¿Hay usos para estas órbitas de transferencia supersincrónicas 'cuasi iso-propicas'?

En mi respuesta a ¿Cuáles son los beneficios de las órbitas de transferencia supersincrónicas? Me tropecé con un resultado interesante al considerar el total Δ V costo de una órbita de estacionamiento inclinada de baja altitud a una órbita geoestacionaria utilizando una órbita de transferencia supersincrónica. El perfil de la maniobra se detalla a continuación, requiriendo 3 quemadas:

  • quemadura de inyección de órbita de transferencia supersincrónica:
    • perigeo @ baja altura de la órbita de estacionamiento
    • apogeo > altura geosíncrona (> 35786 km, supersíncrona )
    • sin cambios en la inclinación
    • Δ V 1 = m ( 2 r pag a r k 1 r pag a r k + r A pag o 2 ) m r pag a r k
  • cambio de plano combinado + aumento del perigeo quemado @ apogeo de la órbita de transferencia:
    • elevar el perigeo a la altura síncrona (35786 km)
    • cambiar la inclinación a 0°
    • V A pag o 1 = m ( 2 r A pag o 1 r pag a r k + r A pag o 2 ) , V A pag o 2 = m ( 2 r A pag o 1 r s y norte C + r A pag o 2 )
    • Δ V 2 = V A pag o 1 2 + V A pag o 2 2 2 V A pag o 1 V A pag o 2 porque i ( ley del coseno )
  • circularizar @ perigeo:
    • Δ V 3 = m ( 2 r s y norte C 1 r s y norte C + r A pag o 2 ) m r s y norte C

El total Δ V es la suma de las 3 quemas (aunque normalmente el satélite está solo para las 2 últimas). Trazar el total Δ V sobre una amplia gama de inclinaciones y apogeos de órbita de transferencia produce esto (se asume una órbita de estacionamiento de 250 km):

delta-V a GEO

Alrededor de ~ 40 ° parece que los contornos se vuelven verticales, lo que indica una especie de línea iso-propic (si se quiere) donde el total Δ V el costo es independiente del apogeo de la órbita de transferencia ( !wow ). Pero, tenga en cuenta que el Δ V requerido del satélite (últimos 2 encendidos) disminuye con el aumento del apogeo de la órbita de transferencia.

Tras una inspección más cercana, no hay una línea vertical adecuada/inclinación invariable, pero estos contornos de 5 m/s muestran que hay una región de propensión casi iso alrededor de una inclinación de 39° ( 5 m/s en el esquema de más de 4 km/s parece bastante invariable para mí ):

Contornos de 5 m/s

No hay ningún beneficio para una combinación tradicional de etapa superior + carga útil porque mientras el total Δ V permanece igual, la distribución entre el lanzador y la carga útil cambia hasta ~20 % para la escala de apogeo que se muestra en los gráficos.

Sin embargo, considere una sola nave espacial responsable de todos los (ciertamente altos) Δ V . Por supuesto, solo se puede usar un apogeo de órbita de transferencia por misión. Sin embargo, ¿hay alguna razón por la que sentarse en una órbita terrestre baja con una inclinación de ~39° con la capacidad de apuntar a la órbita geoestacionaria desde cualquier apogeo de la órbita de transferencia tendría sentido? Incluso si tiene sentido , ¿hay soluciones más prácticas?


Re: Comentarios, aquí están las 3 quemaduras individualmente. El primero y el último no tienen que ver con la inclinación y, por lo tanto, solo dependen del apogeo de la órbita de transferencia (haga clic para ampliar):

3 quemaduras individuales

Hiciste esas hermosas tramas, ¿te importaría hacerlas también para las tres quemaduras individualmente? ¡Eso seria genial!
@asdfex buena idea!

Respuestas (1)

Lo que están viendo aquí es el resultado de las ineficiencias en la estrategia de transferencia orbital empleada, en la región de transición entre transferencias directas y transferencias bielípticas.

Cuando se transfiere entre dos órbitas circulares con cierta inclinación, eventualmente la transferencia bielíptica "degenerada" (con apoápsis infinita) se volverá óptima, siempre que el radio orbital objetivo o la inclinación sean lo suficientemente grandes.

En ese punto, es un costo de transferencia fijo, independiente del cambio de inclinación:

Δ v = ( 2 1 ) ( 2 m r 1 + 2 m r 2 )

La otra estrategia, por supuesto, es hacer un arco directo, dividiendo el cambio de inclinación entre las dos quemadas (¡no uniformemente!).

A ~ 40 °, apuntando a órbitas sincrónicas, se encuentra en la región de transición entre estos dos, los costos son aproximadamente los mismos.

¡Pero tienen la reacción opuesta al aumento de altitud!

  • Las transferencias bielípticas de alta apopasia se vuelven más baratas cuando la órbita objetivo se vuelve más alta (después de algún umbral dependiente de la inclinación)
  • Las transferencias directas de arco se vuelven más costosas cuando la órbita del objetivo se vuelve más alta.

Está utilizando un enfoque híbrido, que tiene dos ineficiencias teóricas:

  1. Tiene un apoapsis de transferencia limitada. (ineficiencia bielíptica)
  2. No pone nada del cambio de inclinación en la primera quema. (ineficiencia de arco directo)

Con un enfoque híbrido como ese, las tendencias de costos delta-v dependientes de la altitud se cancelarán entre sí para alguna región de inclinación-altitud, y eso es lo que tienes.

¿Hay usos para estas órbitas de transferencia supersincrónicas 'cuasi iso-propicas'?

No lo creo. La única razón para hacer grandes cambios de inclinación, como ~40°, es alcanzar órbitas sincrónicas desde sitios de lanzamiento que no estén en el ecuador. Pero esa es solo una altitud útil, por lo que no se usa el resto de la línea cuasi isopropica.