Delta- v budget

В астродинамике и аэрокосмической отрасли бюджет дельта -v представляет собой оценку общего изменения скорости ( дельта - v ), необходимого для космического полета . Он рассчитывается как сумма дельта-v, необходимая для выполнения каждого маневра , необходимого во время миссии. В качестве входных данных для уравнения ракеты Циолковского оно определяет, сколько топлива требуется для транспортного средства с заданной массой пустого двигателя и двигательной установкой.
Дельта- v — скалярная величина, зависящая только от желаемой траектории, а не от массы космического корабля. Например, хотя для перевода более тяжелого спутника связи с низкой околоземной орбиты на геостационарную орбиту требуется больше топлива , чем для более легкого, требуемая дельта -v одинакова. Дельта- v также является добавочной величиной, в отличие от времени горения ракеты, причем последнее имеет больший эффект на более поздних этапах миссии, когда израсходовано больше топлива.
Таблицы дельта- v, необходимые для перемещения между различными космическими режимами, полезны при концептуальном планировании космических миссий. В отсутствие атмосферы дельта- v обычно одинакова для изменений орбиты в любом направлении; в частности, набор и потеря скорости требуют равных усилий. Атмосфера может быть использована для замедления космического корабля путем аэроторможения .
Типичный дельта - бюджет может перечислять различные классы маневров, дельту- v на маневр и количество каждого маневра, требуемого в течение срока миссии, а затем просто суммировать общую дельту- v , что очень похоже на типичный финансовый бюджет. Поскольку дельта-v, необходимая для выполнения миссии, обычно варьируется в зависимости от относительного положения гравитирующих тел, окна запуска часто рассчитываются на основе графиков свинины , которые показывают зависимость дельта- v от времени запуска.
Общие принципы
[ редактировать ]Уравнение ракеты Циолковского показывает, что дельта-v ракеты (ступени) пропорциональна логарифму отношения массы заправленного к пустому аппарату и удельному импульсу ракетного двигателя. Ключевой целью при проектировании траекторий космических полетов является минимизация необходимой дельты v, чтобы уменьшить размер и стоимость ракеты, которая потребуется для успешной доставки любой конкретной полезной нагрузки к месту назначения.
Простейший дельта-бюджет можно рассчитать с помощью переноса Хомана , который перемещается с одной круговой орбиты на другую компланарную круговую орбиту через эллиптическую переходную орбиту. В некоторых случаях биэллиптическая передача может дать более низкую дельту-v.

Более сложный переход происходит, когда орбиты некомпланарны. В этом случае для изменения плоскости орбиты необходима дополнительная дельта-v. Скорость корабля требует существенного снижения скорости на пересечении двух орбитальных плоскостей, а дельта-v обычно чрезвычайно высока. Однако в некоторых случаях эти изменения плоскости могут быть почти свободными, если для выполнения отклонения используются сила тяжести и масса планетарного тела. [ нужна ссылка ] . В других случаях разгон до апоапсиса относительно большой высоты дает низкую скорость перед выполнением смены самолета, что требует более низкой общей дельта-v.
Эффект рогатки можно использовать для увеличения скорости/энергии; если транспортное средство проезжает мимо планетарного или лунного тела, можно увеличить (или потерять) часть орбитальной скорости этого тела относительно Солнца или другой планеты.
Другой эффект — эффект Оберта — его можно использовать для значительного уменьшения необходимой дельта-v, поскольку использование топлива с низкой потенциальной энергией и высокой скоростью умножает эффект горения. Так, например, дельта-v для перехода Гомана с радиуса орбиты Земли на радиус орбиты Марса (для преодоления гравитации Солнца) составляет много километров в секунду, но прирост с низкой околоземной орбиты (НОО) сверх и сверх сжигания для преодоления гравитации Солнца. Гравитация Земли намного меньше, если сжигание происходит близко к Земле, чем если сжигание для достижения переходной орбиты Марса выполняется на орбите Земли, но далеко от Земли.
