Почему наиболее эффективно изменять наклонение орбиты при пересечении экватора?

В T+26:31 в прямой трансляции миссии SpaceX ANASIS-II ведущий упоминает, что траектория миссии требует изменения наклонения орбиты, которое выполняется, когда орбита второй ступени и полезной нагрузки пересекают экватор, чтобы минимизировать затраты энергии на маневр. ( он говорит, чтобы максимизировать эффективность маневра, так что я немного перефразирую )

Почему это? Почему наиболее энергоэффективно изменять наклонение орбиты при пересечении экватора?

Крайний пример: если вы находитесь на полярной орбите и выполняете маневр над полюсом - вы все еще находитесь на полярной орбите.

Ответы (4)

Почему наиболее энергоэффективно изменять наклонение орбиты при пересечении экватора?

В частности, наиболее эффективно выполнять изменение плоскости в одном из двух «узлов», где исходная плоскость орбиты пересекается с плоскостью назначения . ANASIS-II предназначен для геостационарной орбиты, поэтому его целевой плоскостью является плоскость экватора.

Любая орбита вокруг одного массивного тела лежит в одной плоскости. Должно быть ясно, что вы не можете выйти на орбиту в экваториальной плоскости ни в какой точке, кроме как в точке непосредственно над экватором. Исходя из любой неэкваториальной орбиты, на орбите есть две точки, где плоскости пересекаются. Если вы попытаетесь выйти на конкретную целевую орбиту из любого другого места, вы просто отодвинете точку пересечения немного дальше по орбите.

(Это очень легко продемонстрировать в космической программе Kerbal, но трудно выразить словами!)

В первой части ответа говорится, что маневр наиболее эффективно выполнять в восходящих/нисходящих узлах, а во второй части говорится, что его даже невозможно выполнить где-либо еще. Я думаю, что это второй, не так ли? Если вы хотите маневрировать с одной орбиты на другую, ожог должен происходить там, где орбиты пересекаются.
Выполнение ожога в другом месте, кроме пересечения, изменит вашу орбиту, но не на орбиту в экваториальной плоскости. Чтобы выйти на орбиту в экваториальной плоскости после этого прожигания без пересечения, вам понадобится новый прогон — в новой точке пересечения. Так что в этом смысле сжигание в другом месте делает процесс менее эффективным — «никогда нет времени сделать это правильно, всегда есть время сделать это заново».
+1 за упоминание космической программы Kerbal. Просто просмотрев туториал этой игры, вы узнаете много нового о том, как работают орбиты. (Хорошо, +1 также за отличный ответ)
@RossPresser Вы можете прожечь в другом месте, чтобы поднять восходящий / нисходящий узел, затем выполнить прожиг с изменением наклона на более высоком AN / DN и выполнить окончательный прожиг, чтобы вернуться к исходной орбитальной высоте. Для больших изменений наклонения, когда AN/DN низкое, это может быть более эффективным, чем просто прямое изменение наклонения на исходной орбите. Запись в другом месте может фактически сделать процесс более эффективным в некоторых случаях, хотя вам всегда нужно записывать в AN/DN, чтобы получить правильный наклон. Тем не менее, для такого небольшого изменения наклона, как этот, однократный прожиг почти наверняка будет лучшим.
@NuclearWang, если вы сделаете прожиг где-то еще, вам нужно будет сделать второй прожиг, чтобы закончить смену плоскости позже, когда вы пройдете через новый узел. Суммарная тяга этих двух прожигов больше, чем у одиночного прожига в исходном узле. Тем не менее, иногда это стоит делать, если вы уже выполняете прожигание в первом месте (например, чтобы изменить высоту орбиты), потому что объединение двух маневров в одно прожигание более эффективно, чем выполнение их по отдельности.
@NuclearWang Хотя технически это верно, если вы пойдете по пути повышения AN / DN, стоимость, несмотря на то, что она ниже, чем прямое изменение наклона, все равно будет настолько огромной, что ставит под сомнение все усилия. Это чисто теоретическое занятие, с такими ужасными начальными параметрами миссию начинать никто не будет. Как правило, изменения наклона ужасно дороги, и любые (слабые) методы снижения затрат появляются только далеко за порогом «слишком дорого в любом случае».
@Mark Это не всегда так, подход с несколькими прожигами может быть более эффективным, даже если он выполняет только изменение наклона. Для больших изменений угла наклона примерно в 45 градусов и более повышение апоцентра, изменение наклона, а затем снова понижение апоцентра потребует меньшего значения дельта-v, чем прямое изменение наклона. Но SF прав, это дорогостоящий маневр в любом случае, который вряд ли произойдет в реальной жизни, поскольку вы можете смягчить его с помощью лучшего планирования миссии (хотя я, кажется, делаю это все время в KSP).

