Используются ли «классические» гравитационные повороты и узнаваемы ли они как таковые?

Если я правильно понимаю, термин «гравитационный разворот» относится к конкретному способу эффективного поворота от начального почти вертикального направления запуска к конечному тангенциальному направлению орбиты. Описывается как относительно небольшой тангенциальный толчок, возврат практически к нулевому углу атаки (или угла смещения - об этом я спрашивал отдельно ) и траектория естественно медленно разворачивается "вбок" в тангенциальное направление.

Как мудро учит нас Kerbal Wiki :

Затем, как только достигается определенная высота, делается небольшой поворот, называемый маневром питчовера . Если немного отклониться от вертикали, гравитация потянет вектор скорости корабля вниз в этом направлении, и корабль должен наклониться, чтобы следовать за ним.

В современных больших ракетах-носителях со сложными аэродинамическими моделями, векторной и регулируемой тягой классический маневр гравитационного разворота все еще аппроксимируется — либо по замыслу, либо по совпадению — или фактический разворот является результатом такой сложной задачи оптимизации, что классический гравитационный разворот сам по себе уже не узнаваем?

Возможно, вы захотите взглянуть на это: space.stackexchange.com/questions/6031/… Вопрос о скорости; но ответ цитирует много соответствующих материалов
@Анци, спасибо! Да, я не уверен, что следование огибающей конечной скорости даже близко к хорошей идее на Земле. Я выбрал цитату Кербала, потому что образ гравитации, воздействующей на вектор скорости, «интригует». Я могу спросить, как вычислить гравитационную силу на векторе скорости как отдельный вопрос. ;-)
Гравитационный разворот — это минимальный маневр AoA, поэтому он все же желателен, по крайней мере, в плотной атмосфере.
@RussellBorogove Если бы я посмотрел на данные о траектории запуска, есть ли какая-то отличительная черта, которая отличала бы поворот, который был примерно гравитационным, от поворота, который им не был? Данные также могут быть получены из моделирования, не говоря уже о том, что «все повороты в основном являются гравитационными поворотами, потому что они наиболее эффективны».
Любой отрезок времени во время атмосферного подъема, когда ракета не находится в вертикальном положении, а ее угол атаки близок к нулю, по определению является гравитационным поворотом. Я надеялся, что симулятор Saturn V от Braeunig покажет AoA в табличных результатах, но не повезло.
(С другой стороны, если он сверхзвуковой и не разваливается, он, вероятно, довольно близок к гравитационному повороту. ;)
@RussellBorogove, так что мне кажется, что предотвращение боковых напряжений на практике на самом деле важнее, чем эффективность поворота, с чего начинаются многие описания.
«Гравитационный поворот» не очень специфичен, поэтому вы не можете делать заявления об его эффективности. Размер и время начального тангажа в сочетании с профилем ускорения ракеты определяют, куда на самом деле направлен гравитационный разворот. Разворот, начинающийся с тангажа на 1/10 градуса и выполняемый на скорости 250 м/с, едва ли более эффективен, чем вертикальное движение до апоапсиса; один, начинающийся с 6-градусного тангажа на скорости 50 м/с, вероятно, сегодня не выйдет в космос. Выйдя из плотной атмосферы, наведение имеет гораздо больше свободы — пусковые установки с высокой тягой будут лететь более плоско, а пусковые установки с малой тягой — подниматься.

Ответы (2)

Ares I летел бы очень близко к идеальному гравитационному развороту в атмосфере. Один документ, в котором рассматривается простейшее руководство по тангажу на начальном азимуте, а затем полету с практически нулевым AoA до тех пор, пока не будет достигнуто разделение SRB:

https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20080048217.pdf

Здесь есть еще одна статья, в которой говорится, что вы можете получить несколько лучшую производительность с точки зрения вводимой массы (если я правильно ее читаю, особенно при рассмотрении огибающей того, как она может быть возмущена ветром) путем оптимизации траектории с сильно ограниченным аэродинамическим изгибом. момент и позволяет AoA изменяться от нуля до тех пор, пока ограничение выполняется (с управлением с обратной связью).

https://www.researchgate.net/publication/239415099_Highly_Constrained_Optimal_Launch_Ascent_Guidance

Если вы посмотрите на рисунок 9, там пунктирная красная линия — это гравитационный разворот без обратной связи, а верхний рисунок показывает, что угол атаки равен нулю примерно до 120 секунд. Синяя линия — оптимизированное управление с замкнутым контуром, которое превосходит его. Но примерно до 80 секунд это выглядит так же, как гравитация поворачивается для моих глаз...