Менее используемый эффект – низкая передача энергии . Это сильно нелинейные эффекты, которые действуют за счет орбитальных резонансов и выбора траекторий, близких к точкам Лагранжа . Они могут быть очень медленными, но используют очень мало delta-v.
Поскольку delta-v зависит от положения и движения небесных тел, особенно при использовании эффекта рогатки и эффекта Оберта, бюджет delta-v меняется со временем запуска. Их можно нанести на график свиной отбивной .
Коррекция курса обычно также требует некоторого запаса топлива. Двигательные системы никогда не обеспечивают точное движение в правильном направлении в любое время, а навигация также вносит некоторую неопределенность. Некоторое количество топлива необходимо зарезервировать для корректировки отклонений от оптимальной траектории.
Бюджет
[ редактировать ]
Запуск/посадка
[ редактировать ]Требования к дельта-v для суборбитального космического полета намного ниже, чем для орбитального космического полета. Для достижения высоты Ansari X Prize в 100 км космическому кораблю номер один требовалась дельта-v примерно 1,4 км/с. Чтобы достичь начальной околоземной орбиты Международной космической станции высотой 300 км (теперь 400 км), дельта-v должна быть более чем в шесть раз выше, около 9,4 км/с. Из-за экспоненциального характера уравнения ракеты орбитальная ракета должна быть значительно больше.
- Запуск на НОО - для этого требуется не только увеличение скорости с 0 до 7,8 км/с, но также обычно 1,5–2 км/с для атмосферного и гравитационного сопротивления. [ нужна ссылка ]
- Возвращение с НОО — необходимая дельта-v — это орбитальный маневр, позволяющий снизить перигей в атмосферу, обо всем остальном позаботится атмосферное сопротивление.
Космос Земля-Луна — высокая тяга
[ редактировать ]Дельта-v, необходимая для движения внутри системы Земля-Луна (скорости ниже скорости убегания ), указаны в км/с. В этой таблице предполагается, что эффект Оберта используется - это возможно при использовании химической двигательной установки с большой тягой, но не при использовании нынешней (по состоянию на 2018 год) электрической двигательной установки.
Возврат к цифрам на околоземной орбите предполагает использование теплового экрана и аэроторможения / аэрозахвата для снижения скорости до 3,2 км/с. Тепловой экран увеличивает массу, возможно, на 15%. Если теплозащитный экран не используется, применяется более высокое значение Delta-v «от LEO». Дополнительное топливо, необходимое для замены аэродинамического торможения, вероятно, будет тяжелее теплового экрана. LEO-Ken — это низкая околоземная орбита с наклоном к экватору 28 градусов, соответствующая запуску из Космического центра Кеннеди . LEO-Eq — экваториальная орбита. [ нужна ссылка ]
д | ЛЕО-Кен | LEO-Eq | ГЕО | ЕМЛ-1 | ЕМЛ-2 [1] | ЕМЛ-4/5 | ЛЛО | Луна | С3=0 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Земля | 9.3–10 | ||||||||
Низкая околоземная орбита (LEO-Кен) | 4.24 | 4.33 | 3.77 | 3.43 | 3.97 | 4.04 | 5.93 | 3.22 | |
Низкая околоземная орбита (LEO-Eq) | 4.24 | 3.90 | 3.77 | 3.43 | 3.99 | 4.04 | 5.93 | 3.22 | |
Геостационарная орбита (GEO) | 2.06 | 1.63 | 1.38 | 1.47 | 1.71 | 2.05 | 3.92 | 1.30 | |
Точка Лагранжа 1 (EML-1) | 0.77 | 0.77 | 1.38 | 0.14 | 0.33 | 0.64 | 2.52 | 0.14 | |
Точка Лагранжа 2 (EML-2) | 0.33 | 0.33 | 1.47 | 0.14 | 0.34 | 0.64 | 2.52 | 0.14 | |
Точка Лагранжа 4/5 (EML-4/5) | 0.84 | 0.98 | 1.71 | 0.33 | 0.34 | 0.98 | 2.58 | 0.43 | |
Низкая лунная орбита (LLO) | 0.90 | 0.90 | 2.05 | 0.64 | 0.65 | 0.98 | 1.87 | 1.40 | |
Поверхность Луны | 2.74 | 2.74 | 3.92 | 2.52 | 2.53 | 2.58 | 1.87 | 2.80 | |
Земли Скорость отрыва от ( C3 =0) | 0 | 0 | 1.30 | 0.14 | 0.14 | 0.43 | 1.40 | 2.80 |
Космос Земля-Луна — малая тяга.
