Сопротивление гравитации - Gravity drag

В астродинамика и ракетная техника, гравитационное сопротивление (или же гравитационные потери) - это мера потери чистой производительности ракеты, когда она движется в гравитационное поле. Другими словами, это стоимость удержания ракеты в гравитационном поле.

Это разница между дельта-v израсходовано и теоретическая дельта-v для фактического изменения скорости и высоты плюс дельта-v для других потерь, таких как сопротивление воздуха, которые испытывает колющий космический корабль.

Потери силы тяжести зависят от времени, в течение которого прикладывается тяга, а также от направления приложения тяги. Потери силы тяжести как пропорция дельта-v минимизируются, если максимальная тяга применяется в течение короткого времени или если тяга применяется в направлении перпендикулярно местному гравитационному полю. Однако во время фазы запуска и подъема тяга должна применяться в течение длительного периода, при этом основная составляющая тяги направлена ​​в направлении, противоположном силе тяжести, поэтому потери от силы тяжести становятся значительными. Например, чтобы достичь скорости 7,8 км / с в низкая околоземная орбита требуется дельта-v от 9 до 10 км / с. Дополнительные 1,5-2 км / с дельта-v обусловлены потерями силы тяжести и атмосферное сопротивление.[нужна цитата ]

Пример

Рассмотрим упрощенный случай транспортного средства с постоянной массой, ускоряющегося вертикально с постоянной тягой на единицу массы. а в поле силы тяжести грамм. Фактическое ускорение корабля составляет а-грамм и он использует дельта-v в размере а в единицу времени.

Со временем т изменение скорости КА составляет (а-грамм)т, тогда как затраченная дельта-v равна в. Гравитационное сопротивление - это разница между этими цифрами, которая равна gt. Как доля дельта-v, гравитационное сопротивление равно грамм/а.

Очень большая тяга за очень короткое время приведет к желаемому увеличению скорости при небольшом сопротивлении силы тяжести. С другой стороны, если а лишь немного больше, чем грамм, гравитационное сопротивление составляет большую часть дельта-v. Гравитационное сопротивление можно описать как дополнительную дельта-v, необходимую из-за невозможности мгновенно потратить все необходимые дельта-v.

Этот эффект можно объяснить двумя эквивалентными способами:

  • Удельная энергия, полученная на единицу дельта-v, равна скорости, поэтому эффективность максимизируется, когда дельта-v расходуется, когда корабль уже имеет высокую скорость, благодаря Эффект Оберта.
  • Эффективность резко падает с увеличением времени, затрачиваемого на толчки против силы тяжести. Поэтому желательно минимизировать время горения.

Эти эффекты применяются при подъеме на орбиту с более высокой удельной мощностью. орбитальная энергия, например, во время запуска в низкая околоземная орбита (LEO) или от LEO до покинуть орбиту. Это худший случай расчет - на практике сопротивление силы тяжести при старте и всплытии меньше максимального значения gt поскольку траектория пуска не остается вертикальной, а масса транспортного средства непостоянна из-за расхода топлива и постановка.

Соображения относительно вектора

Тяга, направленная под углом к ​​вертикали, может уменьшить влияние силы тяжести.

Тяга является векторной величиной, и направление тяги имеет большое влияние на величину гравитационных потерь. Например, гравитационное сопротивление ракеты массы м уменьшит 3мграмм тяга направлена ​​вверх с ускорением 2грамм. Однако те же 3мг тяга могла быть направлена ​​под таким углом, чтобы она имела 1мг восходящая составляющая, полностью нейтрализованная гравитацией, и горизонтальная составляющая mg × = 2.8мг (к Теорема Пифагора ), достигнув 2,8грамм горизонтальное ускорение.

По мере приближения к орбитальным скоростям вертикальная тяга может быть уменьшена, поскольку центробежная сила (во вращающейся системе координат вокруг центра Земли) противодействует значительной части силы гравитации на ракете, и большая часть тяги может использоваться для ускорения. .

Важно отметить, что минимизация гравитационных потерь - не единственная цель запуска космического корабля. Скорее, цель состоит в том, чтобы достичь комбинации положения / скорости для желаемой орбиты. Например, способ максимизировать ускорение - это толкать прямо вниз; однако движение вниз явно не является жизнеспособным способом действий для ракеты, намеревающейся достичь орбиты.

На планете с атмосфера, цель еще больше усложняется необходимостью достижения необходимых высота чтобы выйти из атмосферы и минимизировать потери из-за атмосферное сопротивление во время самого запуска. Эти факты иногда вдохновляют на идеи запускать орбитальные ракеты с высоко летающих самолетов, чтобы минимизировать сопротивление атмосферы, и в почти горизонтальном направлении, чтобы минимизировать гравитационные потери.

Смотрите также

Рекомендации

  • Тернер, Мартин Дж. Л. (2004), Движение ракет и космических аппаратов: принципы, практика и новые разработки, Спрингер, ISBN  978-3-540-22190-6.

внешняя ссылка