Большим подспорьем для интуиции является запоминание одного принципа изменения орбиты: если двигатель выключен, орбитальный аппарат всегда возвращается в ту же точку на один виток позже .

Таким образом, для любого изменения орбиты, если вы хотите сделать только короткий прожиг, оно должно быть в точке, которая является общей как для текущей орбиты, так и для целевой орбиты. Это относится к изменениям наклонения, изменениям высоты и практически любому изменению орбиты. Если орбиты не имеют общей точки, изменение требует двух прогонов и промежуточной орбиты, такой как переходная орбита Хомана .

Как и в деталях ответа Рассела, для геостационарной целевой орбиты эти общие точки всегда находятся над экватором. Например, для полярной целевой орбиты точки будут где-то еще.

Это должен быть принятый ответ. Ключевым моментом является то, что изменения орбиты выполняются короткими импульсами тяги. Если бы у вас была непрерывная тяга, вы могли бы перейти от любого наклонения к экваториальной орбите, путешествуя по любой желаемой траектории.
@ysap Я не понимаю, как непрерывный / дискретный характер тяги имеет здесь большое значение. С постоянной тягой вы будете запускать двигатели дольше, но вам все равно придется гореть при пересечении экватора, чтобы выйти на экваториальную орбиту. Если ваш ожог не заканчивается, когда вы находитесь над экватором и только выходите на экваториальную орбиту, вы не достигнете экваториальной орбиты. Независимо от тяги, вы можете двигаться только между орбитами, где они пересекаются, хотя я полагаю, что непрерывная тяга дает вам континуум орбит для движения. Но вам всегда придется гореть выше экватора.
@NuclearWang - рассмотрите идеально непрерывные и идеально импульсивные трасты. С первым вы могли бы выбрать любой путь, который вы хотите, чтобы добраться до экваториальной траектории. Вы можете продолжать гореть, находясь на траектории, чтобы изменить ее эксцентриситет. С последним у вас есть «один выстрел». Тогда, как вы правильно заметили, вы должны быть на целевой траектории при смене направления.
@ysap Верно, но эти другие пути, как правило, будут менее эффективными, чем импульсный прожиг в восходящем / нисходящем узле, и в конечном итоге все равно потребуют прожигания над экватором. Я не считаю природу тяги здесь ключевым моментом, поскольку она ничего не меняет в том, что теоретически наиболее эффективно, или в том факте, что горение должно в какой-то момент произойти над экватором. Непрерывное горение просто позволяет вам добраться туда менее эффективно, двигаясь по континууму связанных орбит и заканчиваясь горением над экватором, как и импульсная тяга.
Конечно, они будут менее эффективными! Вот почему они делают однократный импульсный маневр.
И именно поэтому я написал - "ключевой момент" в своем первоначальном комментарии.
@ysap Каждое прожигание можно считать непрерывным или дискретным в зависимости от соответствующей временной шкалы. В частности, самые эффективные ожоги, с которыми мы можем справиться, не являются мгновенными. Какими бы короткими ни были импульсы тяги, они все равно охватывают бесконечное количество орбитальных плоскостей, когда корабль выходит на правильную орбитальную плоскость. Очевидно, что желательна максимально короткая пробивка, и прожиг, который заканчивается в точке в правильной плоскости. Если ваша цель не только выйти на конкретную орбиту, но и отследить конкретную траекторию, то, конечно, ваш прожиг будет дольше.
@jpaugh - Послушайте, в реальном мире нет мгновенной тяги для изменения траектории. Это будет означать бесконечный импульс и бесконечную тягу. Для сжигания топлива требуется время. Но в идеальном мире, однако, вы могли бы это предположить. Это приближение 1-го порядка к вашему окончательному расчету и очень хорошая отправная точка. В 99% случаев ваша цель — свести к минимуму расход топлива для данного маневра. Это причина, по которой вы меняете орбиты (близкие к) одной из двух точек пересечения двух орбит.
@ysap Полностью согласен с вашим последним комментарием. Я хочу сказать, что «непрерывный против мгновенного» — это отвлекающий маневр, поскольку — независимо от запланированной траектории — вы, конечно, будете использовать самые короткие и наименьшее количество импульсов, с которыми вы можете справиться. Поскольку вы перефразировали и повторили мой комментарий (имеется в виду, что вы его понимаете), я сбит с толку вашим предыдущим комментарием об «идеально непрерывном и идеально импульсном толчках».
@ysap Под «идеально непрерывным» вы говорите о теоретической конструкции двигателя, в которой непрерывное горение более эффективно, чем короткое?
@jpaugh - не совсем так. Я думаю о ракетном двигателе и космическом корабле, который мог бы гореть на всем пути от начальной точки на любой орбите до конечной точки на экваториальной орбите. Обсуждение больше касается расхода топлива, чем реализации двигателя. Гореть постоянно менее эффективно, чем гореть короткими импульсами.

