¿Cómo permite la maniobra de balanceo que se eleve más masa a la órbita?

Primero, aclaremos la terminología: "Maniobra de inclinación" o "Giro de gravedad", a veces también llamado "Maniobra de cabeceo". Se le llamó "Programa Roll" en el caso de los Transbordadores Espaciales, porque estaba conectado con un rollo, necesario por razones técnicas pero que no contribuía directamente a la eficiencia del vuelo.

Todos los cohetes (y todos los cuerpos voladores en la Tierra para el caso) están sujetos al arrastre de la gravedad. Ese es un nombre de jerga para la atracción de la fuerza gravitacional que hace que todo caiga a la Tierra si no está suspendido de alguna manera.

Entonces, un cohete solo para flotar sobre la plataforma de lanzamiento, sin elevarse, cada segundo debe quemar suficiente combustible para otorgarle una aceleración de 9.8 m / s ^ 2, solo para alcanzar el equilibrio con la aceleración de la Tierra. Todo eso es un combustible desperdiciado que no contribuye a acelerar el cohete ni a levantarlo, solo evita que caiga.

Comprensiblemente, queremos minimizar este desperdicio, y la única forma de hacerlo es minimizar el tiempo entre el lanzamiento y el momento en que alcanzamos la velocidad orbital, en el que la resistencia gravitatoria se reduce a cero.

La trayectoria de lanzamiento es un equilibrio entre la aceleración horizontal que sirve exactamente para eso, y la vertical, que consiste en reducir la resistencia atmosférica elevando el cohete hacia una atmósfera cada vez más delgada y eventualmente fuera de ella por completo. Entonces, el empuje se divide entre el factor horizontal (reduciendo la resistencia gravitacional) y el vertical (reduciendo la resistencia atmosférica). Esta es la razón por la cual el cohete está inclinado, para comenzar a ganar velocidad horizontal de inmediato, y esta inclinación aumenta a medida que la resistencia atmosférica se vuelve más débil: cuanto mayor sea la velocidad horizontal, menor será también la resistencia gravitacional.

Optimizar esto significa que podemos llegar a la órbita usando menos combustible del que usaríamos si tomáramos una trayectoria no óptima (por ejemplo, lanzar verticalmente hacia arriba y solo luego comenzar a acelerar horizontalmente, mientras que el arrastre gravitacional nos cuesta una fortuna en combustible) y, por supuesto, en su lugar de quemar menos combustible , simplemente aumentamos la carga útil : un cohete que vuela en una trayectoria óptima puede llevar una carga útil mayor que uno con la misma cantidad de combustible que no vuela de manera óptima.

En el caso de los transbordadores espaciales, la maniobra de inclinación se denominó "Programa de giro". Esto se debe a que la maniobra de inclinar el transbordador en la inclinación correcta estaba relacionada con su desplazamiento a la posición "transbordador abajo, tanque y propulsores arriba". Ese giro fue necesario por requisitos estructurales y técnicos: fue una peculiaridad de la construcción del transbordador espacial, la forma irregular, la utilización de sus alas, etc. No es necesario en la mayoría de los vehículos de lanzamiento.

Incluso en el transbordador no era exactamente necesario: lo dictaba la plataforma de lanzamiento y la ubicación del camino de oruga, ya que girar el transbordador en el suelo para lanzar en la orientación de balanceo adecuada sería demasiado engorroso, por lo que se hizo solo después del lanzamiento. Pero a pesar del nombre, la parte de "rollo" del "programa de rollo" era simplemente una peculiaridad técnica de esta construcción en particular. Sin embargo, la inclinación hacia la inclinación adecuada era la parte general de la "ciencia espacial", lo que contribuía a la eficiencia de la embarcación.

Una cosa mencionada fue que permitía que el vehículo levantara más masa. En igualdad de condiciones, no veo cómo la inclinación puede aumentar la capacidad de aumentar la energía potencial de la carga útil.

Todas las cosas no eran iguales. El transbordador no era un vehículo axialmente simétrico.

