıtma ve kontrol aralığı yönetmek için banka geri döndü.
  • [FONT:0) Uzay Araç:[Dönetici:[Dönetici:0))) Kadit, 2,2 km'den oluşan bir sabit açılım ile LEO'dan gelen bir sabit bir açıyla yeniden adlandırılmış bir dizi S-dönüşüm kullanarak, sofistike bir gemi algoritması tarafından yönlendirilen bir dizi S-dönüşüm kullandı.
  • [FONT:0]Mars Pathbuler:[Dönetici yörüngeden giriş, Mars'ın atmosferinin en üst kısmında 7.3 km/s gerekli olan bir giriş yaptı (125 km).

Mevcut ve Future Systems

[FONT:0)SpaceX Dragon 2: [Draco motorlarını, square ve PICA-X ısı kalkanı, Ay geri dönüş ve konumları için derecelendirilmiş durumda.

[FONT:0)Boeing Starliner: [Dönetici:[Dönetici: 0:2) Bir servis modülünün yanı sıra, zemin etkisini absorbe etmek için eşsiz bir iniş çanta sistemi kullanın.

[FONTA'nın Orion: [[Dönemli: 1] Ay'ın 11 km / Orion'un ısı kalkanı, mürettebatın (5 metre çapında inşa edilmiş bir araç için inşa edilmiş en büyük havaalanıdır).

Uçaksal Geri Dönüş ve Gelişmiş Kavramlar

Mars Örnek Return gibi gelecek görevler – Mars'tan Dünya'ya geri dönüş kapsülleri gerektirecektir. Dünyadaki giriş hızı yakıtsız 15-16 km/s olarak yüksek olabilir - bu hızlarda, PICA-X gibi gelişmiş ablacılar bile sınırlarına yakın olacak.

Başka bir yükselen alan ise şöyledir:0)skip reentry[DÜT:1) – kasıtlı olarak aracın atmosferle ilk temastan sonra tekrar yükselebilmesine neden oluyor. Bu, üst düzey delege ve geniş bir aralıkları azaltılabilir. Sovyet Zond misyonları, 5-6 km/s giriş hızıyla Ay'dan geri dönmek için geri adım atıyordu.

Son olarak, küçük uydu reentry daha yaygın hale geliyor. CubeSats ve mikrosatellites genellikle yüksek atmosfer yoğunluğuna sahip değil, bu yüzden yeniden konumlanan bir atmosferden tamamen uzaklaşıyor.Küçük uydular için tam zamanı ve yeri tahmin edin - ve uyduyu tamamen yakacak - ayrıntılı modelleme gerektirir.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Orbital mekanik teorik bir soyutlama değildir - bir uzay aracının en şiddetli aşamasına dayanabilmesi için mühendislik dilidir: Kepler'in zarif elpses'ten bir sonraki atılımlar, tasarım bulmacasının her parçası, ancak insanlığımız Ay'a geri getiren trajektörlerin fiziklerine dayanıyor.