Месячныя арбіты касмічнага карабля TeamIndus растлумачылі

Праектаванне месяцовых арбіт для эфектыўнага прызямлення на Месяцы

Касмічны апарат TeamIndus будзе мякка прызямляцца на Месяцы ў 2020 годзе. Месцам пасадкі для гэтай першай місіі (Z-01) з'яўляецца недалёка ад кратэра Анегрыт, у шырокіх раўнінах лавы Марэ Імбрыя.

Месца пасадкі касмічнага карабля TeamIndus Z-01: Каля кратэра Аннегрыт, у шырокіх раўнінах лавы Марэ Імбрыя. Крыніца: LROC Quickmap

Размяшчэнне месца пасадкі выклікае мноства абмежаванняў у тым, як распрацаваны арбіты касмічнага карабля, уключаючы час запуску / пасадкі і ўсё паміж імі. Давайце разгледзім спачатку абмежаванні, накладзеныя на месцы пасадкі, з наступным характарам месяцовых арбіт.

Частка A: Абмежаванні на месяцовых арбітах

1. Сонечнае асвятленне

Месяцовы дзень эквівалентны 14 зямным дням (паміж 70 Н / с), і мы хочам максімальна павялічыць час павярхоўных аперацый пасля пасадкі. Прызямленне на мясцовым світанку было б такім чынам ідэальным. Аднак, па меншай меры, дзве з трох сонечных панэляў павінны быць асветлены сонечным святлом, каб пачаць паверхневыя аперацыі. Таксама трэба сачыць, каб Сонца знаходзілася пад досыць высокім вуглом, каб яго не перакрылі мясцовыя перашкоды.

Фаза прызямлення місіі, гэта значыць

Па гэтых прычынах час пасадкі выбіраюць да світання для максімальнага павелічэння часу паверхневых аперацый, забяспечваючы пры гэтым наяўнасць магутнасці. Час пасадкі пры гэтым замарожаны.

2. Час, праведзены на месяцовай арбіце

Месячныя арбіты распрацаваны такім чынам, што час пасадкі можа быць выкананы незалежна ад фазы месяца ў момант захопу арбіты месяцовай арбіты касмічнага карабля. Час пасадкі фіксуецца, таму месяцовыя арбіты павінны быць адпрацаваны назад з гэтага моманту. Розніца ў часе паміж "месяцовай фазай падчас захопу арбіты" і "світанкам на месцы пасадкі" дае час, праведзены на месяцовай арбіце, гэта значыць "час знаходжання".

Розніца ў часе паміж

Месячныя арбіты і час пасадкі забяспечваюць магчымасць арыентацыі на даўгату абранага месца пасадкі.

3. Нахіл і час запуску

Улічваючы час захопу арбіты і час пасадкі, канчатковае абмежаванне адбываецца ад шыраты месца пасадкі. Месячныя арбіты касмічнага карабля павінны мець арбітальны нахіл такім чынам, каб патрабаваную шырыню месца пасадкі можна было арыентаваць, выконваючы абмежаванне часу прызямлення пасля світання.

Пасля запуску касмічны апарат выкарыстоўвае сваю рухальную сістэму, каб змяніць арбітальны нахіл такім чынам, каб жаданая шырыня была мэтавай.

Улічваючы гэтыя абмежаванні на пасадцы, давайце паглядзім, як касмічны апарат захопіць на месяцовай арбіце і як плануецца арбітальны манеўр для дасягнення мэт місіі.

Частка B: Эвалюцыя месяцовых арбіт

1. Набліжэнне Месяца

Касмічны апарат падыдзе да Месяца па Месячнай траекторыі перадачы (LTT), якая з'яўляецца мінімальнай арбітай перадачы энергіі і зойме 4–5 дзён, каб касмічны апарат дасягнуў Месяца. Знаходзячыся ў самай далёкай ад Зямлі кропцы (званай апоапсісам), касмічны апарат знаходзіцца ў межах гравітацыйнага ўздзеяння Месяца.

Траекторыя пераносу Месяца (LTT) да Месяца. Крыніцы малюнкаў Зямлі і Месяца: Піксабай, Вікіпедыя.

У апоапсісе ЛТТ гравітацыйная цяга Месяца будзе максімальнай і менавіта там робіцца спроба захопу месяцовай арбіты.

2. Траплянне на месяцовую арбіту

Набліжаючыся да апоапсісу LTT, штурхальнікі касмічнага апарата вядуць агонь, каб арыентаваць касмічны карабель у адваротны бок траекторыі. Стральба галоўнага рухавіка ў гэты момант зніжае хуткасць касмічнага карабля, спажываючы пры гэтым мінімальнае паліва. Гэта будзе называцца зніжэннем хуткасці гарэння рухавіка адсюль.

Заўвага: у ідэале рухавік павінен весці агонь у той самай кропцы, дзе ляжыць апаапсіс арбіты, і ў адно імгненне даставіць неабходную дэльта-V. Аднак гэта магчыма толькі пры ідэальным рухавіку.
Такім чынам, на практыцы гарэнне рухавіка пачынаецца крыху да ідэальнай кропкі і заканчваецца крыху пасля яго. Гэты апёк рухавіка (трасіроўка дугі) у сярэднім складае каля ідэальнага пункту. Гэта называецца цэнтральным апёкам, а ўсе згадкі пра апёкі асноўнага рухавіка ніжэй азначаюць тое ж самае.