[ редактировать ]Современные электрические ионные двигатели производят очень низкую тягу (миллиньютоны, что составляет небольшую долю g), поэтому эффект Оберта обычно не может быть использован. Это приводит к тому, что путешествие требует более высокой дельта- V и часто значительного увеличения времени по сравнению с химической ракетой с высокой тягой. Тем не менее, высокий удельный импульс электродвигателей может существенно снизить стоимость полета. Для миссий в системе Земля-Луна увеличение времени полета от дней до месяцев может быть неприемлемо для полета человека в космос, но различия во времени полета для межпланетных полетов менее значительны и могут быть благоприятными.
В таблице ниже представлены значения дельта- v в км/с, обычно с точностью до 2 значащих цифр и одинаковые в обоих направлениях, если не используется аэроторможение, как описано выше в разделе о высокой тяге. [2]
От | К | Delta-v (km/s) |
---|---|---|
Низкая околоземная орбита (НОО) | Лагранжиан Земля-Луна 1 (EML-1) | 7.0 |
Низкая околоземная орбита (НОО) | Геостационарная околоземная орбита (GEO) | 6.0 |
Низкая околоземная орбита (НОО) | Низкая лунная орбита (LLO) | 8.0 |
Низкая околоземная орбита (НОО) | Лагранжиан Солнца – Земли 1 (SEL-1) | 7.4 |
Низкая околоземная орбита (НОО) | Лагранжиан Солнца – Земли 2 (SEL-2) | 7.4 |
Лагранжиан Земля-Луна 1 (EML-1) | Низкая лунная орбита (LLO) | 0.60–0.80 |
Лагранжиан Земля-Луна 1 (EML-1) | Геостационарная околоземная орбита (GEO) | 1.4–1.75 |
Лагранжиан Земля-Луна 1 (EML-1) | Лагранжиан Солнца-Земли 2 (SEL-2) | 0.30–0.40 |
Земля-Лунные врата — высокая тяга
[ редактировать ]Космическую станцию Lunar Gateway планируется развернуть на высокоэллиптической семидневной почти прямолинейной гало-орбите (NRHO) вокруг Луны. Космический корабль, запущенный с Земли, совершит облет Луны с последующим выведением на орбиту NRHO для стыковки с Воротами по мере приближения к точке апоапсиса своей орбиты. [3]
От | К | Delta-v (km/s) |
---|---|---|
Низкая околоземная орбита (НОО) | Транслунная инъекция (ТЛИ) | 3.20 |
Транслунная инъекция (ТЛИ) | Низкая (полярная) лунная орбита (LLO) | 0.90 |
Транслунная инъекция (ТЛИ) | Лунные врата | 0.43 |
Лунные врата | Низкая (полярная) лунная орбита | 0.73 |
Низкая (полярная) лунная орбита | Лунные врата | 0.73 |
Лунные врата | Интерфейс заземления (EI) | 0.41 |
Межпланетный
[ редактировать ]Предполагается, что космический корабль будет использовать химическую тягу и эффект Оберта .
