Durante el encuentro orbital, ¿a qué distancia y velocidad de aproximación se produce la transición de la mecánica orbital a la "navegación"?

Durante la fase de intercepción (terminal) del encuentro orbital, la nave espacial interceptora debe usar Navegación Proporcional o Mecánica Orbital para desarrollar un curso de intercepción: todas esas cosas contrarias a la intuición de "retroceder para ponerse al día". Sin embargo, durante la fase de frenado y atraque, el interceptor utiliza maniobras intuitivas de "navegación".

Pregunta: Durante el encuentro orbital, ¿a qué distancia y velocidad de aproximación se produce la transición de la mecánica orbital a la "navegación"?

La tesis doctoral de Buzz Aldrin sobre el encuentro orbital está disponible en https://dspace.mit.edu/handle/1721.1/12652 Tiene una descripción general que es sorprendentemente legible.

No hay transición, en el sentido de que siempre se aplica la mecánica orbital. Sin embargo, en algún momento los efectos son lo suficientemente pequeños como para ignorarlos. El valor de "suficientemente pequeño" depende de la aplicación, es decir, cuánto error puede tolerar. No sé si puedes poner un número de aplicación general en esto...
No sé cómo se hace en la práctica, pero supongo que la regla general sería que puedes ignorar más o menos la mecánica orbital cuando el tiempo de acoplamiento es mucho menor que el período orbital.
@Litho Secundo eso, pero reemplazaría "tiempo de acoplamiento" con "duración de la maniobra"
@asdfex Sí, buen punto.
El tiempo no es realmente relevante aquí. El perseguidor puede mantenerse en posición con el objetivo siempre que lo permitan los suministros de propulsor. El mantenimiento de la posición en el radio vector para el costo del transbordador es de ~ 300 lb de apoyo por órbita a 400 pies de separación, 100 lb / rev a 40 pies.
@Ludo No estoy muy seguro de qué quiere decir OP con "navegar", pero hay una transición, posiblemente múltiples transiciones, que varían de un cazador a otro y de un objetivo a otro. La transición clave ocurre cuando los sensores de navegación relativos del vehículo perseguidor se activan.
Según mi experiencia en KSP, la respuesta es "nunca". Pero si puede completar su maniobra en menos de 1/4 de órbita, el efecto es menor. Si puede completar la maniobra en menos de 1/10 de una órbita, ni siquiera notará la parte de "dinámica orbital". OTOH, si tu maniobra toma exactamente la mitad de una órbita, entonces... eres <<improperio censurado>> todo funciona exactamente igual de lo contrario de lo que esperas, a menos que planees lo contrario, entonces sucede a 90 grados de donde pensabas sería.
Re: "Paseando en bote", lo dije en el mismo sentido que la descripción de Wally Schirra de su encuentro con Géminis, "juega el juego de conducir un automóvil o conducir un avión o empujar una patineta". Básicamente, significa ignorar la mecánica orbital.
Gracias por todas las contribuciones. Grandes respuestas.
@CuteKItty_pleaseStopBArking, las maniobras Hbar/normal alcanzan su efecto máximo un cuarto de órbita desde el punto de encendido (y no tienen un efecto posicional neto después de media órbita). Las maniobras Rbar/radial alcanzan su efecto máximo a media órbita, mientras que las maniobras Vbar/prograde se acumulan continuamente; el punto de media órbita es solo el punto de máxima contraintuición.
@CuteKItty_pleaseStopBArking: Mi experiencia en KSP dice que la mecánica orbital se convierte en pequeñas correcciones a aproximadamente 2 km de aproximación, y cambio de la gráfica de intercepción orbital a la intercepción lineal y la corrección de deriva. Entonces otra vez estaré a 200 metros en 200 segundos.
@Joshua 200 segundos, en una órbita de 30 minutos. Justo en 1/10 de una órbita donde digo que la dinámica orbital se vuelve casi indetectable. Sin embargo, al acercarse a su objetivo, su puntería se desviará un poco y se desviará en la misma dirección. No mucho, pero sabe que necesitará aplicar la misma corrección varias veces, incluso si son solo unos pocos grados, o 1/20 de su velocidad de aproximación en empuje lateral. Y siempre (para un enfoque dado) en la misma dirección de compensación. ¡Hola, dinámica orbital! Ahora intente la misma aproximación desde 2 km, pero limite su velocidad de aproximación a 1 m/s. Vendrán momentos divertidos.
@CuteKItty_pleaseStopBArking: Los instrumentos solo brindan dos grados de precisión, pero para empeorar las cosas a 1 m/s, comienza a encontrarse con un problema de grados de libertad al tratar de corregir la alineación de aproximación. Básicamente, no puede hacer correcciones arbitrariamente pequeñas porque el tiempo de grabación mínimo de RCS es demasiado grande. Acoplo a 0,5 m/s pero hago correcciones constantes a 10 m.

Respuestas (3)

Siempre se aplica la mecánica orbital.

Para el transbordador, las dos fases operativas diferentes se denominaron Rendezvous Ops y Prox Ops.

El punto de ruptura entre los dos se definió en las Reglas de Vuelo del Transbordador Espacial , Regla A2-116 (énfasis mío)

A. LAS OPS RNDZ SE DEFINEN PARA INCLUIR TODAS LAS MANIOBRAS RNDZ DEL ORBITOR Y LAS ACTIVIDADES RNDZ ASOCIADAS QUE TERMINAN CON EL INICIO DE LAS OPS PROX.

