Облет Земли перед полетом на Луну

Каждая из лунных миссий «Аполлон» («Аполлон 8-17») выходила на околоземную орбиту сразу после запуска. Затем каждая миссия покидала Землю после нескольких витков, сжигая двигатель S-IVB, и направлялась к Луне. ( https://en.wikipedia.org/wiki/Apollo_program#Lunar_mission_profile )

На странице Википедии говорится, что орбита Земли была необходима «для проверки готовности систем космического корабля», но мне любопытно, как это повлияло на потребности в топливе и другие аспекты навигации. Потребовалось бы для полета к Луне прямо со стартовой площадки больше или меньше топлива? Если первый полет на орбиту Земли менее эффективен, сколько дополнительного топлива потребуется по сравнению с прямым выходом?

В дополнение к ответу Рассела обратите внимание, что в случае неисправности бустера в любой точке между режимом III и TLI возможен выход на околоземную орбиту. Любое прерывание до TLI означало, что вы потеряли всю миссию на Луну (даже не как Аполлон-13, который, по крайней мере, обогнул Луну и сделал несколько ее снимков), но выход на околоземную парковочную орбиту значительно увеличил окно, в котором проблемы могли быть решены. с. (Сравните с «Аполлоном-12»: без парковочной орбиты это могло быть абортом.)

Ответы (3)

Переход с поверхности Земли прямо на орбиту Луны без остановки на НОО дал бы незначительную экономию — в зависимости от ваших предположений, может быть, 20 м/с на ∆v (и расходные материалы на 2-3 часа). 1

Согласно Apollo By The Numbers и моделированию Боба Бреунига , бюджет ∆v для запуска на орбиту плюс транслунный впрыск для миссий Apollo составляет около 12250 м/с, так что любая разница будет намного меньше 1% от бюджета топлива.

