Кіріспе
Ғарыш кемелерінің ұшу динамикасын модельдеу үшін механикалық динамиканы қолдану. Ғарыш кемелерінің ұшу динамикасы – ғарыш кемесіне немесе ғарыш аппаратына әсер ететін сыртқы күштердің оның ұшу жолын қалай анықтайтынын модельдеу үшін механикалық динамиканы қолдану. Бұл күштер негізінен үш түрге бөлінеді: көліктің қозғалтқыштарымен қамтамасыз етілетін итеру күші; Жер және басқа аспан денелерінің әсерінен туындайтын гравитациялық күш; және Жер атмосферасында немесе Марс, Венера сияқты басқа денелердің атмосферасында ұшқан кездегі аэродинамикалық көтергіш күш пен қарсылық. Ұшу динамикасының принциптері көліктің Жерден ұшырылу кезіндегі қозғалтқышты ұшуын, ғарыш аппаратының орбиталық ұшуын, орбитаны өзгерту маневрлерін, Айға және планетааралық сапарларды, атмосферасы бар немесе жоқ аспан денелерінен ұшыру мен қонуды, Жердің немесе басқа аспан денелерінің атмосферасына енуді және бағытты басқаруды модельдеу үшін қолданылады. Олар көбінесе көліктің инерциялық навигациялық жүйелеріне бағдарламаланады және НАСА-дағы ұшу динамикасы офицері немесе Еуропалық ғарыш агенттігіндегі ғарыш кемесінің навигаторы атанған ұшу басқару тобының мүшесімен жерде бақыланады. Ұшу динамикасы қозғалтқыш, аэродинамика және астродинамика (орбиталық және аспан механикасы) салаларымен байланысты. Оны қарапайым бағытты басқаруға тоғыстыруға болмайды, өйткені нағыз ғарыш кемелерінде ұшақтар мен кемелердегідей рульдік дөңгелектер немесе тізгіштер болмайды. Көркем фильмдерде бейнеленгендей, ғарыш кемесі сыртқы кеңістікте бұрыла алмайды, оның ұшу жолы тек оған әсер ететін гравитациялық күштерге және қолданылатын итеру маневрлеріне байланысты.
flight dynamics of spacecraft
Spacecraft flight dynamics is the application of mechanical dynamics to model how the external forces acting on a space vehicle or spacecraft determine its flight path. These forces are primarily of three types: propulsive force provided by the vehicle's engines; gravitational force exerted by the Earth and other celestial bodies; and aerodynamic lift and drag (when flying in the atmosphere of the Earth or other body, such as Mars or Venus). The principles of flight dynamics are used to model a vehicle's powered flight during launch from the Earth; a spacecraft's orbital flight; maneuvers to change orbit; translunar and interplanetary flight; launch from and landing on a celestial body, with or without an atmosphere; entry through the atmosphere of the Earth or other celestial body; and attitude control. They are generally programmed into a vehicle's inertial navigation systems, and monitored on the ground by a member of the flight controller team known in NASA as the flight dynamics officer, or in the European Space Agency as the spacecraft navigator. Flight dynamics depends on the disciplines of propulsion, aerodynamics, and astrodynamics (orbital mechanics and celestial mechanics). It cannot be reduced to simply attitude control; real spacecraft do not have steering wheels or tillers like airplanes or ships. Unlike the way fictional spaceships are portrayed, a spacecraft actually does not bank to turn in outer space, where its flight path depends strictly on the gravitational forces acting on it and the propulsive maneuvers applied.
Айналмалы
Дөңгелек орбита үшін ra = rp = a, ал эксцентриситет 0-ге тең. Белгілі бір радиустағы шеңберлік жылдамдық:
Ұшу жолының бұрышы
Кез келген конустық орбитаның спецификалық бұрыштық импульсі h тұрақты және периапсистегі радиус пен жылдамдықтың көбейтіндісіне тең. Орбитаның кез келген нүктесінде ол мынаған тең:
мұнда φ – жергілікті горизонтальдан (r-ге перпендикуляр) өлшенген ұшу траекториясының бұрышы. Бұл, радиус пен жылдамдық белгілі болғанда, орбитаның кез келген нүктесінде φ-ты есептеуге мүмкіндік береді:
Ұшу траекториясының бұрышы шеңберлік орбита үшін тұрақты 0 градусқа (жергілікті вертикальдан 90 градусқа) тең екенін ескеріңіз.
