Aerobraking - Aerobraking

Kafanı karıştırmamak Hava freni (havacılık).
Bir sanatçının aerobraking anlayışı ile Mars Keşif Orbiter
Aerobraking'e bir örnek
   Mars Keşif Orbiter ·   Mars

Aerobraking bir uzay uçuşu yüksek noktasını azaltan manevra eliptik yörünge (apoapsis ) aracı uçarak atmosfer alçak noktasında yörünge (periapsis ). Sonuç sürüklemek yavaşlatır uzay aracı. Aerobraking, bir uzay aracı atmosfere sahip bir gövdeye ulaştıktan sonra düşük yörüngeye ihtiyaç duyduğunda ve bir uzay aracının doğrudan kullanımından daha az yakıt gerektirdiğinde kullanılır. roket motoru.

Yöntem

Gezegenler arası bir araç varış noktasına ulaştığında, hız o bedenin yakınında kalmak. Düşük olduğunda, yakın-dairesel yörünge önemli bir vücut etrafında Yerçekimi (birçok bilimsel çalışma için gerekli olduğu üzere) ihtiyaç duyulduğunda, gerekli toplam hız değişiklikleri saniyede birkaç kilometre olabilir. Doğrudan tahrik ile yapılırsa, roket denklemi uzay aracı kütlesinin büyük bir kısmının yakıt olması gerektiğini belirtir. Bu da uzay aracının nispeten küçük bir bilimsel yük ve / veya çok büyük ve pahalı bir fırlatıcı kullanımıyla sınırlı olduğu anlamına gelir. Hedef gövdenin bir atmosfere sahip olması koşuluyla, yakıt ihtiyacını azaltmak için aerobraking kullanılabilir. Nispeten küçük bir yanmanın kullanılması, uzay aracının çok uzun bir şekilde yakalanmasına izin verir. eliptik yörünge. Aerobraking daha sonra yörüngeyi dairesel hale getirmek için kullanılır. Atmosfer yeterince kalınsa, içinden tek bir geçiş, bir uzay aracını gerektiği gibi yavaşlatmak için yeterli olabilir. Bununla birlikte, aerobraking tipik olarak daha yüksek bir irtifadan ve dolayısıyla atmosferin daha ince bölgesinden birçok yörünge geçişi ile yapılır. Bu, etkisini azaltmak için yapılır. sürtünme ısıtma ve tahmin edilemeyen türbülans etkileri, atmosferik bileşim ve sıcaklık, herhangi bir geçişten kaynaklanacak hızdaki düşüşü doğru bir şekilde tahmin etmeyi zorlaştırdığı için. Aerobraking bu şekilde yapıldığında, hızdaki değişimi ölçmek ve bir sonraki geçiş için gerekli düzeltmeleri yapmak için her geçişten sonra yeterli süre vardır. Bu yöntemi kullanarak son yörüngeye ulaşmak uzun zaman alır (örneğin, altıdan fazla aylar vardığında Mars ) ve gezegenin veya ayın atmosferinden birkaç yüz geçiş gerektirebilir. Son aerobraking geçişinden sonra uzay aracına daha fazla verilmelidir. kinetik enerji yükseltmek için roket motorları aracılığıyla periapsis atmosferin üstünde.

Kinetik enerji dağılmış aerobraking ile dönüştürülür sıcaklık Bu, tekniği kullanan bir uzay aracının bu ısıyı dağıtabilmesi gerektiği anlamına gelir. Uzay aracının aynı zamanda gerekli sürtünmeyi üretmek ve hayatta kalmak için yeterli yüzey alanına ve yapısal güce sahip olması gerekir, ancak aerobraking ile ilişkili sıcaklıklar ve basınçlar, atmosferik yeniden giriş veya hava yakalama. Simülasyonları Mars Keşif Orbiter aerobraking bir güç 0.35 sınırı N yaklaşık 37 m'lik bir uzay aracı kesiti ile metrekare başına2, yaklaşık 7,4 N'lik bir maksimum sürükleme kuvvetine ve beklenen maksimum sıcaklık 170 ° C olarak.[1] Kuvvet yoğunluğu (yani basınç), kabaca metrekare başına 0,2 N,[2] üzerine uygulandı Mars Gözlemcisi Aerobraking sırasında, Dünya'da deniz seviyesinde 0.6 m / s (2.16 km / s) hızla hareket etmenin aerodinamik direnci ile karşılaştırılabilir, yaklaşık olarak yavaş yürürken yaşanan miktardır.[3]