  1. Предполагая выход на круговую орбиту по линии Кармана в любом случае, затем в первом случае выполняя два перехода Хомана , с линии Кармана на парковочную орбиту 160 км, затем с парковочной орбиты на лунную высоту; а во втором случае - одиночный переход Хомана с линии Кармана на лунную высоту. Миссии Аполлон прошли более быструю траекторию, чем Хохманн (экономия времени в пути на 2 дня в каждую сторону), но разница между орбитальной и беспосадочной версиями, вероятно, очень похожа.
Орбита Хомана от Земли до НОО не вариант.
Но орбитальная скорость на земном радиусе минус скорость на поверхности Земли одинакова как в случае прямого обращения к Луне, так и в случае НОО-парковочной орбиты, поэтому все должно работать одинаково; представьте себе сферическую планету <strike>cow</strike> без трения без атмосферы и ракету, разгоняющуюся до орбитальной скорости на поверхности.
Вы пытаетесь сделать горизонтальный взлет у поверхности земли, и это будет плохо. Опять же, достижение орбитальной скорости на поверхности Земли не входит в картину. Основной горизонтальный прожиг производится над земной атмосферой. В течение короткого времени практически все траектории проходят на высоте нескольких сотен километров над землей, двигаясь горизонтально со скоростью 7,7 км/с.
Если я понимаю, к чему вы клоните, то цифра 100 м/с будет верхней границей разницы?
The Δ в требования в основном охватывают три компонента: достижение орбитальной высоты, достижение орбитальной скорости и преодоление атмосферного сопротивления. Потери на сопротивление примерно одинаковы для любой целевой орбиты, потому что эта часть полета практически одинакова для любого запуска. Выход на орбиту по высоте и скорости можно разбить на отдельные маневры без изменения общего Δ в поскольку это просто вопрос передачи энергии в нужное время, а все силы консервативны. Так что особой разницы нет.
Переход Хомана со 100-километровой линии Кармана на 160-километровую парковочную орбиту Аполлона составляет ∆v 35 м/с, так что разница все же есть; чистая экономия около 70 м/с для беспосадочного полета. Я отредактирую соответственно.
Упс, ошибка таблицы. Разница составляет 20 м/с, а не 70, если мы используем К-линию в качестве опорной высоты.
Зачем нужно устанавливать орбиту в 100км? Можно ли никогда не набирать скорость по горизонтали и разгоняться прямо с Земли на лунную орбиту?
@SamHallerman это возможно, но очень неэффективно, поскольку вы боретесь с гравитацией на всем пути. (Я сделал это в космической программе Kerbal, например, нужна была большая ракета)
@SamHallerman, проблема с пространством не становится достаточно высокой, она становится достаточно быстрой . Представьте себе одну из тех монетных воронок, когда вы кладете монету в прорезь, и она вращается все быстрее и быстрее, закатываясь в середину. Вот что такое гравитационный колодец. Если бы ваша монета могла как-то ускориться, она бы вылетела из воронки вверх, а не опустилась бы в нее. Корабль «Аполлон» сделал то же самое: они ускорились, чтобы выйти из-под земного притяжения, пока не подошли достаточно близко к Луне, чтобы попасть в ее (довольно меньший) гравитационный колодец.
@SamHallerman Если вас интересует механика космической орбиты, поиграйте в Kerbal Space Program (и убейте большое количество кербалов). Физика далека от совершенства, но она достаточно хороша. Опыт вывода космического корабля на орбиту Мун (Луны) с последующим возвращением на Кербал (Землю) в KSP является настоящим образованием; и поощряется «обман», «не проектируя все самостоятельно» (копируйте, копируйте, копируйте!), Поскольку проблемное пространство достаточно обширно, и вам нужна вся помощь, которую вы можете получить.
Отправиться прямо на Луну было бы проще, но оставило бы гораздо меньше места для решения проблем. Дело в том, что их ракета была LH2/LOX — она подвергалась выкипанию.
@lorenpechtel Ваш комментарий не имеет смысла. Время, проведенное на парковочной орбите, означает больше выкипания, чем немедленная установка.
Хорошо, начать с орбиты высотой 100 км более реалистично, чем предположить орбиту на поверхности земли. Тогда переход на орбиту стоянки 160 км перед отправлением в TLI будет стоить дополнительных 20 метров в секунду, как вы говорите. Примерно полпроцента. Но даже запуск со 100-километровой орбиты — это с натяжкой. Смотрите цитату Таунсенда в моем ответе. Большинство траекторий достигают орбитальной скорости на высоте нескольких сотен километров. Но я отменю свой голос против, так как вы говорите «незначительная экономия».
Да, я на грани удаления.

На странице Википедии говорится, что орбита Земли была необходима «для проверки готовности систем космического корабля», но мне любопытно, как это повлияло на потребности в топливе и другие аспекты навигации.

Использование парковочной орбиты, скорее всего , позволило сэкономить топливо по сравнению с прямым транслунным выведением. Прямой выход на окололунную траекторию сэкономил бы крошечное количество топлива по сравнению с этой потребностью, добавив орбиту стоянки, если бы все прошло идеально. Однако ничто никогда не работает идеально. Тяга ракет меняется, а навигационные датчики несовершенны. Запуск в эпоху Аполлона был в значительной степени процессом расплаты ; в эпоху Аполлона не было такой вещи, как GPS.

Это означало, что во время запуска накапливались навигационные ошибки. Запуск прямо на транслунную траекторию означал бы исправление этих ошибок и ошибки выведения после запуска+выведения. Это более чем компенсировало бы крошечные дополнительные затраты на вывод транспортного средства на парковочную орбиту перед транслунной инъекцией. На парковочной орбите большинство ошибок запуска было исправлено за счет транслунной инжекции. Корректирующие ожоги по-прежнему требовались, но они были намного меньше, чем те, которые потребовались бы для прямого запуска.


Что еще более важно, использование парковочной орбиты сделало возможным выполнение миссий. Прямой транслунный запуск потребовал бы мгновенного стартового окна. Запуск пришлось бы отложить на сутки (а может, и на несколько месяцев), если бы что-то пошло не так во время обратного отсчета в случае прямого выведения на транслунную траекторию. Планировщики миссии считали, что 2,5-часовое окно запуска было минимумом, необходимым для того, чтобы иметь разумные шансы на успех. Уже одно это исключало возможность пуска прямо на транслунную траекторию.

