Difference between revisions of "Gravity turn/hu"

Revision as of 00:31, 24 February 2015

A gravitációs forduló [gravity turn] egy manőver amellyel a járművek felemelkedhetnek a égitest körüli pályára, vagy leszállhatnak a felszínre, miközben a lehető legkevesebb hajtóanyagot használják fel. A felszíntől való elszakadáshoz a járműnek nagyobb erővel kell emelkednie, mint amekkorával a tömegvonzás visszahúzza. A stabil pályához a járműnek kellően nagy magasságban elég nagy oldalirányú sebességének kell lennie, hogy elkerülje a felszíni képződményeknek való ütközést és a légköri súrlódás be lassítsa le, már ha van légkör. A gravitációs forduló ezt a két lépést egyetlen manőverben köti össze, az eljárás során az üzemanyagot kímélve. Ahogy a jármű függőlegesen emelkedik, egy kis rásegítésre lassan oldalra billen amíg végül teljesen oldalsó irányba fordul.

Analógiaként képzeljünk el egy pályára emelkedést gravitációs forduló nélkül: a jármű függőlegesen felemelkedne aztán 90 fokkal elfordulna amint elérte a pályamagasságot. Gondoljunk a gravitációs fordulóra, mint egy „kanyarlevágásra”. Ez egy rövidebb út, így üzemanyagot spórol meg.

Ez a hatékonyság alkalmazható a keringési pályáról történő leszállásnál is. Ahelyett, hogy az összes vízszintes sebességet eltüntetnénk az elején egy kiadós ellenégetéssel a felszínre való lassú leereszkedés előtt, hatékonyabban lehet leszállni, ha a vízszintes és a függőleges sebesség egyszerre történő csökkentésével.

Mechanika

A gravitációs forduló a tömegvonzás ellen a lehető legkevesebbet dolgozik amely lehetővé teszi a manőverhez szükséges szintmagasság és vízszintes sebesség gyűjtését. Mivel az adott égitest tömegvonzása mindig vonzza a járművet, amely mindig lassan gyorsít oldalirányban mikor csak kissé tér tér el a függőlegestől, és sokkal gyorsabban, ha a jobban be van döntve a jármű. Amíg az elindult jármű függőlegesen halad felfelé akkor a hatékonyan költi a Δv-t a magassághoz anélkül, hogy akár a legkevesebb oldalirányú sebességet gyűjtené amely a keringéshez szükséges lenne. Rövidebben a hosszan tartó függőleges indulás a legkevésbé hatékony.

A felemelkedéskor a gravitációs fordulót a következőként lehet végrehajtani. Feltételezve a lapos indulási helyszínt, a manőver a függőleges kilövést követően egy függőleges emelkedéssel [verical climb] kezdődik , egy bizonyos magasság elérése után egy bedöntési manőver [pitchover maneuver] következik. A függőlegestől való kis eltérés a sebességvektort lassan elkezdi befordítani a jármű haladási irányát a bedöntés irányába, magát a járművet légkör jelenléte esetén a rakéta alján látható szárnyaskákon keletkező fordítja a haladási irányba, összehangolva ezzel a sebességvektor és a gyorsulásvektor irányát. Ahogy ez történik a jármű lassan növelni kezdi a vízszintes sebességét, amely nem közvetlenül a tömegvonzás ellen hat, és az oldalirányú sebesség centrifugális erő hatására folytonosan csökkenti a tömegvonzás hatását - ezzel hatékonyan megtakarítva a hajtóanyagot és az időt. Minél nagyobb az oldalirányú befordulás, annál nagyobb rész növeli tovább a sebességet, és annál kevesebb hajtóanyag használódik a tömegvonzás leküzdésére. Mivel a helyes alkalmazás esetén ennek az irányváltozásnak nagyobb része a gravitáció következménye, újabb kisebb hajtóanyag takarítható meg. A gravitációs forduló végén már a tömegvonzás leküzdésére nem veszik el több hajtóanyag. Ha a jármű elég vízszintes sebességet szerzett egy a hegyek és a légkör feletti magasságban, akkor sikerült stabil keringési pályára állnia.

A gravitációs forduló pályaíve több tényezőtől függ. A légkörrel rendelkező égitesteknél a légnyomás és annak változása erősen befolyásoló tényező.

