¿Cómo se controla el corte del motor cohete?

En un típico lanzamiento de un satélite moderno, ¿qué desencadena el corte de los motores de cohetes de la etapa de inserción orbital?

Puedo pensar en tres posibilidades básicas:

  1. Calcule cuánto combustible necesita para la trayectoria, cargue exactamente esa cantidad y queme todo el combustible
  2. Lleve un poco de combustible extra y apague los motores en un momento específico
  3. Lleve un poco de combustible extra y apague los motores cuando la telemetría indique que está en la altitud y la velocidad deseadas

Los dos primeros parecen ser susceptibles a pequeñas variaciones en las condiciones atmosféricas, el rendimiento del motor, etc.

Un ejemplo histórico: la segunda etapa del Apolo 13. El motor central se apagó antes de tiempo debido a la oscilación pogo, cuando la presión del combustible cayó por debajo de un umbral de apagado que estaba destinado a garantizar que el motor se detuviera limpiamente cuando la etapa comenzó a quedarse sin combustible (lo que implica que la opción 1 es un poco incierta). ; no todo el combustible se va a quemar).

Para compensar, simplemente corrieron la segunda etapa por más tiempo. ¿Fue un resultado natural de consumir todo el combustible restante a través de cuatro motores en lugar de 5 (lo que implica la opción 1), o tuvieron que ordenar explícitamente un tiempo de corte posterior (lo que implica la opción 2), o la compensación fue completamente automática (opción 3) ?

Tenga en cuenta que estoy preguntando sobre el lanzamiento inicial y la fase de inserción orbital, no sobre el ajuste fino de la órbita y/o el encuentro con un objetivo a través de múltiples quemaduras incrementales.

Respuestas (1)

La opción #1 está descartada. Siempre llevas más combustible del que crees que necesitas. Entonces traes un poco más todavía. SpaceX acaba de mostrarnos lo que sucede cuando no haces eso.

La opción #2 todavía se usa hasta cierto punto. Inicialmente, los cohetes usaban encendidos cronometrados, pero los sensores mejorados y las computadoras a bordo conducen a una mejor manera. Rusia todavía usa quemaduras programadas desde el principio. Utiliza otros enfoques cuando se necesita un control más preciso. A Estados Unidos le gustan los enfoques más extravagantes en todo momento. Esto cuesta más pero es más preciso.

La opción #3 se usa hasta cierto punto, durante algunas fases del vuelo. Hay un problema: no se puede hacer como se indica en la pregunta. Si el cohete llega a la altura deseada no estará a la velocidad deseada, y si llega a la velocidad deseada no estará a la altura deseada. En cambio, lo que sucede es que, en el camino, el vehículo ajusta su trayectoria para que se acerque a tener la velocidad correcta cuando el vehículo alcance la altitud deseada. Luego se apaga cuando cree que ha alcanzado la altitud objetivo.

Una opción relacionada es calcular el delta v necesario para pasar de la órbita actual a la órbita deseada y detener el empuje cuando el delta v acumulado detectado alcanza el valor deseado.

Hay un problema adicional: el vehículo no está donde cree que está, ni va a la velocidad que cree. El delta v acumulado detectado también es erróneo. Esto trae a colación la necesidad de opciones adicionales.

Opción #4: Hacer correcciones en el camino. Las quemaduras tienden a ser cortas una vez que el vehículo está en órbita. El vehículo solo empuja todo el tiempo durante el lanzamiento. Después de eso, los vehículos espaciales usan una estrategia de quemar-costa-quemar. Esto le da tiempo al vehículo para darse cuenta de que la quemadura que inició la transferencia no estaba del todo bien. Las quemas de corrección vuelven a colocar el vehículo en una trayectoria que más o menos lo llevará al lugar deseado, a la velocidad deseada y en el momento adecuado.

Opción #5: No lo hagas todo a la vez. Nadie va desde el lanzamiento hasta la órbita objetivo. Todos se acercan sigilosamente al objetivo. Un vuelo directo desde tierra a la Estación Espacial Internacional tomaría unos diez minutos. El vehículo de transferencia automatizado a veces tarda muchos días en llegar desde el suelo hasta la Estación Espacial Internacional. Incluso el lanzamiento rápido de Soyuz tarda seis horas.

Re. #3, eso me parece un poco contrario a la intuición; Siento que podría obtener cualquier par de (altitud, velocidad, fase orbital) con control de actitud durante la quema (pero mi intuición probablemente esté equivocada). Re. #4 y #5, editaré mi pregunta para aclarar que estoy preguntando sobre el lanzamiento inicial y la fase de inserción orbital. Específicamente, no estoy preguntando sobre el ajuste fino de la órbita con quemaduras separadas, ni sobre órbitas de encuentro.
El vehículo hace correcciones de bucle cerrado hasta arriba (o desde la terminación de la primera etapa, que a menudo sigue siendo una guía de bucle abierto). En el momento en que se alcanza el gatillo que termina el empuje, el vehículo está cerca de estar en el punto deseado de la órbita deseada. La guía explícita motorizada utilizada en el transbordador usó VGO (velocidad para avanzar) como disparador. Muchos esquemas de guía de ascenso todavía usan variantes de PEG.
Su respuesta implica que el límite del umbral de velocidad lo realiza la estimación de velocidad integrada a bordo del vehículo; ¿La velocidad determinada desde el suelo es menos precisa o hay otra razón?
No es una simple integración numérica de la salida del acelerómetro. (De hecho, no puede ser porque el vehículo gira mientras sube). El sistema de navegación determina el estado del vehículo mediante el filtro Kalman que recibe una serie de entradas, como sensores de navegación y GPS. El ruido y los sesgos en los sensores de navegación se muestran como una discrepancia entre la posición integrada y la posición del GPS. Este error de posición calculado está fuertemente correlacionado con el error de velocidad de estado, lo que significa que la velocidad recibe una actualización de Kalman junto con la posición.
Con respecto a confiar en la telemetría terrestre, eso agrega varios puntos de falla y, por lo tanto, un riesgo de seguridad significativo. La seguridad dicta que es mejor si los regímenes activos de vuelo son más o menos autónomos. El suelo monitorea los problemas y ocasionalmente envía comandos a la nave espacial. Pero un enlace de datos continuo y en tiempo real que es esencial para el correcto funcionamiento de la nave espacial, es una mala idea.
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