Как использовались кадры Френе и ортонормирование Грама-Шмидта при расчете орбит космических аппаратов?

Я еще не видел фильм « Скрытые фигуры », но я прочитал и прослушал несколько диалогов в этом обзоре NPR . В нем они упоминают репер Френе и процесс Грама–Шмидта для ортонормализации векторов.

КОСТНЕР: (В роли Эла Харрисона) Вы думаете, что можете найти систему Френе для этих данных, используя метод Грама-Шмидта...

ХЕНСОН: (В роли Кэтрин Г. Джонсон) Алгоритм ортогонализации, да, сэр. Я предпочитаю это евклидовым координатам.

Вопрос: Как системы Френе и ортонормирование Грама–Шмидта использовались при расчетах орбит космических аппаратов и почему это было особенно важно в эпоху Меркурия и Аполлона?


Для напоминания о том, какими на самом деле были электронные компьютеры в 1960-х, ниже приведены несколько скриншотов из официального трейлера . Операции с плавающей запятой с Python на Raspberry Pi 2 примерно в 10 000 раз быстрее, чем, например, на IBM 7090 .

введите описание изображения здесь

введите описание изображения здесь

введите описание изображения здесь

выше: это выглядит как 100 мкс на деление.

Отличный вопрос - у меня было такое же любопытство. Для получения дополнительной информации о науке и математике «Скрытые фигуры» см. «Какие конкретные примеры расчетов, которые человеческие «компьютеры» выполняли для космической программы «Меркурий»?» - Stack Overflow на русском

Ответы (1)

По моему опыту, фундаментальная теорема о пространственных кривых не так уж и фундаментальна в отношении космических полетов. Это всего лишь фильм, и даже самые исторически достоверные фильмы ошибаются в фундаментальных вещах. Тем не менее, есть несколько мест, где рама Френе-Серре (или рама Серре-Френе) вполне могла быть полезна в начале 1960-х годов, и это были бы запуск и вход.

Во время запуска ракета-носитель очень близка к нулевому углу атаки по отношению к местному ветру, по крайней мере, на той части, где ракета находится в атмосфере. Ракета толкает против единичного касательного вектора, ускоряя аппарат параллельно единичному касательному, в то время как сопротивление в некоторой степени противодействует этому ускорению. Другие силы (некоторые из них фиктивные) приводят к искривлению и кручению. И есть кадр Френе-Серре с физикой. Другое название этого — так называемый гравитационный поворот (но этот термин не совсем корректен).

Аналогичная проблема возникает при входе в капсулу, когда транспортное средство снова ориентировано по углу атаки по отношению к местному ветру. Транспортное средство сгорело бы с любой другой ориентацией.

Это действительно полезное объяснение - прямо в точку. В этих ситуациях, когда угол атаки почти равен нулю, большие силы (тяга и сопротивление) действуют почти по касательной. Это другие, более слабые силы (возможно, гравитационные и центробежные?), которые вносят свой вклад в нормальном и бинормальном направлениях. Могло ли быть вычислительное преимущество во время интегрирования, чтобы реже оценивать эти силы во время итерации? Может ли размер шага быть больше?