¿Qué determina cuando un cohete pasa de una trayectoria vertical a una horizontal?

Curva de arrastre atmosférico vs arrastre gravitacional.

El giro no es una maniobra instantánea, ni siquiera corta; comienza poco después de despejar la torre o, en algunos casos , ¡incluso antes del lanzamiento! y dura hasta que la velocidad vertical es suficiente para despejar la atmósfera y llegar cerca del apogeo, bastante tarde en el vuelo.

La trayectoria, y el ángulo de quemado directamente relacionado, es el resultado de la optimización de la función de las pérdidas por gravedad y las pérdidas por arrastre atmosférico: alcanzar la velocidad orbital lo antes posible (quemarse horizontalmente) es la forma de minimizar las pérdidas debidas a la atracción gravitacional de la Tierra ("gravedad arrastre"), esto se compensa con el arrastre atmosférico, que a bajas altitudes lo hace imposible, y a altitudes un poco más altas económicamente subóptimas, ya que pierde más empujando el aire fuera de su camino de lo que evita perder para evitar que el cohete se caiga.

¿Qué decide cuál debe ser la curva en el caso de un cohete específico dado? Aerodinámica y motores, y en menor grado, carga útil y durabilidad estructural.

La relación empuje-peso (TWR) del cohete, que depende de la masa del cohete y del empuje del motor, decide qué tan rápido puede ascender y acelerar el cohete. El perfil aerodinámico decide en qué pérdidas incurre la resistencia del aire. La durabilidad estructural dice cómo puede manejar una alta presión dinámica (MaxQ) y puede imponer el estrangulamiento del motor para reducir el riesgo para el cohete y las pérdidas atmosféricas. La carga útil puede clasificarse para ciertas aceleraciones, lo que limita el TWR máximo permitido.

El SS-520 vinculado anteriormente tiene un TWR muy alto y un perfil aerodinámico muy delgado; puede alcanzar grandes altitudes muy rápido, por lo que comienza en un ángulo, comenzando el "giro de gravedad" (como a veces se llama el perfil de lanzamiento curvo) desde el momento del lanzamiento. Casi todos los demás lanzadores comienzan el giro a más tardar después de despejar la torre de lanzamiento, pero la inclinación inicial puede ser muy pequeña.

Como exanalista de trayectorias de vehículos de lanzamiento, la respuesta no es muy satisfactoria: depende.

Las trayectorias son problemas de optimización con restricciones, por lo que, en el nivel más alto, la respuesta a lo que determina cuándo se realiza el giro es cualquier maniobra que optimice la función objetivo elegida y satisfaga las restricciones.

Para ser más útil, las restricciones son innumerables. Mantener las fuerzas aerodinámicas dentro de los límites, mantener el margen de control en el vector de empuje y/o las superficies aerodinámicas, garantizar que el carenado no se desprenda demasiado pronto, mantener el aerocalentamiento dentro de los límites, la ubicación relativa del lugar de lanzamiento y la órbita objetivo, etc. Ahora que la humanidad sabe cómo devolver los propulsores de la primera etapa, hay una gran cantidad de otras limitaciones, como la puesta en escena para que la primera etapa pueda volar al sitio de lanzamiento, etc.

Los parámetros que terminan impulsando la solución y los límites/valores dependen mucho del cohete, es por eso que mi trabajo como analista de trayectoria siempre comenzó muy temprano en un programa. La forma en que volará el cohete y su diseño básico deben hacerse en conjunto.

Dejando a un lado esas advertencias, para los cohetes lanzados desde tierra normales, comienzan a girar no más tarde después de haber superado la presión dinámica máxima y/o el q-alfa máximo, cuando se experimentan las cargas aerodinámicas máximas en la estructura. Los cohetes lanzados desde el aire vuelan en trayectorias muy diferentes y básicamente nunca vuelan en línea recta.