El programa Shuttle roll se realizó comenzando unos diez segundos después del lanzamiento y duró solo ocho segundos más o menos. Se le llamó el programa de giro porque el efecto principal era hacer girar el vehículo unos 180 grados. Sin esta maniobra, el diseño de la plataforma de lanzamiento habría dictado una orientación de cabeza arriba del Orbiter.

La pila del Transbordador constaba de varias partes, incluido el propio Orbiter, el tanque externo y los propulsores de cohetes sólidos. Volar las cabezas hacia los lados no habría tenido ningún sentido. Las tensiones en los conectores entre esos componentes habrían destrozado el vehículo. Volar en una configuración heads-up tampoco habría tenido mucho sentido. Esto habría resultado en tensiones de tracción entre el Orbiter y el tanque externo. La configuración con la cabeza hacia abajo que era flujo resultó en esfuerzos de compresión.

Si bien volar con la cabeza hacia arriba podría haber sido controlable, que las fuerzas hubieran sido de tracción en lugar de compresión habrían exigido una reducción significativa en la masa de la carga útil para que el vehículo no se rompiera a sí mismo a la presión dinámica máxima (Q máx.) . Esto era parte de lo que el artículo citado de wikipedia quería decir con "Aumentar la masa que se puede llevar a la órbita".

Otro aspecto del programa de balanceo era orientar el vehículo para que estuviera en el rumbo correcto. Un tercer aspecto era hacer que el vehículo empezara a cabecear hacia abajo. Para alcanzar la órbita, un vehículo tiene que ganar altitud y una gran cantidad de velocidad horizontal. Un vehículo que se lanza verticalmente desde el suelo tiene que cabecear hacia abajo a lo largo del lanzamiento para finalmente lograr este curso mayormente horizontal de ocho a diez minutos después del despegue. Idealmente, esto se hace para mantener constantemente el vehículo en un ángulo de ataque cero durante todo el lanzamiento. Si lo hace, se llama un giro de gravedad.

Ninguna nave espacial real realiza un verdadero giro de gravedad. El vehículo tiene que atravesar primero la parte más espesa de la atmósfera. La minimización de las tensiones a la máxima presión dinámica juega un papel clave aquí. El programa de rollo de lanzadera corto preparó el escenario para cuando se produjo el Q máximo. Además de las tensiones en los conectores y la estructura, era muy importante minimizar la tensión en las alas del Orbiter, particularmente en Q máx. Las alas fueron más un estorbo que una ayuda durante el lanzamiento. El Transbordador voló en un ángulo de ataque negativo para mantener las tensiones en las alas al mínimo.

El programa de desplazamiento del transbordador, por corto que fuera, preparó el escenario para el resto del vuelo. Hacerlo bien sí afectó la cantidad de masa que se podría llevar a la órbita.

Casi todos los vehículos de lanzamiento se elevan verticalmente y están diseñados para alcanzar la velocidad orbital, la altitud y la orientación a medida que la etapa superior completa su combustión de inyección.

Considere un vehículo de lanzamiento que se eleva verticalmente. El vehículo acelera para vencer dos fuerzas: la gravedad de la tierra y la resistencia atmosférica.

Imagen de cohetemime.com

Si el vehículo de lanzamiento sube verticalmente todo el camino, alcanzará la altitud necesaria, pero caerá porque no entrará en una órbita alrededor de la tierra. Sin embargo, si el vehículo se lanza horizontalmente, el tiempo que pasa en la atmósfera hará prohibitivo el requerimiento de combustible.

Una trayectoria ideal alcanzará la posición requerida con un gasto mínimo de combustible y una carga mínima en la estructura del cohete (lo que ahorra peso). Esto generalmente se logra mediante el uso de "giro por gravedad" o "giro de elevación cero", que usa la gravedad (que inicialmente es perpendicular al eje longitudinal del vehículo de lanzamiento) para girar el vector de velocidad a medida que asciende hacia la órbita, en lugar de usar el vehículos a bordo de propulsor.

Básicamente, tan pronto como el vehículo despeja la plataforma de lanzamiento, se ejecuta una maniobra de cabeceo (por lo general, balanceando los motores del cohete), dirigiendo parte del empuje hacia un lado y creando un par neto en el vehículo.