Uzay Aracı Navigasyonu ile ilgili olarak, Moriba Jah Uzay aracında toplanan Atalet Ölçüm Birimi (IMU) verilerini Aerobraking sırasında Unscented'da işleme yeteneğini gösteren ilk kişi oldu. Kalman Filtresi uzay aracının yörüngesini yere dayalı ölçüm verilerinden bağımsız olarak istatistiksel olarak çıkarmak için. Jah bunu gerçek IMU verilerini kullanarak yaptı. Mars Odyssey ve Mars Keşif Orbiter. Dahası, bu bir Unscented'ın ilk kullanımıdır. Kalman Filtresi antropojenik bir uzay nesnesinin başka bir gezegen etrafındaki yörüngesini belirlemek için.[4] Aerobraking navigasyonunu otomatikleştirmek için kullanılabilen bu yönteme Aeroassisted Navigation (IMAN) için Atalet Ölçümleri denir. [5] ve Jah bir NASA Sonuç olarak bu çalışma için Space Act Ödülü.

İlgili yöntemler

Hava yakalama ilk yörünge enjeksiyon yanmasının yapılmadığı, ilgili ancak daha uç bir yöntemdir. Bunun yerine, uzay aracı, başlangıçta bir yanma olmadan atmosferin derinliklerine dalar ve atmosferdeki bu tek geçişten istenen yörüngeye yakın bir apoapsis ile ortaya çıkar. Daha sonra periapsi yükseltmek ve son ayarlamaları yapmak için birkaç küçük düzeltme yanığı kullanılır.[6]Bu yöntem başlangıçta Mars Odyssey yörünge aracı,[7] ancak önemli tasarım etkilerinin çok maliyetli olduğu görüldü.[6]

Bir başka ilgili teknik de aerogravite yardımı uzay aracının üst atmosferde uçtuğu ve kullandığı aerodinamik kaldırma en yakın yaklaşma noktasında sürüklemek yerine. Doğru yönlendirilirse, sapma açısını saf bir yerçekimi yardımı daha büyük bir delta-v.[8]

Uzay aracı görevleri

Animasyonu 2001 Mars Odyssey's yörünge etrafında Mars 24 Ekim 2001'den 24 Ekim 2002'ye
  2001 Mars Odyssey ·   Mars
ExoMars Trace Gas Orbiter Animasyonu's Mars çevresindeki yörünge
  Mars ·   ExoMars İzleme Gaz Orbiter

Aerobraking teorisi iyi geliştirilmiş olsa da, tekniği kullanmak zordur çünkü manevrayı doğru bir şekilde planlamak için hedef gezegenin atmosferinin karakteri hakkında çok ayrıntılı bilgi gereklidir. Şu anda, her manevra sırasında yavaşlama izlenmekte ve planlar buna göre değiştirilmektedir. Henüz hiçbir uzay aracı kendi başına güvenli bir şekilde havada fren yapamayacağından, bu hem insan denetleyicilerinin hem de Derin Uzay Ağı. Bu, özellikle sürükleme geçişleri nispeten birbirine yakın olduğunda (Mars için sadece yaklaşık 2 saat) sürecin sonuna doğru geçerlidir.[kaynak belirtilmeli ] NASA, bir uzay aracının yörüngesini daha düşük enerjiye, azaltılmış apoaps yüksekliğine ve daha küçük yörüngeye sahip olacak şekilde değiştirmek için dört kez aerobraklamayı kullandı.[9]

19 Mart 1991'de, aerobraking, Hiten uzay aracı. Bu, derin bir uzay aracı tarafından yapılan ilk aerobraking manevrasıydı.[10] Hiten (a.k.a. MUSES-A), Uzay ve Astronotik Bilimler Enstitüsü (ISAS) Japonya.[11] Hiten, Pasifik üzerinde 125.5 km yükseklikte, 11.0 km / s hızla Dünya'da uçtu. Atmosferik sürükleme, hızı 1,712 m / s ve apojee yüksekliğini 8665 km düşürdü.[12] 30 Mart'ta başka bir aerobraking manevrası yapıldı.