Это не просто самый эффективный способ, это единственный способ достичь этой конкретной целевой орбиты.

Как указывалось в других ответах, изменение наклонения орбиты должно происходить в так называемых восходящих/нисходящих узлах, которые являются двумя точками на орбите, в которых пересекаются текущая и целевая орбитальные плоскости. Всякий раз, когда космический корабль перемещается с одной орбиты на другую, исходная и целевая орбиты всегда имеют по крайней мере одну общую точку — там, где произошел ожог. Если вы хотите перейти с наклонной орбиты на экваториальную, ожог должен произойти в одном из двух локусов, где пересекаются плоскости, обе из которых находятся над экватором. Если вы не выполняете прожиг там, где пересекаются орбиты, вы никогда волшебным образом не преодолеете расстояние между ними и никогда не достигнете целевой орбиты.

Регулировка наклонения для выхода на экваториальную орбиту должна происходить над экватором - это не просто самый эффективный способ, это единственный способ сделать это. Потенциально вы можете повысить эффективность своего маневра, минимизировав скорость космического корабля и связанное с этим изменение дельта-v, которое требует перехода на большую орбиту, выполнения изменения наклонения и возвращения на исходную орбиту. Но даже если вы перейдете на более широкую орбиту, изменение наклонения все равно произойдет над экватором.

Вы можете отрегулировать наклонение либо в восходящем, либо в нисходящем узле, и будет эффективнее сделать это в том, у которого более высокая орбитальная высота, поскольку скорость космического корабля будет ниже. Таким образом, вполне возможно, что рассматриваемая миссия решила выполнить сжигание на восходящем или нисходящем узле специально, чтобы максимизировать эффективность. Но то, что маневр произошел над экватором, к эффективности вообще не имеет никакого отношения — он ведь необходим , если вы переходите на экваториальную орбиту с нулевым наклонением.

Подводя итог, нельзя выйти на экваториальную орбиту откуда угодно, кроме как над экватором .

Ваша последняя фраза абсолютно верна.

В случае с ANASIS-II ситуация гораздо сложнее, чем можно объяснить за десять секунд прямого эфира. Некоторые общие правила, касающиеся смены самолета:

  1. Вы можете изменить плоскость только в точке, где плоскость вашей текущей орбиты пересекает плоскость целевой орбиты.
  2. Чем быстрее вы едете, тем больше топлива требуется для пересадки.
  3. Из-за того, как работает сложение векторов, выполнение изменения плоскости одновременно с изменением высоты более эффективно, чем выполнение двух действий по отдельности.

Целевой орбитой для ANASIS-II является геостационарная орбита. Чтобы добраться туда со стартовой площадки Космического центра Кеннеди, требуется три маневра:

  1. Переход плоскости на экваториальную орбиту, проходящий над экватором.
  2. Вывод на геостационарную переходную орбиту, проходящий над экватором.
  3. Циркуляризация с переходной геостационарной орбиты на геостационарную орбиту, происходящая над экватором.

Заметил что-то? Все три маневра должны выполняться над экватором, поэтому маневр 1 можно комбинировать либо с маневром 2, либо с маневром 3, и, согласно приведенному выше правилу 2, наиболее эффективно комбинировать его с 3, циклическим сжиганием (спутник на верхнем конце). переходной орбиты движется гораздо медленнее, чем на нижнем конце).

Так почему же запуск ANASIS-II сочетал в себе смену самолета и вставку? Потому что мог. Верхняя ступень Falcon 9 может нести больше топлива, чем необходимо для вывода ANASIS-II на геостационарную переходную орбиту, поэтому она использовала это дополнительное топливо для смены самолета. Это уменьшает количество топлива, которое ANASIS-II необходимо потратить, чтобы выйти на целевую орбиту, увеличивая количество топлива, оставшееся для поддержания станции.

(Если вы обратите пристальное внимание, вы заметите, что линия траектории «после» маневра не следует за экватором. Изменение плоскости на 28,5 градусов на низкой околоземной орбите дорого обходится, а разгонный блок Falcon 9 может t нести достаточно топлива, чтобы сделать это. Тем не менее, даже частичное изменение означает сокращение количества изменений, необходимых во время циркуляризации.)

Ух ты! Это самый полный и понятный ответ, который я получил! Теперь это имеет полный смысл, и я думаю, это объясняет, почему я не помню, чтобы слышал о маневре смены самолета на каких-либо других запусках F9 с привязкой к GTO...
Итак, вы говорите, что «Сокол» выбрал вариант с более высоким расходом топлива, чтобы спутнику не нужно было сжигать столько собственного топлива?
@jpaugh, да. Топливо — не самая дорогая часть ракеты Falcon 9, поэтому, если вам нужна дополнительная мощность, нет причин не запускать ее с полными баками.
Почему наиболее эффективно изменять наклонение орбиты при пересечении экватора?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v