Orbitando la Tierra antes de dirigirse a la Luna

Cada una de las misiones lunares Apolo (Apolo 8-17) entró en órbita terrestre inmediatamente después del lanzamiento. Luego, cada misión abandonó la Tierra después de algunas órbitas quemando el motor S-IVB y se dirigió a la Luna. ( https://en.wikipedia.org/wiki/Apollo_program#Lunar_mission_profile )

La página de wikipedia dice que era necesario orbitar la Tierra "para verificar la preparación de los sistemas de la nave espacial", pero tengo curiosidad por saber cómo esto afectó los requisitos de combustible y otros aspectos de la navegación. ¿Habría requerido más o menos combustible dirigirse hacia la Luna directamente desde la plataforma de lanzamiento? Si orbitar la Tierra primero es menos eficiente, ¿cuánto combustible adicional se requiere en lugar de partir directamente?

Además de la respuesta de Russell , tenga en cuenta que en el caso de un mal funcionamiento del refuerzo, en cualquier punto entre el Modo III y TLI, era posible la inserción en la órbita terrestre. Cualquier tipo de aborto antes de TLI significaba que perdiste toda la misión a la Luna (ni siquiera como el Apolo 13, que al menos dio la vuelta a la Luna y obtuvo algunas instantáneas de ella), pero entrar en una órbita de estacionamiento de la Tierra alargó en gran medida la ventana donde los problemas podrían resolverse. con. (Compare con Apolo 12: sin órbita de estacionamiento, eso podría haber sido un aborto).

Respuestas (3)

Ir desde la superficie de la Tierra directamente a la órbita de la Luna sin detenerse en LEO ofrecería ahorros insignificantes, dependiendo de sus suposiciones, tal vez 20 m/s de ∆v (y 2-3 horas de consumibles). 1

Según las simulaciones de Apollo By The Numbers y Bob Braeunig , el presupuesto de ∆v para el lanzamiento a la órbita más la inyección translunar para las misiones Apollo ascendió a unos 12250 m/s, por lo que cualquier diferencia sería mucho menos del 1% del presupuesto de combustible.

