Difference between revisions of "Gravity turn/ru"

Revision as of 13:21, 11 September 2014

Гравитационный маневр (англ. "gravity turn") - это маневр, используемый для запуска аппарата на, или его спуска с орбиты вокруг небесного тела при минимальном потреблении топлива. Для отрыва от поверхности, аппарат должен набирать высоту быстрее, чем сила тяжести его притягивает. Для поддержания стабильной орбиты, у аппарата должен быть достаточный поперечный импульс на достаточной высоте, чтобы избежать столкновения с какими-либо неровностями рельефа или замедления атмосферой, если таковые имеются. Гравитационный маневр совмещает эти два действия в один маневр, экономя топливо в процессе. Поскольку аппарат начинает взлетать вертикально, то он медленно поворачивается на бок, и летит параллельно поверхности небесного тела, с которого был запущен.

Для сравнения, представим себе достижение орбиты без гравитационного маневра: это должен быть прямой полет, вертикально к поверхности, затем - поворот на 90 градусов при достижении высоты достаточной для достижения орбиты. Считайте, что гравитационный маневр - это "сокращение угла", так сказать. Он - наиболее короткий путь и, таким образом, экономит больше топлива.

Такая эффективность также применима при спуске с орбиты. Вместо уничтожения всей горизонтальной скорости и последующего медленного спуска на поверхность, в действительности, наиболее эффективно замедлить свои горизонтальную и вертикальную скорости одновременно.

Механика

Силы, воздействующие на ракету при пуске.

Силы, воздействующие на ракету, после ее наклона на 30° (при выполнении гравитационного маневра).

Гравитационные маневры используют гравитацию для разгона. Гравитационные маневры работают, противодействуя силе тяжести наименьшее затратным способом, возможным, чтобы получить достаточную высоту и горизонтальную скорость для желаемого маневра. Так как гравитация локального небесного тела всегда притягивает аппарат, то он всегда будет ускоряться медленнее при направлении прочь от этого небесного тела и ускоряться быстрее в любом другом направлении, отличном от строгой вертикали. Если бы запущенный аппарат следовал строго вертикальным курсом полета, то он потратил бы всю свою тягу, ускоряясь в самом медленном направлении, эффективно растрачивая большую часть характеристической скорости, чтобы получить наименьшее количество скорости, не получая, при этом, боковой составляющей скорости, необходимой для движения по орбите. Другими словами, строго вертикальный запуск - наименее эффективный запуск.

Гравитационный маневр выполняется следующим образом. Если принять стартовую площадку за идеально плоскую, то маневр начинается с вертикального запуска, а, при достижении определенной высота, выполняется небольшой поворот. Повернувшись немного от вертикали, сила тяжести потянет вектор скорости аппарата к тому направлению, к которому наклоняется аппарат, следуя за ней. Из-за этого аппарат получает больше скорости раньше, поскольку он перемещается по вектору, который не является прямо противоположным по отношению к вектору силы тяжести, эффективно экономя топливо и время. Дальнейшие наклоны вектора в сторону, уменьшают процент тяги, затрачиваемый на борьбу с силой тяжести, и увеличивают процент тяги, затрачиваемый на получение скорости. Поскольку большинство изменений этого вектора сделано силой тяжести, а не средствами управления полетом, то сохраняется еще какая-то небольшая часть топлива. К концу гравитационного маневра никакое топливо не тратится впустую на борьбу с силой тяжести. Если аппарат получил достаточно боковой скорости на высоте выше любых гор или атмосферы, тогда он начинает движение по стабильной орбите.

Высота начала гравитационного маневра зависит от нескольких факторов. На небесных телах с атмосферой, аэродинамическое сопротивление также учитывается при определении наиболее эффективного гравитационного маневра.

Расчет

When to begin and the amount of tilt in a gravity turn are based mainly on three things:

1. any possible obstructions in your flight path
2. the density of any atmosphere
3. the gravity of the local body and by extension the craft's thrust-to-weight ratio (TWR)

Any hill or mountain in your flight path should obviously be avoided. While changing the height of the turn to clear an obstacle may not be the most efficient flight path for a gravity turn, it will avoid a collision.

On bodies with no atmospheres, a launched craft need not worry about any drag generated, and thus should turn to face near horizontal as early as possible given its TWR and the height of nearby surface features. Doing this minimizes the percentage of thrust spent resisting gravity, while maximizing the percentage of thrust spent gaining enough horizontal speed to achieve orbit.

On planets with an atmosphere however, timing and amount of tilt are crucial to the success and efficiency of a gravity turn. If a craft turns too late or too little in its flight, it will waste more fuel fighting gravity than would be used resisting drag. If a craft turns too early or too far, it will travel a longer distance through the atmosphere, losing more speed to drag, requiring more fuel to regain that lost speed. If such a turn results in the craft pointing horizontal before arriving at an altitude above the atmosphere, then the craft will have to spend more delta-V to gain the necessary altitude, if the TWR of the current stage allows it. If not, then it will result in an inevitable surface collision.

The gravity strength of the local body also comes into effect. On bodies with very strong gravity wells, a larger portion of thrust must be spent fighting gravity, leaving a smaller portion of thrust to spend gaining altitude and lateral speed. On such a body, that means a high turn at a narrow angle. Conversely, on a body with very light gravity, the turn can be low at a sharper angle. The craft's TWR also affects when to begin a turn. Crafts with very high TWRs will have plenty of thrust to spare, so they can spend a smaller percentage of their thrust fighting gravity and a larger percentage gaining lateral speed. This means that such a craft can make their gravity turns lower and sharper than a craft with a low TWR.

Gravity turns are not always perfect. The most efficient gravity turn will have a continuous burn right up to completing circularization. Factors like TWR changing as the craft flies and human reaction time keep them from being perfect. In such a scenario, the craft may need to pause its burn once any atmosphere is escaped, coast to apoapsis and then do a circularization burn.

For an example of proper turn timing and amount, the most efficient gravity turn on Kerbin begins around 10 kilometers, with the ship and vector marker facing 30 to 40 degrees above the artificial horizon.

Соотношение силы тяги к весу (TWR)

Соотношение тяги к весу (TWR) аппарата значительно влияет на его гравитационный маневр. Сжигание топлива постоянно продолжает повышать соотношение тяги к весу аппарата. Соотношение тяги к весу также изменяется при отделении ступеней, повышаясь из-за потери пустых топливных баков, и понижаясь из-за потери двигателей. Если аппарат совершит слишком резкий гравитационный маневр, то он может полностью исчерпать свои наиболее мощные первые ступени прежде, чем выйдет за пределы атмосферы и использовать ступень, предназначенную для большей высоты, но, в данных условиях, имеющую слишком низкое соотношение тяги к весу, чтобы бороться с силой гравитации, что, в конечном счете, приведет к столкновению с поверхностью. Если аппарат совершит слишком узкий гравитационный маневр, то он может потратить свои наиболее мощные первые ступени и достичь высоты выше границ атмосферы, и тогда использовать ступень с соотношением тяги к весу не достаточно мощным, чтобы достичь орбиты, в конечном итоге, повторно входя в атмосферу и сталкиваясь с поверхностью.

Обратите внимание

• Gravity turn on Wikipedia;
• Гравитационный маневр в Википедии;