Orientación explícita motorizada: ¿Debería el cohete lanzarse hacia abajo en la inserción orbital?

Simulé una inserción orbital usando la guía explícita motorizada como se usa en el transbordador espacial.

El algoritmo PEG funciona muy bien. Alcancé todos mis objetivos: altitud, velocidad, inclinación orbital, longitud del nodo ascendente.

Pero el algoritmo hace algo que no esperaba: hace que el cohete se incline hacia abajo en> 10 grados comenzando tal vez 30 segundos antes de la inserción orbital (dependiendo de la altitud objetivo, pero generalmente unas pocas decenas de segundos).

Nuevamente, todos mis objetivos son alcanzados. Y si trato de evitar que el cohete caiga cuando lo hace, entonces pierdo mis objetivos. Entonces, el algoritmo detecta claramente que el cohete tiene que cabecear hacia abajo. Está haciendo su trabajo, más o menos.

Pero, ¿debería el cohete lanzarse así hacia abajo en la inserción orbital? Pensé que estaría apuntando al horizonte al final, pero... ¿no?

Solo me pregunto si esto es normal o (como sospecho) si necesito descubrir qué está mal con el algoritmo PEG (a pesar de que funciona perfectamente, porque siempre alcanza mis objetivos, incluso cuando los cambio a mitad de la simulación).

¡Gracias!

Hubiera pensado que sería algo sobre el TWR en su simulación, tal vez era demasiado grande y el tono hacia abajo era para contrarrestar cualquier velocidad vertical que aún tenía el escenario.
¡Gracias Rubén! Lo siento, pero ¿qué quieres decir con TWR? Tengo una tasa vertical considerable al final del lanzamiento y lo primero que supuse fue que el algoritmo no estaba estimando correctamente la altitud restante, tal vez porque mi cálculo de la gravedad efectiva era incorrecto, pero todo lo que he intentado corregir ha fallado. .. el cohete puede bajar menos, pero aún lo hace (o peor aún, deja de funcionar por completo)...
Creo que el tono hacia abajo al final de una inserción no es inusual. Intentaré encontrar ejemplos del mundo real. Podría indicar que la curva de aceleración del lanzador no es óptima (pero que PEG está haciendo lo mejor que puede con lo que tiene) pero no estoy seguro.
@user39728 twr se refiere al empuje por peso, que se relaciona con la curva de aceleración, como lo menciona russel
El cabeceo parece menos severo si elevo mi altitud objetivo de los 225 km que tengo ahora a 300 km, digamos... pero incluso entonces, hay cabeceo. Además, puedo decir que en el objetivo de 225 km, el cohete bien podría alcanzar sus objetivos sin ningún tipo de caída. Es como si el algoritmo estimara incorrectamente la altitud que queda por recorrer o tal vez la velocidad a la que está llegando allí o ambas cosas. Pero nada de lo que he intentado arreglar ha funcionado...
si la relación de empuje a peso (TWR) fuera demasiado grande, aumentar la altitud deseada solucionaría esto, pero un sospechoso de reducir la relación de empuje a peso, es decir, reducir el empuje del primero, conduciría a una trayectoria más óptima, vale la pena intentarlo al menos
La inserción orbital no requiere ese cabeceo hacia abajo. Es quizás alguna optimización u otra para las variables atmosféricas del mundo real. Quizás es un margen de seguridad de algún tipo que les da un poco de tiempo o energía extra. No veo inserciones de soyuz usándolo, y los perfiles de ascenso lunar no lo mencionan hasta donde puedo decir.

Respuestas (3)

Esto es el resultado de tener un TWR bajo en la etapa de inserción orbital, típicamente una característica del hidrolox. Si ve transmisiones de ULA, verá que DCSS y Centaur también hacen esto. Básicamente, el problema es que con un empuje tan bajo, no puedes acelerar horizontalmente a la velocidad orbital lo suficientemente rápido; volverás a caer a la tierra antes de llegar a la órbita. Como resultado, el perfil de ascenso se sobreeleva, arrojándolo por encima de su órbita objetivo y luego vuelve a caer en el momento en que alcanza la inserción. Es solo para comprar suficiente tiempo de combustión sin golpear la atmósfera nuevamente.