  1. Suponiendo un ascenso a la órbita circular en la línea Kármán en cualquier caso, luego, en el primer caso, haciendo dos transferencias Hohmann , desde la línea Kármán hasta la órbita de estacionamiento de 160 km y luego desde la órbita de estacionamiento hasta la altitud lunar; y en el segundo caso una sola transferencia de Hohmann desde la línea Kármán a la altura lunar. Las misiones Apolo hicieron una trayectoria más rápida que Hohmann (ahorrando 2 días de tiempo de viaje en cada sentido), pero la diferencia entre la órbita de estacionamiento y las versiones sin escalas es probablemente muy similar.
Una órbita Hohmann de la Tierra a LEO no es una opción.
Pero la velocidad orbital en el radio de la Tierra menos la velocidad en la superficie de la Tierra es la misma tanto en el caso de la órbita directa a la Luna como en el de estacionamiento LEO, por lo que debería funcionar de la misma manera; imagina un planeta <strike>cow</strike> esférico sin fricción sin atmósfera y un cohete patinando hasta la velocidad orbital en la superficie.
Intenta hacer un despegue horizontal en la superficie de la tierra y saldrá mal. Nuevamente, lograr la velocidad orbital en la superficie de la Tierra no está en la imagen. La mayor quema horizontal se realiza por encima de la atmósfera terrestre. Durante un breve tiempo, prácticamente todas las trayectorias están a unos cientos de kilómetros sobre la tierra, moviéndose horizontalmente a 7,7 km/s.
Si entiendo a lo que te refieres, ¿entonces la cifra de 100 m/s sería un límite superior de la diferencia?
los Δ v Los requisitos cubren esencialmente tres componentes: llegar a la altitud orbital, llegar a la velocidad orbital y superar la resistencia atmosférica. Las pérdidas por arrastre son casi las mismas para cualquier órbita objetivo porque esa parte del vuelo es esencialmente la misma para cualquier lanzamiento. Llegar a la altitud y la velocidad de la órbita se puede dividir en maniobras separadas sin cambiar el rendimiento general. Δ v ya que solo se trata de impartir energía en el momento adecuado y las fuerzas son todas conservativas. Entonces, no hay realmente una diferencia.
La transferencia de Hohmann de la línea Kármán de 100 km a la órbita de estacionamiento de Apolo de 160 km es de 35 m/s ∆v, por lo que todavía hay una diferencia; ahorros netos de unos 70 m/s para el vuelo sin escalas. Editaré en consecuencia.
Vaya, error de hoja de cálculo. La diferencia es de 20 m/s, no de 70, si usamos la línea K como altitud de referencia.
¿Por qué es necesario establecer una órbita a 100 km? ¿Sería posible nunca ganar velocidad horizontal y acelerar directamente desde la Tierra hasta la órbita lunar?
@SamHallerman es posible, pero muy ineficaz mientras luchas contra la gravedad hasta el final. (Lo hice en Kerbal Space Program, por ejemplo, necesitaba un gran cohete)
@SamHallerman Space no es así.
@SamHallerman, el problema con el espacio no es lo suficientemente alto, lo suficientemente rápido . Imagínese uno de esos embudos de monedas en los que coloca una moneda en la ranura y gira en espiral cada vez más rápido a medida que rueda hacia el centro. Así es un pozo de gravedad. Si su moneda pudiera acelerarse de alguna manera, saldría del embudo en espiral en lugar de bajar hacia él. La nave Apolo hizo lo mismo: aceleró para salir de la gravedad de la Tierra, hasta que estuvo lo suficientemente cerca de la Luna para caer en su pozo de gravedad (bastante más pequeño).
@SamHallerman Si está interesado en la mecánica de la órbita espacial, juegue Kerbal Space Program (y mate a una gran cantidad de Kerbals). La física está lejos de ser perfecta, pero es lo suficientemente buena. La experiencia de hacer que una nave espacial orbite Mun (la Luna), luego regrese a Kerbal (Tierra), en KSP es una verdadera educación; y se recomienda "hacer trampa" al "no diseñar todo usted mismo" (¡copie, copie, copie!), ya que el espacio del problema es lo suficientemente rico como para necesitar toda la ayuda que pueda obtener.
Ir directamente a la luna habría sido más fácil, pero habría dejado mucho menos espacio para lidiar con los problemas. La cuestión es que su cohete era LH2/LOX, estaba sujeto a evaporación.
@lorenpechtel Tu comentario no tiene sentido. Pasar tiempo en una órbita de estacionamiento significa más ebullición que una inserción inmediata.
De acuerdo, comenzar en una órbita de 100 km de altitud es más realista que asumir una órbita en la superficie de la tierra. Luego, subir a una órbita de estacionamiento de 160 km antes de partir hacia TLI costaría 20 metros / segundo adicionales como dices. Alrededor del medio por ciento. Pero incluso comenzar en una órbita de 100 km es una exageración. Vea la cita de Townsend en mi respuesta. La mayoría de las trayectorias alcanzan la velocidad orbital a unos cientos de kilómetros de altitud. Pero anularé mi voto negativo ya que usted dice "ahorros insignificantes".
Sí, estoy indeciso sobre la eliminación.

La página de wikipedia dice que era necesario orbitar la Tierra "para verificar la preparación de los sistemas de la nave espacial", pero tengo curiosidad por saber cómo esto afectó los requisitos de combustible y otros aspectos de la navegación.

El uso de una órbita de estacionamiento probablemente ahorró combustible en comparación con una inserción translunar directa. Una inserción directa en una trayectoria translunar habría ahorrado una pequeña cantidad de combustible en comparación con esa necesidad al agregar una órbita de estacionamiento si todo saliera a la perfección. Sin embargo, nada funciona a la perfección. El empuje de los cohetes varía y los sensores de navegación son imperfectos. El lanzamiento en la era Apolo fue en gran medida un proceso de cálculo ; no había tal cosa como GPS en la era Apolo.

Esto significó que los errores de navegación se acumularon durante el lanzamiento. Un lanzamiento directo a una trayectoria translunar habría significado corregir esos errores y el error de inyección después del lanzamiento+inyección. Esto habría compensado con creces el pequeño costo adicional de colocar el vehículo en una órbita de estacionamiento antes de someterse a la inyección translunar. Con una órbita de estacionamiento, la mayoría de los errores de lanzamiento fueron corregidos por la quema de inyección translunar. Todavía se necesitaban quemados de corrección, pero estos eran mucho más pequeños que los que se habrían necesitado para un lanzamiento directo.


Mucho más importante, el uso de una órbita de estacionamiento hizo posibles las misiones. Un lanzamiento de inserción translunar directo habría requerido una ventana de lanzamiento instantánea. El lanzamiento tendría que haberse retrasado un día (o quizás varios meses) si algo saliera mal durante la cuenta atrás en el caso de una inserción directa en una trayectoria translunar. Los planificadores de la misión consideraron que una ventana de lanzamiento de 2,5 horas era el mínimo necesario para tener una probabilidad razonable de éxito. Esto por sí solo descartó la posibilidad de un lanzamiento directo a una trayectoria translunar.