B. PROX OPS COMIENZA AL FINALIZAR RNDZ OPS CUANDO EL ALCANCE DEL ORBITOR HASTA EL OBJETIVO ES <1000 PIES Y LA VELOCIDAD RELATIVA LVLH ES <1 FPS EN CADA EJE.

RNDZ OPS utiliza guía, navegación y control de circuito cerrado para lograr un estado relativo deseado. PROX OPS es una actividad posterior a RNDZ en la que se utilizan diferentes técnicas para "controlar" la trayectoria del orbitador que las utilizadas durante RNDZ OPS. Estas técnicas se basan en las observaciones visuales de la tripulación y las técnicas de pilotaje para lograr el estado relativo deseado. Estas definiciones se proporcionan como referencia.

Los efectos de la mecánica orbital durante las operaciones de proximidad se tratan en este extracto del Manual de entrenamiento de la tripulación de JSC Rendezvous (actualmente no está en línea)

escaneo de una página de libro de texto que muestra gráficos de diferentes movimientos relativos. extractos: la velocidad posígrada da como resultado una aceleración radial hacia arriba; la velocidad retrógrada da como resultado una aceleración radial hacia abajo / la velocidad radial hacia arriba da como resultado una aceleración retrógrada; la velocidad radial hacia abajo da como resultado una aceleración posígrada / La posición radial da como resultado una aceleración alejándose del objetivo / La posición fuera del plano da como resultado una aceleración hacia el plano

Donde podemos conseguir este manual??

El Capitán Wally Schirra fue la primera persona en lograr con éxito una cita espacial. Aquí está, más o menos, cómo habría respondido a la pregunta (esta es una cita del Capitán Schirra después de Géminis 6A):

"Alguien dijo... cuando llegas a menos de tres millas (5 km), te has reunido. Si alguien piensa que ha logrado una cita a las tres millas (5 km), ¡diviértete! Aquí es cuando empezamos a hacer nuestro trabajo. No creo que el encuentro haya terminado hasta que te detengas, completamente detenido, sin movimiento relativo entre los dos vehículos, en un rango de aproximadamente 120 pies (37 m). ¡Eso es el encuentro! A partir de ahí, es el mantenimiento de la estación. Ahí es cuando puedes regresar y jugar el juego de conducir un automóvil, conducir un avión o empujar una patineta, es así de simple".

Una vez que el encuentro ha llegado al punto donde el rango entre los vehículos "perseguidor" y "objetivo" se reduce a ~ 1000 pies o menos, el piloto del vehículo perseguidor encontrará que, si todo el movimiento relativo con respecto al vehículo objetivo se reduce a cero (o casi cero), la tarea de mantener una posición estable (nuevamente con respecto al vehículo objetivo), o el mantenimiento de la posición , se vuelve bastante simple, como lo expresó el Capitán Schirra, "Ahí es cuando puedes regresar y jugar el juego de conducir un automóvil, conducir un avión o empujar una patineta, es así de simple".

En otras palabras, una vez que el vehículo perseguidor ha alcanzado las condiciones necesarias para establecer el mantenimiento de la posición, los efectos de la mecánica orbital se vuelven casi imperceptibles, y se vuelven menos perceptibles cuanto más cerca están los dos vehículos (el movimiento relativo se mantiene bajo)...

Para poner las cosas en perspectiva, el Rendezvous Crew Training Handbook de la NASA (fechado en noviembre de 1998) establece que, para el Space Shuttle Orbiter, el mantenimiento de la posición, cuando está en la barra V a un rango de 1000 pies y en una órbita circular de 160 millas náuticas, no debería requerir más de ~70 libras. de propulsor por órbita. Eso es bastante bajo. Alternativamente, dicha referencia también establece que, si dicha posición se establece en cambio a 40 pies en la Rbar (con los mismos parámetros orbitales del vehículo objetivo), dicho consumo de apoyo debería ser del orden de 100 lb/rev.

Para su información, generalmente se puede inferir que, cuanto más simple sea la tarea de pilotaje, menor será la tasa de consumo de accesorios.

La transición de la mecánica orbital a la maniobra intuitiva de "conducir un automóvil" no está determinada por la distancia o el tiempo, sino por el cambio del ángulo de fase orbital durante la maniobra.

Si la maniobra planificada se completa en un ángulo de fase orbital pequeño (por ejemplo, 5* o 2 minutos en LEO), la mecánica orbital desempeñará un papel pequeño en la trayectoria relativa entre el objetivo y el interceptor. Si la maniobra planificada toma 180* (una hora en LEO), la mecánica orbital tendrá su efecto máximo. El efecto de la mecánica orbital nunca desaparece en maniobras breves... simplemente se reduce en magnitud hasta que se pierde en el "mantenimiento de la estación".

Una analogía útil es la fuerza de Coriolis en un tiovivo. No se puede jugar al billar en un tiovivo porque el paseo gira una cantidad significativa durante la trayectoria de la bola. Sin embargo, una pistola aún 'disparará directamente' en un tiovivo, ya que la duración del vuelo de la bala es solo una pequeña fracción de la rotación del viaje.

Durante el encuentro orbital, ¿a qué distancia y velocidad de aproximación se produce la transición de la mecánica orbital a la "navegación"?
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