Sin embargo, dado que se está curvando alrededor de la Tierra a medida que avanza, parte de ese exceso de velocidad se convierte en un componente ortogonal diminuto que haría que la órbita fuera elíptica. El paso hacia abajo es aplicar un componente ortogonal opuesto y devolver la órbita a circular en el momento de la inserción.

Sí, es ineficiente. Pero sigue siendo (una aproximación muy cercana a PEG no es perfecto ) la forma más eficiente de llegar al espacio. Tiene que ser ineficiente porque un TWR bajo es ineficiente: el ideal teórico para cualquier tipo de maniobra orbital de vacío son encendidos infinitesimales de TWR infinitos separados por costas; El hidrolox de TW súper bajo está lejos de este ideal.

Todavía vale la pena usarlo, porque las ganancias de eficiencia de combustión del uso de hydrolox compensan con creces las pérdidas de guía causadas por el bajo empuje.

Y tenga en cuenta que un TWR más bajo significa un motor más pequeño (más ligero, más barato).
Nota al leer los comentarios: esto desaparece cuando intenta alcanzar una órbita más alta; no solo tiene más tiempo para llegar allí (y, por lo tanto, necesita menos o ningún overlofting), necesita menos velocidad horizontal para permanecer allí.

Esto parece una versión al estilo "SpaceX" de la órbita, una imagen especular de cómo aterrizan. Orbitar implica alcanzar una cierta cantidad de velocidad tangencial a una cierta altitud. La gravedad hace el resto.

Lógicamente, uno no llevaría combustible extra (peso) para oponerse a la gravedad, de hecho, la fotografía de lapso de tiempo nocturno muestra los lanzamientos orbitales como suaves curvas "hacia arriba y sobre".

Puede haber un ahorro de combustible al sobrepasar y luego corregir la velocidad vertical, tal vez al acortar el tiempo de combustión. Podría aplicarse a un cohete que necesita más componente de velocidad horizontal pero necesita desacelerar su componente de velocidad vertical.

Es lógico, pero divertido, que una órbita más alta "remedie" el tono hacia abajo, ¡pero solo porque la velocidad orbital es menor y el radio de giro orbital es mayor! Las computadoras son "tontas" de esta manera.

En lugar de simplemente seguir la programación, uno puede retroceder 50 años, cuando "algoritmo" significaba hablar a través de él antes de traducirlo al lenguaje informático. La mayoría de los cohetes se "escenifican", con el "empuje" final mucho menos que el empuje de lanzamiento.

Al carecer de resistencia aerodinámica en altitud, una quema más larga con menos empuje puede requerir menos corrección de cabeceo, pero puede usar más combustible .

Es un punto interesante; una posible trayectoria motorizada teórica (pero no muy práctica) a la órbita es simplemente el tiempo inverso de una reentrada; con arrastre instantáneo convertido en empuje instantáneo.
¿Es eso más práctico cuando no hay atmósfera?
@Innovine en el espacio "arrastre" se puede crear con un poco de quemadura opuesta.
@uhoh En el lanzamiento, sube por encima de la atmósfera significativa antes de hacer la mayor parte de su combustión horizontal, mientras que el reingreso quiere esa atmósfera y, por lo tanto, es más bajo. Además, los perfiles de aceleración son muy diferentes, un cohete no puede igualar eficientemente lo que sucede en el reingreso. Incluso en un cuerpo sin aire no coinciden porque el cohete no lleva la misma cantidad de combustible. (Si tuviera una unidad mágica de combustible cero y no le importara una quemadura suicida, las trayectorias serían una combinación perfecta).

Piensa solo en el movimiento vertical. El vehículo tiene mucha velocidad ascendente. ¿Qué reduce eso a la cantidad pequeña o cero necesaria para la órbita?

Podrías esperar a que la gravedad lo haga, pero a 10 m/s^2 llevará mucho tiempo.

Apuntas el motor hacia arriba para aumentar esa aceleración descendente y reducir la v ascendente a lo que requiere la órbita.

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