Gravity turn/ru

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 высоты, 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

В начале маневра, угол наклона в гравитационном маневре зависит, главным образом, от трех условиий:

1. Наличия каких-либо преград на своей траектории полета;
2. Наличия и плотности атмосферы;
3. Гравитации локального небесного тела и, дополнительно, соотношение тяги к весу (TWR) самого аппарата.

Любых холмов или гор на своем курсе полета нужно, естественно, избегать. Поскольку изменение высоты поворота для преодоления препятствия может не являться самым эффективным курсом полета для гравитационного маневра, то это может помочь избежать крушения.

На телах без атмосферы, запущенный аппарат не должен волноваться ни о каком создаваемом аэродинамическом сопротивлении, и, таким образом, должен повернуться носом как можно ближе к горизонтали, сразу, как только позволяет его соотношение тяги к весу (TWR) и высота находящегося на траектории рельефа местности. Выполнение этого минимизирует процент тяги, затраченный на сопротивление силе тяжести при максимизации процента тяги, затраченного на получение горизонтальной скорости, достаточной для достижения орбиты.

На планетах с атмосферой, однако, время и значение наклона крайне важны для успеха и эффективности гравитационного маневра. Если аппарат выполнит его на слишком маленький или слишком большой угол при своем полете, то он потратит впустую больше топлива на борьбу с силой тяжести, чем использовалось бы для преодоления аэродинамического сопротивления. Если аппарат начнет его слишком рано или слишком поздно, то он будет лететь более долгое расстояние через атмосферу, теряя больше скорости на аэродинамическое сопротивление, требуя больше топлива на возврат этой потерянной скорости. Если таковы результаты поворота аппарата в горизонтальном направлении до выхода за пределы атмосферы, то аппарат должен будет потратить больше характеристической скорости для достижения необходимой высоты, если тяговооруженность (TWR) текущей ступени позволяет это. В противном случае, это приведет к неизбежному столкновению с поверхностью.

Сила силы тяжести локального небесного тела также учитывается при расчете. На небесных телах с очень сильными гравитационными колодцами, большая часть тяги должна быть потрачена на борьбу с силой тяжести, оставляя малую часть тяги для затрат на набор высоты и боковой скорости. На таком небесном теле это означает поворот на большой высоте под острым углом к вертикали. С другой стороны, на небесном теле с очень слабой гравитацией, поворот может быть совершен на низкой высоте под более острым углом к горизонту. тяговооруженность аппарата также влияет на время начала поворота. У аппаратов с очень высокой тяговооруженностью будет достаточно тяги для экономии, таким образом, они смогут потратить меньший процент своей тяги на борьбу с силой тяжести и больший процент на получение боковой скорости. Это означает, что такой аппарат может сделать свой гравитационный маневр ниже и более резко, чем аппарат с низкой тяговооруженностью. Гравитационные маневры не полностью совершенны. Наиболее эффективный гравитационный маневр будет при непрерывном движении работающего сопла двигателя до завершения маневра по хорде. Такие факторы как изменение тяговооруженности во время полета аппарата и время человеческой реакции не дают им быть совершенными. В таком случае аппарат, возможно, должен приостановить работу двигателя, сразу после выхода из слоев атмосферы, двигаться по инерции к апоцентру, а после - включить двигатель и перемещать сопло по дуге.

Например, исходя из надлежащей синхронизации поворота и результата, самый эффективный гравитационный маневр для Кербина начинается на высоте около 10 километров, с наклоном аппарата и значка вектора на значение от 30 до 40 градусов выше искусственного горизонта.

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;