От | К | Delta-v (km/s) |
---|---|---|
ЛЕО | Марса Переходная орбита | 4.3 [4] («типичный», а не минимальный) |
Земли Скорость отрыва от (C3=0) | Марса Переходная орбита | 0.6 [5] |
Марса Переходная орбита | Марс захватывает орбиты | 0.9 [5] |
Марс захватывает орбиты | Деймоса Переходная орбита | 0.2 [5] |
Деймоса Переходная орбита | Деймоса Поверхность | 0.7 [5] |
Деймоса Переходная орбита | Фобоса Переходная орбита | 0.3 [5] |
Фобоса Переходная орбита | Фобоса Поверхность | 0.5 [5] |
Марс захватывает орбиты | Низкая Марса орбита | 1.4 [5] |
Низкая Марса орбита | Марса Поверхность | 4.1 [5] |
Земля-Луна, точка Лагранжа 2. | Марса Переходная орбита | <1,0 [4] |
Марса Переходная орбита | Низкая Марса орбита | 2.7 [4] (не минимальный) |
Земли Скорость отрыва от (C3=0) | Ближайший НЕО [6] | 0.8–2.0 |
По словам Марсдена и Росса, «энергетические уровни точек Солнце-Земля L 1 и L 2 отличаются от уровней системы Земля-Луна всего на 50 м/с (измеренные по скорости маневра)». [7]
Мы можем применить формулу
(где μ = GM — стандартный гравитационный параметр Солнца, см. переходную орбиту Гомана ), чтобы вычислить Δ v в км/с, необходимое для прибытия в различные пункты назначения с Земли (предполагая круговые орбиты для планет и используя расстояние перигелия для Плутона ). В этой таблице столбец с надписью «Δ v для выхода на орбиту Гомана с орбиты Земли» показывает изменение скорости Земли на скорость, необходимую для попадания на эллипс Гомана, другой конец которого будет находиться на желаемом расстоянии от Солнца. В столбце с надписью «v на выходе из LEO» указана необходимая скорость (в невращающейся системе отсчета с центром на Земле) на высоте 300 км над поверхностью Земли. Это получается путем добавления к удельной кинетической энергии квадрата скорости (7,73 км/с) этой низкой околоземной орбиты (то есть глубины гравитационного колодца Земли на этой НОО). Столбец «Δ v от НОО» — это просто предыдущая скорость минус 7,73 км/с. Время прохождения рассчитывается как годы.
Обратите внимание, что значения в таблице дают только Δv, необходимое для достижения орбитального расстояния планеты. Скорость относительно планеты все равно будет значительной, и для выхода на орбиту вокруг планеты необходим либо аэрозахват с использованием атмосферы планеты, либо большее Δv.
Место назначения | Радиус орбиты ( В ) | Δv для выхода на орбиту Гомана с орбиты Земли | Δv выход из ЛЕО | Δv от ЛЕО | Транзитное время |
---|---|---|---|---|---|
Солнце | 0 | 29.8 | 31.7 | 24.0 | 2,1 месяца |
Меркурий | 0.39 | 7.5 | 13.3 | 5.5 | 3,5 месяца |
Венера | 0.72 | 2.5 | 11.2 | 3.5 | 4,8 месяцев |
Марс | 1.52 | 2.9 | 11.3 | 3.6 | 8,5 месяцев |
Юпитер | 5.2 | 8.8 | 14.0 | 6.3 | 2,7 года |
Сатурн | 9.54 | 10.3 | 15.0 | 7.3 | 6,0 лет |
Уран | 19.19 | 11.3 | 15.7 | 8.0 | 16,0 лет |
Нептун | 30.07 | 11.7 | 16.0 | 8.2 | 30,6 лет |
Плутон | 29,66 (болезненно). | 11.6 | 16.0 | 8.2 | 45,5 лет |
1 световой год | 63,241 | 12.3 | 16.5 | 8.8 | 2,8 миллиона лет |
Космический зонд «Новые горизонты» , направлявшийся к Плутону, достиг околоземной скорости более 16 км/с, которой было достаточно, чтобы уйти от Солнца. (Он также получил импульс от пролета Юпитера.)
