¿Cómo se cardan los cohetes para producir un giro de gravedad para el transbordador espacial?

Estoy tratando de simular un giro de gravedad usando un propulsor con cardán. Estoy usando el sistema dinámico descrito en una publicación mía anterior para ejecutar un giro de gravedad cambiando el ángulo ϕ T entre el vector de empuje y el vector de velocidad por un cierto número de grados una vez que el cohete alcanza una cierta altura h t tu r norte y dejando el ángulo del cardán constante hasta que se queme. Después de experimentar con un par de diseños de cohetes, descubrí que necesitaba ángulos bastante grandes para lograrlo (casi 45 grados), y no creo que esto sea realmente factible en la realidad.

Por lo tanto, tengo curiosidad por saber cómo se ejecuta realmente el programa de lanzamiento. Por ejemplo, tome los transbordadores espaciales. ¿Qué tamaño de ángulo de cardán se necesitaba para ejecutar el giro de gravedad? ¿Fue constante o cambió el ángulo con el tiempo (como con un circuito de control automático)? ¿Durante cuánto tiempo estuvieron inclinados los cardanes para producir el giro?

¿Existe una base de datos que muestre los controles del cardán a lo largo del tiempo para que diferentes naves espaciales ejecuten un giro de gravedad?

Respuestas (2)

Gimbaling los motores fuera de la línea que intersecta el centro de masa produce par, lo que produce una tasa de rotación ; si el vehículo es estable, una desviación muy pequeña debería llevarlo al ángulo de cabeceo deseado.

La lógica básica es un bucle de control automático que usa algo así como un controlador PID , generalmente con varias restricciones adicionales, como no exceder un cierto límite de ángulo de ataque. El ángulo real del cardán cambiaría constantemente a lo largo del vuelo, ya que tiene que compensar todas las cosas del mundo real que le suceden al vehículo, como ráfagas de viento, empuje desigual, chapoteo del propulsor, etc.

Las buenas características de un controlador PID bien ajustado son que produce una señal de control más grande (es decir, un ángulo de cardán más grande) cuando está más lejos del objetivo (la parte P-para-proporcional), aumenta su esfuerzo si el control proporcional no se mantiene. por una u otra razón (la parte I-para-integral), y evita la sobrecompensación y la oscilación no deseada alrededor del objetivo (la parte D-para-derivada).

Creo que el ciclo de actualización del transbordador se ejecuta cada 40 milisegundos .

El sistema de guía del Saturn V ajustó la ganancia de las partes proporcional y derivada de su controlador en momentos programados durante el vuelo para ajustarse a que el vehículo se volviera más liviano y en aire menos denso. (No sé si esto implica que su control era PD en lugar de PID). Este documento sobre el sistema de guía de Saturno V podría ser una lectura informativa.

No estoy seguro de dónde está fallando tu sim; Creo que girar los motores principales con cardán a 45 grados y mantenerlos allí hará que el cohete se voltee bastante rápido. (¿Está modelando la distancia entre los motores y el centro de masa correctamente y obteniendo valores de torque razonables a partir de ahí?)

De hecho, no tomé en consideración la distancia de los motores al centro de masa. Simplemente prescribí el ángulo una vez que el vehículo alcanzó una altura determinada. Supongo que tendré que volver atrás y descubrir cómo dar cuenta de esa distancia. ¿Algún consejo en ese frente?
Ah, ¿entonces obtienes el cambio en la dirección de empuje, pero no el par? ¿Y suponiendo que el cohete gira para igualar su vector de velocidad?
Para una aproximación aproximada, puede tratar el cohete como un cilindro por etapa, con el CoG de cada etapa en el centro del cilindro, siendo el CoG total del vehículo la suma ponderada de la masa de los CoG de la etapa, teniendo en cuenta el consumo de combustible para la etapa actualmente en ejecución. Para mi propio simulador de lanzamiento, explícitamente no modelé el ángulo del cardán, sino que supuse que el cohete apuntaba mágicamente a la dirección ordenada.
Para responder a sus preguntas, sí a ambos. simplemente tengo un termino T C o s ( ϕ T ) metro y T s i norte ( ϕ T ) metro en el v ˙ y γ ˙ ecuaciones, respectivamente, donde ϕ T es una constante distinta de cero después de alcanzar una altura objetivo.

Aquí hay algunos conceptos básicos de guía de ascenso del transbordador para que pueda interpretar mi respuesta.

Durante la primera etapa, el transbordador voló un perfil prediseñado (por lo tanto, de bucle abierto) de cabeceo-guiñada-balanceo basado, entre otras cosas, en los vientos medidos del día. (Tenga en cuenta que solo los objetivos de actitud eran de circuito abierto. El transbordador usó un sistema de control de circuito cerrado para volar hacia esos objetivos).

Después de la separación del propulsor de cohetes sólidos, se utilizó un esquema de guía de circuito cerrado llamado guía explícita motorizada, que dirigió el vehículo a sus objetivos de corte del motor principal (MECO). Durante esta fase, la actitud comandada se calculó continuamente.

Entonces, dado que, incluso si el transbordador volaba en una actitud constante, los motores estarían continuamente balanceándose para mantener el vector de empuje apuntando a través del centro de masa a medida que se agotaba el propulsor.

También tenga en cuenta que durante la primera etapa, el control de actitud se controló principalmente a través del control del vector de empuje SRB, debido al enorme empuje SRB y los brazos de momento largos desde las boquillas hasta el centro de gravedad.

Tengo algunas notas que muestran que el gimbal de inclinación SSME central comenzó a unos 4,25 grados en el despegue, aumentó lentamente a un poco más de 5 grados en la SRB sep y luego se movió bruscamente a un poco más de 1 grado en la sep. Durante la segunda etapa, el cardán se movió lentamente y terminó alrededor de 4,25 grados nuevamente en MECO.

Tenga en cuenta que estos ángulos de cardán se miden desde la posición de montaje nula. Como puede ver en esta vista lateral, había un ángulo de inclinación incorporado en la posición de instalación del motor, de modo que la posición de montaje nula apuntaba aproximadamente a través del centro de gravedad promedio.

ingrese la descripción de la imagen aquí

La posición nula instalada para los motores principales izquierdo y derecho es 10° hacia arriba desde el eje X y 3,5° hacia afuera desde una línea central del motor paralela al eje X. La posición nula instalada del motor central es 16° por encima de la línea central del eje X para cabeceo y en la línea central del eje X para guiñada.

Entonces, la deflexión angular máxima desde la línea central del tanque externo que yo sepa sería de aproximadamente 5 grados más el ángulo de montaje nulo de 16 grados, para aproximadamente 21 grados. Dada la configuración bastante extraña del motor montado en el lateral del transbordador, debo decir que su ángulo de cardán de 45 grados es excesivo, especialmente si tiene un vehículo más simétrico.

Fuentes

Presentación general de DOLILU

Manual de operaciones de la tripulación del transbordador 2-13.47

notas personales

Fuera de tema, pero ¿sabes por qué los motores estaban inclinados hacia afuera de esa manera? ¿Evitando la interacción de la pluma o algo así?
para mantener el empuje de cada uno de los motores pasando a través del CoM, para que no haga una voltereta lateral cuando se apague un motor (STS51)
"de modo que la posición de montaje nula apuntaba aproximadamente a través del cg promedio"
Derp, por supuesto. Entendido.
¿Cómo se cardan los cohetes para producir un giro de gravedad para el transbordador espacial?
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