Орбиталық маневрлер
Орбитаға шыққаннан кейін ғарыш кемесі ракеталық қозғалтқыштарды қолданып, бір жазықтықта биіктікті өзгертуге немесе орбитаның түрін өзгертуге, немесе орбита жазықтығын өзгертуге болады. Бұл маневрлер кеменің жылдамдығын өзгертуді талап етеді, ал классикалық ракета теңдеуі берілген дельта v үшін қажетті отын мөлшерін есептеуге қолданылады. Дельта v бюджеті миссия үшін қажетті отынның жалпы мөлшерін есептейді немесе белгілі бір отын мөлшерінен қамтамасыз етілетін жалпы дельта v-ны анықтайды. Көптеген орбиталық маневрлерді импульстік деп модельдеуге болады, яғни жылдамдықтың дерлік бірден болатын өзгеруі ретінде, бұл орай дәлдіктің айтарлықтай жоғалуына алып келмейді.
Айдан тыс ұшу
Айға немесе планетаға жіберілген аппараттар әдетте тікелей ұшу траекториясына жіберілмейді, алдымен Жердің төменгі тұрақтандыру орбитасына шығарылады; бұл үлкенірек ұшыру терезесіне және аппараттың ұшуға дайын екенін тексеру үшін қосымша уақытқа мүмкіндік береді. Айға ұшу үшін қашу жылдамдығы қажет емес; керісінше, аппараттың апогейі Айдың гравитациялық ықпал аймағына (ГЫА) кіретін нүктеден жеткілікті биікке көтеріледі. Бұл спутниктің ғарыш аппаратына түсіретін гравитациялық күші орталық дененің күшіне тең болатын қашықтық ретінде анықталады, мұнда D – спутниктен орталық денеге дейінгі орташа қашықтық, ал mc және ms – тиісінше орталық дене мен спутниктің массалары. Бұл мән Жердің Айға шамамен тең. Траекторияның дәл шешімі үш дене проблемасы ретінде қарастырылуы керек, бірақ алдын ала есептеу Жер мен Айдың айналасындағы орбиталардың ГЫА нүктесінде біріктірілген конустық жуықтауы арқылы жасалуы мүмкін, сонымен қатар Айдың Жерді айналатын айналмалы координаттық жүйе екендігі ескерілуі тиіс.
where D is the mean distance from the satellite to the central body, and mc and ms are the masses of the central body and satellite, respectively. This value is approximately from Earth's Moon. An accurate solution of the trajectory requires treatment as a three body problem, but a preliminary estimate may be made using a patched conic approximation of orbits around the Earth and Moon, patched at the SOI point and taking into account the fact that the Moon is a revolving frame of reference around the Earth.
Ортаңғы түзетулер
Қарапайым Ай траекториясы бір жазықтықта қалады, нәтижесінде Айдың экваторына шамалы еңіс бұрыштарында Ай маңынан өту немесе оның орбитасына ену мүмкіндігі туады. Бұл сондай-ақ "еркін оралу" опциясын да қамтамасыз етеді, яғни ғарыш кемесі Ай орбитасына енгізілмеген жағдайда Жер атмосферасына қайта кіруге қолайлы жағдайға оралуы мүмкін. Траекториядағы қателерді түзету үшін көбінесе шамалы жылдамдық өзгерістері жеткілікті. Осы траектория Аполлон-8, Аполлон-10, Аполлон-11 және Аполлон-12 миссияларында қолданылды. Ай орбитасының немесе қондыру алаңының (Айдың үлкен еңіс бұрыштарында) жабу аймағын кеңейту үшін ұшу барысында жазықтықты өзгерту маневрі жасауға болады; бірақ, бұл "еркін оралу" мүмкіндігінен айырылуға әкеледі, себебі жаңа жазықтық ғарыш кемесінің төтенше жағдайдағы оралу траекториясын Жер атмосферасына қайта кіру нүктесінен алыстатып, оны Жердің жоғары орбитасында қалдырады. Осы типтегі траектория соңғы бес Аполлон миссиясында (13-ден 17-ге дейін) қолданылды.
Жүктелу терезесі
Миссия үшін қажетті жылдамдық өзгеруінің уақыты планеталардың салыстырмалы орналасуының үнемі өзгеруіне байланысты үлкен айырмашылықтарға ие. Сондықтан, ең қолайлы ұшыру терезелері көбінесе "шошқа шабағы" графиктерінің нәтижелері бойынша таңдалады, бұл графиктелер шығу және келу уақытына тәуелді сипаттамалық энергияның (v∞2) контурларын көрсетеді.
Атмосфераға кіру
Көліктің бақыланатын кіруі, түсуі және қонуы, аэродинамикалық қарсылықтан туындаған қызу арқылы артық кинетикалық энергияны төмендету арқылы жүзеге асырылады, бұл үшін жылудан қорғау шаралары және/немесе кері тарту күші қажет. Соңғы түсу кезеңі әдетте парашюттер және/немесе ауа тежегіштері арқылы қамтамасыз етіледі.