Чтобы добраться до Солнца, на самом деле не обязательно использовать Δ v, равную 24 км/с. Можно использовать скорость 8,8 км/с, чтобы уйти очень далеко от Солнца, затем использовать ничтожное Δ v, чтобы довести угловой момент до нуля, а затем упасть на Солнце. Эта последовательность двух передач Гомана, одной вверх и одной вниз, является частным случаем биэллиптической передачи . Кроме того, в таблице не указаны значения, которые применялись бы при использовании Луны в качестве гравитационной помощи . Существуют также возможности использования одной планеты, например Венеры, до которой легче всего добраться, для достижения других планет или Солнца. Галилео один Космический корабль раз использовал Венеру и дважды Землю, чтобы достичь Юпитера. Солнечный зонд «Улисс» использовал Юпитер для достижения полярной орбиты вокруг Солнца.
Дельта-против между Землей, Луной и Марсом
[ редактировать ]
Дельта-v необходима для различных орбитальных маневров с использованием обычных ракет. [5] [8]
- Ключ сокращений
- Убегающие орбиты с низким перицентром – C3 = 0.
- Геостационарная орбита – ГЕО
- Геостационарная переходная орбита – GTO
- Земля–Луна L 5 Точка Лагранжа – L5
- Низкая околоземная орбита – LEO
- Лунная орбита означает низкую лунную орбиту.
- Красные стрелки показывают, где в этом конкретном направлении может быть выполнено дополнительное аэроторможение / аэрозахват , черные цифры обозначают дельту-v в км/с, применимую в любом направлении. Передачи с более низкой дельтой v, чем показано, часто могут быть достигнуты, но они включают редкие окна передачи или занимают значительно больше времени, см.: Нечеткие орбитальные передачи .
- Транспортным средствам с электродвижением, перемещающимся с Марса C3 = 0 на Землю C3 = 0 без использования эффекта Оберта, требуется большее значение Delta-v, составляющее от 2,6 до 3,15 км/с. [9] Показаны не все возможные ссылки.
- Дельта-v для C3 = 0 перехода на Марс должна применяться в перицентре, то есть сразу после ускорения до траектории ухода, и не согласуется с приведенной выше формулой, которая дает 0,4 для ухода с Земли и 0,65 для ухода с Марса.
- Цифры для LEO в GTO, GTO в GEO и LEO в GEO противоречивы. [а] Число 30 для LEO к Солнцу также слишком велико. [б]
Околоземные объекты
[ редактировать ]Околоземные объекты — это астероиды, орбиты которых могут привести их на расстояние около 0,3 астрономических единиц Земли. Существуют тысячи таких объектов, до которых легче добраться, чем до Луны или Марса. Их бюджеты дельта-v в одну сторону от НОО варьируются от 3,8 км/с (12 000 футов/с), что составляет менее 2/3 дельты-v, необходимой для достижения поверхности Луны. [10] Но ОСЗ с низким бюджетом дельта-v имеют длительные синодические периоды , а интервалы между моментами наибольшего сближения с Землей (и, следовательно, наиболее эффективными миссиями) могут составлять десятилетия. [11] [12]
Дельта-v, необходимая для возвращения с околоземных объектов, обычно довольно мала, иногда всего 60 м/с (200 футов/с), при аэрозахвате с использованием атмосферы Земли. [10] Однако тепловые экраны для этого необходимы , которые добавляют массу и ограничивают геометрию космического корабля. Орбитальная фазировка может быть проблематичной; После того, как рандеву достигнуто, окна возврата с низкой дельтой-v могут находиться довольно далеко друг от друга (более года, часто много лет), в зависимости от тела.
В общем, тела, которые находятся намного дальше или ближе к Солнцу, чем Земля, имеют более частые окна для путешествий, но обычно требуют больших дельта-отклонений.
