Gravity turn/hu
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 rakétára ható erők az indulás után
A rakétára ható erők a rakéta 30°-os bedöntése után
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 erő nyomatéka fordítja a haladási irányba, légkör vagy szárnyacskák nélkül pedig az eszköz kezelőjére hárul ez a feladat, 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 a 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]
Hogy mikor mekkora a bedőlés a gravitációs forduló során, az három dologtól függ:
- Bármely lehetséges akadály a pályagörbén
- A légkör sűrűsége és annak változása, valamint a jármű légellenállási tényezője és legnagyobb megengedhető dinamikus nyomása
- 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.
A Kerbinről való indításkor mintegy 2 km magasságig tart a függőleges mászás (vagy a 150-200 m/s sebesség eléréséig), ekkor mintegy 3-5 fokkal kell bedönteni a kívánt irányba (ami Kelet az alapvető prográd egyenlítői pályáknál, vagy észak-dél a poláris pályáknál). Utána a prográd iránnyal (
) összhangba hozva kell az ideális ívet követni. Ez természetesen több irányszög-szintmagasság megjegyzését jelenti, ami minden eszközre és égitestre más és más. Röviden: 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
