¿Cuánto delta-v he usado aquí? ¿Cuál es la ecuación "oficial" para delta-v del empuje paramétrico?

Tomé un descanso de Stack Exchange, me subí a mi vehículo espacial y volé el siguiente garabato:

a X = porque ( 10   t )
a y = pecado ( 5   t )
a z = porque ( 2   t )

a partir de xyz = [-0.01, 0, -0.05]y v_xyz = [0, -0.2, 0]con un tiempo total de vuelo de 2 π .

Cuando llegué a casa, me dijeron: "Oh, ese fue un garabato de lissajous encantador, pero ¿ cuánto delta-v le pusiste al auto? "

Dije "Oh, no mucho" y me dirigí directamente a mi computadora para volver a Stack Exchange.

Pregunta: ¿Cuánto delta-v usé?

  1. Si tengo un vector de aceleración (igual que el vector de empuje; supongamos que la masa no cambia) en función del tiempo F ( t ) ¿Cuál es la expresión integral general para delta-v total que debo usar?
  2. Si alguien buscó mi viaje en Horizons y obtuvo mis vectores estatales X ( t ) y v ( t ) y tenían un integrador numérico y un interpolador, ¿cuál es la expresión integral general para delta-v total que deberían usar?

"puntos de bonificación" por incluir un script de Python en su respuesta

trayectoria ondulada trayectoria ondulada

Gráfica 3D de posición (retornos al origen) y gráficas de componentes de velocidad

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D
from scipy.integrate import odeint as ODEint

def deriv(X, t):
    x, v = X.reshape(2, -1)
    ax = np.cos(10*t)
    ay = np.sin(5*t)
    az = np.cos(2* t)
    return np.hstack((v, [ax, ay, az])) 

times = np.linspace(0, 2*np.pi, 1001)

X0 = np.hstack(([-0.01, 0, -0.05], [0, -0.2, 0]))

answer, info = ODEint(deriv, X0, times, full_output=True)

xyz, vxyz = answer.T.reshape(2, 3, -1)

fig = plt.figure()
ax  = fig.add_subplot(1, 1, 1, projection='3d', proj_type = 'ortho')
x, y, z = xyz
ax.plot(x, y, z)
ax.plot(x[:1], y[:1], z[:1], 'ok')
ax.plot(x[-1:], y[-1:], z[-1:], 'or')
plt.show()

for thing in vxyz:
    plt.plot(thing)
plt.show()
Esto se parece más a un código de golf que a una pregunta espacial genuina... en el mejor de los casos, es una pregunta matemática sobre cálculo básico. De cualquier manera, no creo que encaje bien aquí. Esto está escrito como una tarea. Se trata de preguntas y respuestas, no de Mechanical Turk.
@J... hasta donde yo sé, el concepto de "delta-v" es específico de los vuelos espaciales. Si puede demostrar lo contrario, me encantaría averiguarlo.
Ese no es el punto.
Ese es exactamente el punto. "está escrito como una tarea" solo significa que está estilizado. Después de escribir más de 2001 preguntas aquí, tienes que mezclar un poco para mantenerte fresco :-)
@J... Cuando una pregunta es demasiado grande o complicada para caber en una publicación de preguntas de SE, la dividimos en partes más pequeñas que se pueden responder. Actualmente todavía me siento incómodo con esta respuesta que agita la mano usando una ecuación sin explicación y sin fuente, así que primero hice esta pregunta para que la ecuación pudiera tener una base. A continuación, hice este gráfico para comenzar a pensar en extraer delta-v posterior al lanzamiento para naves espaciales profundas utilizando sus vectores de estado.
@J... Una vez que establezcamos una base para hacer eso, entonces tenemos que lidiar con los potenciales de gradiente de gravedad del mundo real. Todo esto se remonta a esta pregunta cuando comencé a tratar de diferenciar las maniobras de propulsión de los vectores de estado. Tal vez todos juntos finalmente podamos obtener una respuesta a esta vieja pregunta , uno de los elementos en mi lista de deseos, junto con evertir una esfera .
Estás tratando de correr antes de poder caminar. Esta pregunta todavía está fuera de tema.
Difícilmente, este enfoque constante y metódico para la resolución de problemas es " ejemplar " de Gradatim Ferociter y "¿Cómo calcular delta-v?" siempre ha estado directamente en el tema en Space Exploration SE y siempre lo será.

Respuestas (1)

Como Δ v es solo un cambio en la velocidad, podemos simplemente integrar la norma de la función de aceleración con el tiempo:

Δ v = | a ( t ) | d t

Sin embargo, no tienes suerte al obtener una forma cerrada de esa integral.

En cuanto a las soluciones analíticas, podemos notar que en t = π 2 , todo de a X , a y y a z están al máximo, y por lo tanto Δ v < 2 π 3 .

Del mismo modo, la aceleración en todo momento va a ser mayor o igual que una de las componentes, y como son funciones trigonométricas, sus integrales son triviales.

4 < Δ v < 2 π 3

No puedo ver que hay mucho más a partir de aquí que simplemente poner la función de aceleración en un integrador numérico. Es una curva suave, por lo que son buenos en esto.

Integral(sqrt(cos(10*x)^2 + sin(5*x)^2 + cos(2*x)^2),0,2*pi)
-> 7.5279

O, por definición de aceleración, si lo que tienes son datos de velocidad:

Δ v = | d v d t | d t

Lo cual, si tiene datos tabulares y no se molesta con la interpolación, es simplemente:

Δ v = | d v |

Lo cual es simplemente resumir todas las diferencias de velocidad entre los puntos de datos discretos.

Gran respuesta. La solución analítica de la integral de línea parece ser una integral elíptica, ¿no es así?