См. также
[ редактировать ]- Биэллиптическая передача
- Гравитационная помощь
- Хоманн трансфер
- Эффект Оберта
- Орбитальная скорость
- Уравнение ракеты Циолковского
- Сюжет со свининой
- Синодический период
Примечания
[ редактировать ]- ^ Сумма LEO в GTO и GTO в GEO должна равняться LEO в GEO. Точные цифры зависят от того, какая низкая околоземная орбита используется. Согласно геостационарной переходной орбите , скорость ГТО в перигее может составлять всего 9,8 км/с. Это соответствует НОО на высоте около 700 км, где его скорость составит 7,5 км/с, что дает дельта-v 2,3 км/с. Начиная с более низкого LEO, потребуется больше дельта-v, чтобы добраться до GTO, но тогда общая сумма для перехода от LEO к GEO должна быть выше.
- ^ Скорость Земли на орбите вокруг Солнца в среднем составляет 29,78 км/с, что эквивалентно удельной кинетической энергии 443 км. 2 /с 2 . К этому надо добавить потенциальную энергетическую глубину НОО, около 61 км. 2 /с 2 , чтобы дать кинетическую энергию, близкую к Земле, 504 км. 2 /с 2 , что соответствует скорости 31,8 км/с. Поскольку скорость НОО равна 7,8 км/с, дельта-v составляет всего 24 км/с. Можно было бы достичь Солнца с меньшим дельта-v, используя гравитацию . См. Солнечный зонд Parker . Также возможно пойти по длинному пути: уйти далеко от Солнца (Δv 8,8 км/с), а затем использовать очень маленькое Δv, чтобы компенсировать угловой момент и упасть на Солнце.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Роберт В. Фаркуар (июнь 1972 г.). «Лунная станция на гало-орбите» (PDF) . Космонавтика и воздухоплавание . 10 (6): 59–63. Архивировано из оригинала (PDF) 25 декабря 2015 г. Проверено 17 марта 2016 г.
- ^ Jump up to: а б Концепции FISO «Gateway», 2010 г., разные авторы, стр. 26. Архивировано 26 апреля 2012 г., в Wayback Machine.
- ^ Jump up to: а б Уитли, Райан; Мартинес, Роланд (21 октября 2015 г.). «Варианты размещения орбит в окололунном пространстве» (PDF) . НАСА.gov . НАСА . Проверено 19 сентября 2018 г.
- ^ Jump up to: а б с Фрэнк Зеглер ; Бернард Каттер (2010). «Переход к архитектуре космического транспорта на базе депо» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 20 октября 2011 г.
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я «Ракеты и космический транспорт» . Архивировано из оригинала 1 июля 2007 года . Проверено 1 июня 2013 г.
- ^ «Список НЕО» . Архивировано из оригинала 3 июня 2001 г.
- ^ «Новые методы небесной механики и проектирования миссий» . Бык. амер. Математика. Соц.
- ^ «Калькулятор Дельта-V» . Архивировано из оригинала 12 марта 2000 года. Дает цифры 8,6 от поверхности Земли до LEO, 4,1 и 3,8 для LEO до лунной орбиты (или L5) и GEO соответственно, 0,7 для L5 до лунной орбиты и 2,2 для лунной орбиты до лунной орбиты. лунная поверхность. Цифры взяты из главы 2 книги « Космические поселения: исследование дизайна» на веб-сайте НАСА.
- ^ « Ионное движение для миссии по возвращению образцов с Марса» Джон Р. Брофи и Дэвид Х. Роджерс, AIAA-200-3412, Таблица 1» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 7 августа 2011 г.
- ^ Jump up to: а б «Околоземный астероид Дельта-V для встречи космических кораблей» . Лаборатория реактивного движения НАСА. Архивировано из оригинала 3 июня 2001 г.
- ^ «Исследование траекторий встречи астероидов» . ccar.colorado.edu . Архивировано из оригинала 10 апреля 2017 г. Проверено 2 февраля 2017 г.
- ^ «НАСА запускает новый веб-сайт для планирования межпланетных путешествий» . Space.com . Проверено 2 февраля 2017 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- JavaScript-калькулятор Delta V
- Декоративная карта Дельта-V
- Атомные ракеты – какова миссия? Длинная веб-страница по delta-v (не источник — цитирует эту статью)