Időzítés [Timing]

A rakéta röppályája a Kerbin felszínéről 70km-es magasságig való emelkedés közben

Hogy mikor mekkora a bedőlés a gravitációs forduló során, az három dologtól függ:

1. Bármely lehetséges akadály a pályagörbén
2. A légkör sűrűsége és annak változása, valamint a jármű légellenállási tényezője és legnagyobb megengedhető dinamikus nyomása
3. Az adott égitest gravitációjának nagysága és a jármű tolóerő-súly aránya (TWR)

A dombokat vagy hegyeket az repülési útvonalon nyilvánvalóan el kell kerülni. Ha az akadályok elkerülése céljából megváltozik a fordulás magassága az ütközést elkerülő útvonal már nem a leghatékonyabb útvonal.

A légkör nélküli égitesteken a felemelkedő járműveknek nem kell aggódniuk a légellenállás miatt, és ennek megfelelően a bedöntési manővert az elrugaszkodás után azonnal meg lehet kezdeni, és olyan lapos pályán lehet haladni (gyorsan lehet közelíteni a vízszintes helyzetet), amennyire a TWR és a környező terepviszonyok megengedik. Így cselekedve minimalizálni lehet a tömegvonzás ellenében veszendőbe menő hajtóanyag arányát és maximalizálni a vízszintes gyorsítást amely a pálya eléréséhez szükséges, így elérve a legnagyobb hatékonyságot.

A légkörrel rendelkező égitesteken a bedöntési manőver időzítése és a röppályán emelkedés közben a dőlésszög lényeges a gravitációs forduló sikeressége és hatékonysága szempontjából. Ha egy jármű túl későn kezdi meg a bedöntési manővert vagy túl enyhe szögben fordul, akkor több hajtóanyagot veszít a tömegvonzás ellenében, mint amennyit a légellenálláson megtakarít. Ha a jármű túl hamar vagy túl nagy mértékben fordul el, akkor hosszabb ideig halad a légkörön keresztül, és több hajtóanyagot igényel a légellenállás leküzdése. Ha a fordulás következtében a jármű vízszintes helyzetbe kerül mielőtt elérné a légkör határát, akkor a hajónak több Δv-t kell a megfelelő szintmagasság eléréséhez, ha az adott fokozat TWR-je megengedi. Ha nem, akkor elkerülhetetlen a felszínnek ütközés. Nem árt tudni, hogy a légkörben való emelkedés közben az ideálisnál meredekebb röppálya kisebb kockázatot és veszteséget jelent, mint a túl lapos. A légkör miatt ugyancsak figyelni kell arra, hogy a dinamikus légköri nyomás károsíthatja a szerkezetet, valamint a túl nagy sebességgel történő emelkedés esetén előfordulhat, hogy a túlontúl megnövekedő légellenállás miatti többlet hajtóanyag-felhasználás nagyobb lesz mint a gravitáció ellenében történő megtakarítás. Ez utóbbinak az optimalizálásához az esési sebesség ad támpontot.

Az adott égitest gravitációjának erejének is megvan a hatása. Az erős tömegvonzással rendelkező égitesteken a tolóerő nagyobb része fordítódik a tömegvonzás leküzdésére, kisebb részt hagyva a magasság növelésére és az oldalirányú sebesség növelésére. Ilyen égitesteken magasabban megkezdett fordulót jelent enyhe bedöntési szöggel. Következésként az alacsony gravitációjú égitesteken alacsonyan lehet elkezdeni a fordulást és élesebb bedöntési szöggel. A jármű TWR-je szintén befolyásolja a fordulást. A magas TWR több szétosztható tolóerőt jelent, így kisebb arányban kell a tömegvonzás leküzdésére fordítani és több marad a vízszintes sebesség növelésére. Ez annyit jelent, hogy egy magasabb TWR-rel rendelkező jármű alacsonyabban és élesebb szögben fordulhat, amely többnyire gyorsabb és hatékonyabb felemelkedést, és így kisebb Δv igényt jelent.

A gravitációs forduló nem mindig tökéletes. A leghatékonyabb gravitációs forduló folytonos égetést jelentene a körpálya kialakításáig. A tényezők, mint a TWR változása a repülés közben és az emberi reakcióidő is gátat jelent ebben. A forgatókönyvekben ennél egyszerűbb leírás szerepel: a járművel le kell állítani a gyorsítást ahogy kilépett a légkörből, és elérve az apoapaszist kell megkezdenie a körpálya kialakító gyorsítást.