Что-то действительно пошло не так во время обратного отсчета в двух миссиях Аполлона. Аполлон-14 запустился с опозданием на 40 минут из-за проблем с погодой, а Аполлон-17 запустился с опозданием на 2 часа 40 минут из-за автоматического отключения на секундной отметке Т-30.


То, что НАСА использовало парковочную орбиту в качестве средства проверки готовности систем космического корабля к продолжению миссии, было дополнительным преимуществом использования парковочной орбиты. Это не было основным драйвером. Основной движущей силой было то, что использование парковочной орбиты сделало миссии выполнимыми.

В эпоху Аполлона не было GPS, но были спутники Транзит , гораздо более простая спутниковая навигационная система.
@Uwe, Transit нельзя было использовать для обнаружения космического корабля. Он использовал комбинацию времени, доплеровского сдвига и характера изменения доплеровского сдвига для определения местоположения приемника. Это хорошо работает только тогда, когда приемник неподвижен или почти неподвижен: подводные лодки получают хорошую точность, корабли — приемлемую точность, самолеты — плохую точность, и «Аполлон» мог только сказать, что он находился где-то поблизости от Земли.
@Mark Да, это правда, Транзит не пригодился ни для одного космического корабля. Если подводная лодка поднималась на поверхность только на короткое время, чтобы поймать единственный пролет Транзита, подводная лодка не знала, находится ли она слева или справа от наземного пути Транзита. Потребовалось два облета, чтобы исключить неправильное местоположение.

Достижение орбитальной скорости на земной поверхности нецелесообразно из-за земной атмосферы. Сначала корабль должен подняться над атмосферой, а затем достичь орбитальной скорости.

После набора высоты наиболее эффективным способом достижения орбитальной скорости является горизонтальное горение. Вы можете сделать основной прогрев вдоль ненулевого угла траектории полета, но тогда вертикальная составляющая тяги будет страдать от гравитации.

введите описание изображения здесь

Как правило, первая часть траектории космического корабля почти вертикальна, но затем наклоняется к востоку, чтобы придать вектору тяги большую горизонтальную составляющую по мере того, как атмосфера становится тоньше.

Когда корабль находится над атмосферой, он сильно горит и движется под почти нулевым углом траектории полета (другими словами, горизонтально).

Таким образом, прямой выход на лунную орбиту потребует достижения горизонтальной скорости 10,9 км/с над атмосферой. Но в какой-то момент во время этого горения корабль будет двигаться с горизонтальной скоростью 7,8 км/с. В этот момент я бы сказал, что корабль находится на орбите. После достижения орбитальной скорости корабль мог продолжать стрельбу, чтобы достичь еще 3,1 км / с для транслунной высадки (TLI).

Или он может отключить двигатели после достижения орбитальной скорости, а оставшиеся 3,1 км/с TLI сгорят позже. В чем разница дельта V? Нуль.

Из методологии симулятора запуска Джона Шиллинга pdf :

Методика Таунсенда начинается с предположения, что все космические запуски состоят из прямого подъема на низкую круговую орбиту стоянки, за которой следует серия маневров на орбите до конечной целевой орбиты. Фактически многие ракеты-носители летают только по траектории прямого подъема, даже на высокую или некруговую орбиту. Однако наблюдение за этими траекториями почти всегда обнаруживает, что ракета-носитель на высоте в несколько сотен километров ускоряется почти горизонтально за счет локальной круговой орбитальной скорости. Можно упростить проблему, рассматривая это как мгновенную «парковочную орбиту», достигаемую путем прямого подъема, и со всем последующим полетом с двигателем, рассматриваемым как «маневр на орбите».

Акцент добавлен мой.

Опять же, практически все траектории какое-то время находятся на низкой околоземной орбите. Иногда очень кратко, иногда на расширенной парковочной орбите.

Облет Земли перед полетом на Луну
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v