Другие ракеты, которые не нуждаются в таких жестких ограничениях (любая ракета, кроме Ares I), могут выиграть от полета с более высоким радиусом действия. Поэтому я считаю, что что-то вроде Falcon 9 будет летать немного выше, чтобы извлечь выгоду из подъемной силы (корпус ракеты действует как крыло) до тех пор, пока нагрузка на конструкцию транспортного средства не станет фактором (или в какой-то момент сопротивление и аэродинамическая нестабильность). ?). Но такой подъем будет очень похож на траекторию с нулевым радиусом действия в наивном тесте «глазного яблока» (особенно по сравнению с некоторыми из моих запусков KSP с очень ненулевым радиусом действия).

Так что я не знаю, поможет ли это вообще ответить на ваш вопрос. Ракеты по-прежнему в значительной степени летают с нулевым гравитационным разворотом AoA более или менее. Но вы всегда можете сделать лучше, поэтому они не летают с идеально нулевым гравитационным разворотом AoA.

(И я рассматривал возможность реализации чего-то вроде алгоритма гравитационного поворота Ares I с нулевым радиусом действия в MechJeb, чтобы иметь дело с оптимизацией программы шага для запусков PEG, хотя я не думаю, что собираюсь двигаться в этом направлении сейчас)

Это именно тот ответ, который я искал, спасибо!
Согласно этому QA, подъем Falcon 9 виден невооруженным глазом ближе к концу прожига первой ступени: space.stackexchange.com/questions/20916/…
Это похоже на кривую AoA во второй статье, где AoA может отклоняться через 80 секунд (выстрелы F9 там T+90).
Если вы погуглите «squatcheloid», вы также можете найти некоторые обсуждения допустимого конверта произведения альфа (AoA), умноженного на Q (динамическое давление) или бета (угол бокового скольжения), умноженного на динамическое давление.

Иногда вы просто не можете заставить @RussellBorogove признать, что эти действительно полезные комментарии могут стать действительно хорошим ответом. Так что, пока это время не придет... Я временно приму этот ответ на копирование/вставку.

Отсюда : _

Любой отрезок времени во время атмосферного подъема, когда ракета не находится в вертикальном положении, а ее угол атаки близок к нулю, по определению является гравитационным поворотом.

и отсюда

(С другой стороны, если он сверхзвуковой и не разваливается, он, вероятно, довольно близок к гравитационному повороту. ;)

Таким образом, узнаваемой особенностью общей идеи гравитационного разворота может быть тот факт, что разворот происходит без отклонения ракеты от направления, в котором она движется по воздуху (очень сильно) с тягой. Я думаю. Дополнительная масса конструкции, необходимая для того, чтобы справляться с боковыми нагрузками на сверхзвуковых скоростях, является огромным недостатком, и если вы ее не добавите, вы потеряете структурную целостность, если попытаетесь совершить существенный разворот, изменяя вектор тяги.

Лучший / более подробный ответ всегда приветствуется!
Иногда оказывается, что мои действительно полезные комментарии рассказывают только половину истории, и я осознаю это только год спустя: space.stackexchange.com/questions/20916/…
@RussellBorogove Ну, они всегда помогут, несмотря ни на что!
Re ... и его угол атаки близок к нулю - это гравитационный разворот по определению "Чье определение? Классический гравитационный разворот означает, что тяга направлена ​​по вектору инерционной скорости, а не по вектору скорости, привязанному к планете. Угол атаки измеряется относительно локальные ветры. Атмосфера Земли более или менее движется вместе с вращением Земли. Мое понимание "гравитационного поворота" состоит в том, что это тавтологический термин. Траектория "гравитационного поворота" оптимизирует что-то вроде расхода топлива или массы на орбиту. Так что, конечно, Траектория гравитационного разворота является оптимальной траекторией по определению.
@DavidHammen Я понимаю, что ты имеешь в виду. Не стесняйтесь добавить ответ здесь и / или взглянуть на угол атаки или угол смещения?