Каков оптимальный профиль ββ\beta (или γγ\gamma) в зависимости от времени для запуска ступени восхождения лунного модуля Apollo?

Когда астронавты Аполлона покидали лунную поверхность на этапе подъема лунного модуля, казалось, что он поднимается вертикально ( β = 0) в течение ~10 секунд, а затем начать "опрокидывание" (видео Аполлона 15 , 16 и 17 ), программа увеличения β знак равно π / 2 γ ) со временем, переходя от вертикального полета к орбитальному, где β просто не хватало π / 2 при выключении АСП.

На видео, особенно видео из окна, видно, что β программа по отношению ко времени не является плавным переходом, а вместо этого имеет дискретные (короткие) интервалы увеличения β с интервалами почти постоянными β между.

ВОПРОС: Учитывая физические и эксплуатационные параметры полностью загруженной ступени подъема, каким будет оптимальный временной профиль β чтобы свести к минимуму использование топлива для достижения начальной лунной орбиты (@RussellBorogove, ответ на другой вопрос) указывает 18 x 87 км) лунной орбиты?

Предположим, запуск осуществляется с сферической луны и из центральной части Моря Спокойствия, чтобы вокруг не было ни гор, ни окраин.

Оптимально для реальной формы Луны и некоторого минимального безопасного расстояния, на котором можно не попасть в горы, или для идеально сферической Луны без учета погрешностей?
@uhoh Они уже связаны. Вам просто нужно нажать на номер рейса миссии Аполлон (15, 16, 17). Я только что проверил ссылки, и они работали нормально. (Я разместил этот же комментарий около 10 минут назад, но он, кажется, исчез; попробуйте, попробуйте еще раз!)
Я откладывал покупку пары очков около десяти лет. Это становится все труднее поддерживать ;-)

Ответы (1)

Учитывая некоторые упрощающие допущения (постоянная тяга, постоянное гравитационное поле, полет в вакууме, над плоской горизонтальной поверхностью), которые не слишком сильно опровергаются случаем восхождения на Луну, известно, что закон линейного тангенциального управления дает оптимальный выход на орбиту:

загар θ знак равно А т + Б

т.е. тангенс угла тангажа тяги изменяется линейно от точки, в которой начинается наведение по вводу, до достижения круговой орбиты. Проблема в том, что A и B не так просто вывести!

Используя самодельную симуляцию с использованием значений начального состояния из отчета о миссии «Аполлон-11» и очень грубой специальной выборки возможных значений для A и B, цифра ∆v, оставшаяся при вставке, в наилучшем случае у меня есть так далеко найдено было для A = -0,002100, B = 0,8040, то есть:

θ знак равно арктический ( 0,8040 0,0021 т )

Где т это время в секундах с момента включения программы наведения. Мой симулятор выполняет фиксированный вертикальный подъем от отрыва до тех пор, пока вертикальная скорость не достигнет 12 м/с, как на фактическом этапе подъема, прежде чем переключиться на этот алгоритм наведения.

Обратите внимание, что это желаемый угол тяги, то есть заданный угол тангажа транспортного средства, а не угол траектории полета. γ что вы просили, хотя они должны иметь тенденцию сходиться к концу прогона. Если вам небезразлично различие, вероятно, есть какое-то исчисление, позволяющее вывести γ из θ , или я могу вытащить данные из своего сима.

Состояние симулятора при вводе и отключении: орбита 18,14 км x 87,58 км, высота 18,36 км, луноцентрическая скорость 1687,57 м/с, оставшееся доступное ∆v 182,18 м/с. Программа подачи начинается при T + 7,21 секунды, а отсечка - при T + 436,66 секунды (примерно на 1,5 секунды раньше номинального и примерно на 1,5 секунды позже, чем фактическое выступление Аполлона-11). Было израсходовано 2218 кг (4889 фунтов) топлива; это выгодно отличается от отчета о планировании миссии с номинальным подъемом, требующим 4966 фунтов, но неясно, связано ли различие с нереалистичными аспектами моей симуляции или с фактическим улучшением траектории. Мне не удалось найти график тангажей для реального восхождения; Я мог бы провести честное сравнение в симуляторе, если бы он у меня был.

Согласно этому очень подробному руководству по программам спуска и подъема LM , руководство по всплытию обновляется с двухсекундным циклом, что приводит к дискретизации высоты тона, наблюдаемой на видео.


: Например: мой смоделированный автомобиль мгновенно принимает заданное положение, тогда как реальный LM этого не делает. Сопло и горловина настоящего подъемного двигателя LM изнашиваются во время полета, немного изменяя его удельный импульс, тогда как мой симулятор использует фиксированное промежуточное значение удельного импульса для всего подъема.

Хм, в моем случае это на самом деле ориентация, а не угол траектории - я привык к случаю подъема на околоземную орбиту в атмосфере, где они очень близки. Я думаю, что закон касательной применим к направлению тяги, а не к траектории полета; позвольте мне рассмотреть. Хороший улов.
Мой γ сейчас θ s и теперь все должно быть несколько менее неправильно.
Первоначально я пытался сделать это аналитически с гравитацией 1/r ^ 2 и сферической луной (и с некоторыми из тех же упрощающих предположений, таких как постоянная тяга и удельный импульс, мгновенные изменения положения), но я получил неразрешимую (для меня! ) дифференциальное уравнение. Так что я начал с самодельного орбитального интегратора. Я не был знаком с законом тангенса (спасибо за эту подсказку!), но то, что я получил, выглядит довольно похоже на арктангенс. Я также получаю время горения (и, следовательно, расход топлива) немного меньше, чем профиль Аполлона-11.
Я тоже хочу "поиграть в симулятор"! Какую начальную массу, тягу (и, возможно, ISP) вы, ребята, примерно используете?
@uhoh Я использую Mo = 4672 кг, Isp (среднее) = 311 с, F = 15569 Н (3500 фунтов силы) для M-точки 5,1048 кг/с, GM-луна = 4902,8 км^3/с^2 , R-луна = 1737,1 км.
Мои цифры взяты из отчетов миссии A11; Mo = 4888 кг, Isp 309 с, F = 15408 N (Mdot 5.085ish). ГМ-мун 490 4 .8.
Я думаю, что это тот, но, как вы упомянули, вы на нем.
Могу поспорить, что вы правы насчет мертвой зоны по высоте.