Efectivamente, algo salió mal durante la cuenta atrás en dos de las misiones Apolo. El Apolo 14 se lanzó con 40 minutos de retraso debido a problemas climáticos, y el Apolo 17 se lanzó con 2 horas y 40 minutos de retraso debido a un corte automático en la marca de T-30 segundos.


El hecho de que la NASA haya utilizado la órbita de estacionamiento como un medio para verificar la preparación de los sistemas de la nave espacial para la continuación de la misión fue un beneficio adicional del uso de una órbita de estacionamiento. Este no fue el principal impulsor. El impulsor principal fue que el uso de una órbita de estacionamiento hizo que las misiones fueran factibles.

No había GPS en la era Apolo, pero sí los satélites Transit , un sistema de navegación por satélite mucho más sencillo.
@Uwe, Transit no se pudo usar para ubicar una nave espacial. Usó una combinación de tiempo, desplazamiento Doppler y patrón de cambio en el desplazamiento Doppler para determinar la ubicación del receptor. Esto solo funciona bien cuando el receptor está estacionario o casi: los submarinos obtienen una buena precisión, los barcos obtienen una precisión razonable, los aviones obtienen una precisión deficiente y Apolo solo pudo decir que estaba en algún lugar cercano a la Tierra.
@Mark Sí, es cierto, Transit no fue útil para ninguna nave espacial. Si un submarino emergía a la superficie solo por un corto tiempo para tomar un solo sobrevuelo de Transit, el submarino no sabía si estaba a la izquierda o a la derecha de la ruta terrestre de Transit. Se necesitaron dos sobrevuelos para excluir la ubicación incorrecta.

Lograr la velocidad orbital en la superficie terrestre no es práctico debido a la atmósfera terrestre. Primero, una nave debe elevarse por encima de la atmósfera y luego alcanzar la velocidad orbital.

Una vez que se gana altitud, la forma más eficiente de alcanzar la velocidad orbital es mediante un encendido horizontal. Podría hacer la quema principal a lo largo de un ángulo de trayectoria de vuelo distinto de cero, pero luego el componente vertical del empuje sufre pérdida de gravedad.

ingrese la descripción de la imagen aquí

Por lo general, la primera parte de la trayectoria de una nave espacial es casi vertical, pero luego se inclina hacia el este para darle al vector de empuje una componente horizontal más grande a medida que la atmósfera se vuelve más delgada.

Cuando la nave está por encima de la atmósfera, hace la quema principal y viaja en un ángulo de trayectoria de vuelo cercano a cero (en otras palabras, horizontalmente).

Por lo tanto, una inserción directa en la órbita lunar estaría quemando para alcanzar una velocidad horizontal de 10,9 km/s cuando se encuentra sobre la atmósfera. Pero en algún momento durante este encendido, la nave viajará a una velocidad horizontal de 7,8 km/s. En este punto diría que la nave está en órbita. Después de alcanzar la velocidad orbital, la nave podría seguir disparando para alcanzar otros 3,1 km/s para la Inserción Trans Lunar (TLI).

O podría apagar los motores después de alcanzar la velocidad orbital y hacer que los 3,1 km/s restantes TLI se quemen más tarde. ¿Cuál es la diferencia es delta V? Cero.

Del pdf de la metodología del simulador de lanzamiento de John Schilling :

La técnica de Townsend comienza suponiendo que todos los lanzamientos espaciales consisten en un ascenso directo a una órbita de estacionamiento circular baja, seguido de una serie de maniobras en órbita hasta la órbita de destino final. De hecho, muchos vehículos de lanzamiento vuelan solo en una trayectoria de ascenso directo, incluso a una órbita alta o no circular. Sin embargo, una observación de estas trayectorias casi invariablemente encuentra el vehículo de lanzamiento, a una altitud de unos pocos cientos de kilómetros, acelerando casi horizontalmente a través de la velocidad de la órbita circular local. Se puede simplificar el problema tratando esto como una "órbita de estacionamiento" instantánea, alcanzada por ascenso directo, y con todos los vuelos propulsados ​​posteriores tratados como una "maniobra en órbita".

Énfasis añadido mío.

Una vez más, prácticamente todas las trayectorias están en órbita terrestre baja durante un tiempo. A veces muy brevemente, otras veces en una órbita de estacionamiento extendida.

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