Mayıs 1993'te, uzatılmış süre boyunca aerobraking kullanıldı. Venüs misyonu Macellan uzay aracı.[13] Uzay aracının yörüngesini daireselleştirmek için kullanıldı. yerçekimi alanı. Tüm yerçekimi alanı, genişletilmiş görevin 243 günlük bir döngüsü sırasında dairesel yörüngeden haritalandı. Görevin sona erme aşamasında, bir "yel değirmeni deneyi" gerçekleştirildi: Atmosferik moleküler basınç, yel değirmeni yelkeni benzeri yönlendirilmiş güneş pili kanatları aracılığıyla bir tork uygular, sondayı dönmekten korumak için gerekli karşı tork ölçülür.[14]

1997'de Mars Küresel Araştırmacı (MGS) yörünge aracı, yörünge ayarlamasının ana planlanan tekniği olarak aerobraklamayı kullanan ilk uzay aracıydı. MGS, şuradan toplanan verileri kullandı: Macellan Aerobraking tekniğini planlamak için Venüs'e görev. Uzay aracı kullandı Solar paneller gibi "kanatlar "Mars'ın ince üst atmosferinden geçişini kontrol etmek ve apoapsis aylar boyunca yörüngesinde. Ne yazık ki, fırlatmadan kısa bir süre sonra yapısal bir arıza, MGS'nin güneş panellerinden birine ciddi şekilde hasar verdi ve daha yüksek bir aerobraking irtifası (dolayısıyla kuvvetin üçte biri) gerektirdi. başlangıçta planlanmış, istenen yörüngeye ulaşmak için gereken süreyi önemli ölçüde uzatır. Daha yakın zamanlarda, aerobraking, Mars Odyssey ve Mars Keşif Orbiter uzay aracı, her iki durumda da olaysız.

2014 yılında, ESA sondasının görevinin sonuna doğru, test temelinde bir aerobraking deneyi başarıyla gerçekleştirildi. Venüs Ekspresi.[15][16]

2017-2018'de ESA ExoMars İzleme Gaz Orbiter bir Avrupa misyonu için ilk operasyonel aerobraking olan yörüngenin merkezini azaltmak için Mars'ta aerobraking yaptı.[17]

Kurguda aerobraking

İçinde Robert A. Heinlein 1948 romanı Uzay Harbiyeli, uzay aracını yavaşlatırken yakıt tasarrufu yapmak için aerobraking kullanılır Aes Triplex Asteroid Kuşağı'ndan Dünya'ya geçiş sırasında planlanmamış bir uzun görev ve Venüs'e iniş için.[18]

Uzay aracı Kozmonot Alexei Leonov içinde Arthur C. Clarke romanı 2010: Uzay Serüveni İki ve film uyarlaması üst katmanlarda aerobraking kullanır Jüpiter Kendini L'de kurmak için atmosferi1 Lagrange noktası Jüpiter'in - Io sistemi.

2004 dizisinde Space Odyssey: Gezegenlere Yolculuk uluslararası uzay aracı Pegasus'un mürettebatı, Jüpiter'in üst atmosferi onları Jovian yörüngesine girecek kadar yavaşlatmak için.

İçinde dördüncü bölüm nın-nin Stargate Universe, Antik gemi alın yazısı neredeyse tamamen güç kaybına uğrar ve rotayı değiştirmek için aerobraking kullanmalıdır. Bölüm bir uçurumda bitiyor alın yazısı doğrudan bir yıldıza yöneldi.

Uzay simülasyonu sandbox oyununda Kerbal uzay programı bu, bir geminin yörünge hızı. Bazen mizahi bir şekilde "aero" olarak anılır.son Dakika "çünkü yüksek direnç bazen büyük teknelerin birkaç parçaya bölünmesine neden oluyor.

İçinde Kim Stanley Robinson Mars üçlemesi, Mars'a varan ilk yüz insanı taşıyan Ares uzay gemisi, gezegenin yörüngesine girmek için aerobraking kullanıyor. Kitapların ilerleyen kısımlarında, atmosferi kalınlaştırma çabası olarak bilim adamları, onu buharlaştırmak ve içeriğini atmosfere salmak için bir asteroidi aerobraking'e getiriyorlar.