Imagen de spaceflightsystems.grc.nasa.gov

Ahora, una pequeña parte de la fuerza gravitacional se dirige perpendicularmente al eje longitudinal. Este es el comienzo del giro de la gravedad. Una vez que se completa el cabeceo, los motores se reinician para apuntar directamente hacia el eje del cohete nuevamente. Desde este punto hasta la inyección en la órbita, el componente de gravedad transversal sigue creciendo (ya que la gravedad gira básicamente el cohete sobre su eje lateral) y hace que el vector de velocidad del vehículo gire hacia el horizonte a medida que asciende (girando la punta del cohete hacia el suelo) .

" Gravity turn - fase 2 " por AndrewBuck - Trabajo propio. Con licencia CC BY-SA 3.0 a través de Commons .

Para un giro de gravedad correctamente ejecutado, esta gravedad es la única fuerza que actúa sobre el cohete que actúa para girar el cohete, ahorrando así combustible (puede haber algunas correcciones debido al viento, sin embargo, estas son insignificantes). Además, el ángulo de ataque se reduce a (casi) cero, lo que reduce las fuerzas aerodinámicas transversales y permite un vehículo más ligero.

El ángulo de cabeceo inicial exacto depende del vehículo de lanzamiento específico, la hora del lanzamiento, el destino orbital, etc.

Para Saturno V , esta maniobra se inicia 000:00:13 segundos después del lanzamiento, después de que el cohete haya despegado unos 450 pies,

Después de despejar la torre, se inicia una maniobra de inclinación y balanceo para lograr la actitud de vuelo y la orientación adecuada para el azimut de vuelo seleccionado. El acimut de lanzamiento es de 90 grados; el acimut de vuelo puede variar entre 72 y 108 grados, según la hora y la fecha del lanzamiento. Desde el final de la maniobra de inclinación hasta la detención de inclinación, el vehículo vuela un programa de cabeceo (sesgado por los vientos del mes de lanzamiento) para proporcionar una trayectoria de elevación casi nula (giro por gravedad).

En el caso del transbordador espacial , la maniobra se inicia antes de que la nave espacial experimente la máxima presión dinámica (denominada "max q").

La maniobra de balanceo se realiza poco antes de que se alcance el q máximo porque esta orientación "con la cabeza hacia abajo" ayuda a aliviar las tensiones que las cargas de presión dinámica causan en la estructura del vehículo.

El segundo factor que debemos tener en cuenta es que, para cada misión, el transbordador debe lanzarse en un cierto ángulo de acimut para insertarse en el plano orbital correcto. Dado que la plataforma de lanzamiento (y, por lo tanto, el transbordador) se encuentra en una posición fija, el transbordador debe realizar una maniobra de balanceo durante el ascenso para orientarse y lograr el ángulo de acimut de lanzamiento deseado.

Es posible que se confunda con los términos utilizados, ya que no siempre significan lo mismo. Hay básicamente 2 maniobras diferentes.

1. Programa Roll como en Roll to align azimut: Aquí el cohete rueda para alinear el eje alrededor del cual cabecea ortogonalmente a su plano orbital deseado (es más complicado, pero esta es la esencia). Esto significa que su giro de gravedad se puede lograr solo con cabeceo, lo que significa que es mucho más fácil de calcular, especialmente en computadoras de vuelo más antiguas. También reduce el riesgo de bloqueo del cardán .
2. Programa de cabeceo: Aquí el cohete (que está alineado con su plano deseado) cabecea para iniciar un giro por gravedad (la mayoría de las veces una trayectoria similar a un giro por gravedad). En un giro de gravedad pura, el cohete mantiene su ángulo de ataque 0 y gira a medida que la gravedad acelera la nave espacial hacia el suelo, si el cohete no apunta hacia arriba, su velocidad compuesta apuntará un poco más hacia abajo. Siguiendo continuamente su vector de velocidad, el cohete realiza un "giro". Por lo tanto, la rotación no es causada por la gravedad, sino por el cohete que sigue su vector de velocidad.

En el caso del transbordador espacial, estas maniobras se combinan en una sola, llamada programa de balanceo. El giro por gravedad es la fuente de las ganancias de rendimiento. Puedes leer más sobre esto en wikipedia