У канцы згарання рухавіка, калі хуткасць касмічнага апарата ў апоапсісе LTT будзе большай, чым хуткасць уцёкаў Месяца ў гэты момант (з паверхні Месяца), касмічны апарат пазбегне гравітацыйнага ўздзеяння Месяца. Трапіць у месячную арбіту такім чынам не атрымаецца. Галоўны рухавік павінен весці агонь на працягу досыць доўгага часу і зніжае хуткасць да меншага значэння, чым хуткасць уцёкаў Месяца. Паспяховае гарэнне рухавіка, і касмічны карабель зараз на арбіце Месяца! : D

Траплянне ў арбіту Месяца пры дапамозе эфекту Оберта

Атрыманая арбіта - гэта тое, што мы называем арбітай S1. Звярніце ўвагу, што апоапсісам ЛТТ зараз з'яўляецца перыапсіс (бліжэйшая кропка) месяцовай арбіты. Тое, што арбітальная механіка працуе, з'яўляецца сваёй элементарнай прастатой даволі элегантнай.

3. Стабілізацыя арбіты

З S1 касмічны апарат зараз будзе знаходзіцца на эліптычнай арбіце вакол Месяца. Перыяпсіс арбіты S1 (100 км) выбіраецца такім, каб ён адпавядаў патрабаванням хуткасці для месяцовага спуску.

Разумееце, характар ​​арбіты (перыапсіс і апоапсіс) вызначае хуткасць у любой дадзенай кропцы і змяняецца прапарцыйна памеру арбіты. Такім чынам, месяцовы спуск трэба пачынаць з дакладнай хуткасцю, вышынёй і даўгатай, каб прызямліцца ў выбраным месцы. Захаванне перыапсісу арбіты S1 на ~ 100 км мае вырашальнае значэнне.

З-за арбітальных абурэнняў перыапсіс арбіты S1 можа значна адхіліцца ад 100 км. Калі перыапсіс будзе зменены звыш дапушчальнай велічыні, спатрэбіцца больш паліва, каб пазбегнуць некантралюемай страты вышыні і наступных аварый на Месяцы. Гравітацыя часам можа быць сярэдняй.

У перыядзе S1-периапсиса іншае абпальванне рухавіка ажыццяўляецца для зніжэння хуткасці касмічнага апарата і зніжэння апоапсісу арбіты да 1500 км.

Набываючы арбіту S2

4. Пераход на кругавую арбіту

Затым касмічны апарат ажыццяўляе яшчэ адно зніжэнне хуткасці руху рухавіка каля періапсісу S2, каб яшчэ больш паменшыць яго памер арбіты. На гэты раз апаапсіс S2 апускаецца да 100 км, што робіць новую арбіту кругавой.

Кругавая арбіта S3

Чаму круглая арбіта?

Адказ, чаму круглая арбіта патрэбная, ляжыць на арбіце S4! Самая нізкая кропка арбіты S4 прадыктавана патрабаваннямі вышыні месяцовага спуску (гэта 12 км для аптымальнага нацэльвання на паліва). Спуск таксама трэба пачынаць, калі касмічны апарат знаходзіцца на адлегласці каля 900 км ад месца пасадкі, каб нацэліць на названую пляцоўку.

Улічваючы гэтыя патрабаванні, яшчэ адно падзенне хуткасці рухавіка ажыццяўляецца ў кропцы арбіты S3, апускаючы перыапсіс да патрэбнай вышыні 12 км.

Арбіта S4 дазваляе забяспечыць спуск месяца з вышыні 12 км

У перыядзе перфапсісу S4 можа пачацца спуск, і менавіта там паступае перавага фізічнай кругавой арбіты.

Калі б S3 была эліптычнай арбітай, падобнай да S2, бліжэйшая кропка для пачатку спуску ляжала б толькі на периапсисе S2 (гл. Дыяграму арбіты S2 вышэй). Гэта стрымлівае даўгату пасадкі, не пакідаючы гнуткасці ў арыентацыі на розныя месцы пасадкі.

Замест гэтага, кругавая арбіта дазваляе вырабляць спальванне рухавіка ў любым месцы кругавой арбіты S3 і, адпаведна, выбіраць самую нізкую кропку спуску на арбіце S4. Цыркулярызацыя арбіты дазваляе забяспечваць гнуткасць у нацэльванні на розныя месцы пасадкі, патрабуючы пры гэтым найменшую колькасць энергіі.

Цяпер касмічны апарат чакае, пакуль на месцы пасадкі наступіць месяцовы світанак, перш чым пачаць месяцовы спуск.

Выснова

Гэта зацягвае погляд на месяцовыя арбіты касмічнага карабля TeamIndus. Эфектыўная канструкцыя арбіты дазваляе аптымізаваць масу касмічнага карабля для максімальнай дастаўкі карыснай нагрузкі на паверхню месяца, максімальна павялічваючы працягласць паверхневых аперацый.

Азнаёмцеся з астатнім нашым тэхналагічным блогам для больш глыбокіх пагружэнняў у касмічныя тэхналогіі і інжынерную місію.