Gyakran hangoztatott tanácsokra egy példa: „a pontos időzítés és mennyiség, a „leghatékonyabb” gravitációs forduló esetén a Kerbinen 10 kilométer magasan kezdődik, és az irány 30-40 fokkal a mesterséges horizont felett”. Ez természetesen távolról sem a leghatékonyabb megoldás (sőt...), de lényegesen kevesebb információ megjegyzését igényli, mint ha az ideális sima pályagörbét ha nem is féloldalas egyenlettel írnánk le, de legalább 10 irányváltoztatási ponttal közelítenénk. Az ideális röppálya sima, és a bedöntési manőver után végig a prográd () irányt követi - vagy esetenként az ívhibák folytonos javítása miatt eltérhet néhány fokkal.

Tolóerő súly arány

A jármű TWR-je nagyban befolyásolja a gravitációs fordulót. A hajtóanyag fogyasztása ahogy telik az idő folyamatosan növeli a jármű TWR-jét. A TWR szintén változik a fokozatok leválásával, emelkedik az üres tankok leválásával, csökken a használható hajtóművek elvesztésével. Ha a jármű túl élesen fordul, akkor teljesen kimerítheti az erős emelőfokozatokat, mielőtt kikerült volna a sűrűbb légkörből, és az alacsony TWR-rel rendelkező fokozat lép működésbe, amely nem képes legyőzni a légellenállást és a gravitációt, aminek a vége a földhöz csapódás is lehet. Ha a jármű jó gravitációs fordulót vesz, és a kezdőfokozatok eredményesen kijuttatják a légkörből, de a következő fokozat már nem feltétlenül képes olyan gyorsulásra (kicsi a tolóerő-tömeg aránya), hogy megfelelő gyorsasággal a kis oldalsebességből kialakíthasson egy megfelelő körpályát, az emiatt visszazuhanhat a sűrűbb légkörbe és még így is a felszínnek ütközhet.

Leszálláskor [Landing]

Leszálláskor ugyanúgy egy gravitációs forduló jelenti a hatékony leszállás kulcsát. A felszálláshoz képest szinte csak annyi a különbség, hogy a dolgok időben visszafelé történnek. A retrográd () gyorsítás és a tömegvonzás együttes hatására szépen folyamatosan elenyészik az oldalirányú sebesség, miközben a jármű függőleges irányba fordul, és lebegésbe vált, lehetővé téve a földet-érést.

A légkör jelenléte ilyenkor kifejezetten nagy segítséget jelent, mivel légellenállásból adódó fékező erő a gravitációs forduló igényeinek megfelelően a pontosan párhuzamos a sebességvektorral, csak éppen ellentétes irányú - azaz prográd. Így a légellenállás lényegében egy fordított gravitációs fordulót kényszerít a járműre - és ezt a hatást a légellenállás ernyővel történő növelésével tovább lehet fokozni. A megfelelően sűrű légkörben a megfelelő mennyiségű ejtőernyő az esési sebességet olyan szintre csökkentheti, hogy a jármű a hajtóművek használata nélkül is képes lehet a biztonságos földet-érésre.

A megfelelő légkör hiányában a helyzet továbbra is ugyan az, csak a manővert a légellenállás mindig jó irányba néző ingyenes hajtóműve nélkül végrehajtani. A légkör nélkül a felszálláskor gyakorlatilag a felszíntől való elemelkedés után azonnal meg lehet kezdeni a bedöntési manővert, és a legnagyobb teljesítménnyel kell gyorsítani. A leszálláskor ez annyit jelent, hogy lényegében a lehető legkésőbb és a legnagyobb tolóerővel kell folyamatosan a retrográd () irányba gyorsítani, hogy aztán a végén éppen csak a felszín felett érjük el a függőeleges irányt és a leszállási sebességet. Azaz az ideális pálya közelítésével a hatékonysággal együtt a manőver kockázata is növekszik. Józan megfontolásból némi biztonsági magasságráhagyással érdemes számolni, de függőleges irányba fordulás után az ereszkedést a józanság határain belül a lehető leggyorsabban kell végrehajtani.

Lásd még

• Orbitális repülés a Wikipédián
• Gravity turn on Wikipedia