2014 filminde Yıldızlararası astronot pilotu Cooper, ilk gezegenin üzerindeki yörüngeye varmak için solucan deliğinden çıktıktan sonra yakıt tasarrufu yapmak ve uzay aracı Ranger'ı yavaşlatmak için aerobraking kullanıyor.

Aerodinamik frenleme

Ayrıca bakınız: Hava freni (havacılık)
Bir F-22 Raptor iniş Elmendorf AFB, aerodinamik frenlemeyi gösteriyor.
Uzay Mekiği inişlerinde aerodinamik frenleme.

Aerodinamik frenleme, iniş yapan uçakta uçağı durdurmada tekerlek frenlerine yardımcı olmak için kullanılan bir yöntemdir. Genellikle kısa pist inişleri için veya koşullar ıslak, buzlu veya kaygan olduğunda kullanılır. Aerodinamik frenleme, arka tekerlekler (ana bağlantılar) yere değdikten hemen sonra, ancak burun tekerleği düşmeden önce gerçekleştirilir. Pilot, burnunu yüksekte tutmak için asansör baskısı uygulayarak çubuğu geri çekmeye başlar. Burun yüksekliği, geminin yüzey alanını daha fazla hava akışına maruz bırakır ve sürüklemek, uçağın yavaşlamasına yardımcı oluyor. Yükseltilmiş asansörler ayrıca geminin arkasındaki havanın aşağıya doğru itilmesine neden olarak arka tekerlekleri zemine karşı daha sert bir şekilde zorlar ve bu da savrulmayı önlemeye yardımcı olarak tekerlek frenlerine yardımcı olur. Pilot, asansörler yetkilerini yitirdikten ve burun tekerleği düştükten sonra bile, arka tekerlekler üzerinde ek baskı sağlamak için genellikle çubuğu tutmaya devam edecektir.

Aerodinamik frenleme, iniş sırasında yaygın bir fren tekniğidir ve ayrıca tekerlek frenlerini ve lastikleri aşırı aşınmadan veya kilitlenip uçağın kayarak kontrolden çıkmasını önlemeye yardımcı olabilir. Genellikle özel pilotlar, ticari uçaklar, savaş uçakları tarafından kullanılır ve Uzay mekikleri iniş sırasında.[19][20][21]

Ayrıca bakınız

Notlar

  1. ^ Jill L. Hanna Prince ve Scott A. Striepe. "NASA LANGLEY TRAJECTORY SIMULATION AND ANALSIS CAPABILITIES FOR MARS RECONNAISSANCE ORBITER" (PDF). NASA Langley Araştırma Merkezi. Arşivlenen orijinal (PDF) 2009-03-20 tarihinde. Alındı 2008-06-09.
  2. ^ http://www.spacedaily.com/mars/features/aero-97g.html MGS ile ilgili makale
  3. ^ Şimdi Uzay Uçuşu | Hedef Mars | Uzay aracı Mars'ın yörüngesine giriyor
  4. ^ Moriba K. Jah; Michael Lisano; Penina Axelrad & George H. Doğum (2008). "Ataletsel Ölçüm Birimi Verilerini İşleyerek Mars Aerobraking Uzay Aracı Durum Tahmini". Rehberlik, Kontrol ve Dinamikler Dergisi. AIAA Rehberlik, Kontrol ve Dinamikler Dergisi. 31 (6): 1802–1812. doi:10.2514/1.24304.
  5. ^ Moriba K. Jah. "Aero Destekli Navigasyon NPO-43677 için Atalet Ölçümleri". Teknik Özetler. Alındı 2020-08-02.
  6. ^ a b Percy, T.K .; Bright, E. & Torres, A.O. (2005). "Olasılıklı Risk Değerlendirmesini Kullanarak Göreceli Hava Yakalama Riskini Değerlendirme" (PDF).
  7. ^ "MARS SURVEYOR 2001 GÖREVLERİ İÇİN SEÇİLEN BİLİM EKİBİ VE ARAÇLAR". 6 Kasım 1997.
  8. ^ McRonald, Angus D .; Randolph, James E. (8–11 Ocak 1990). "Gezegensel yerçekimi yardımı sağlamak için hipersonik manevra". AIAA-1990-539, 28. Havacılık ve Uzay Bilimleri Toplantısı. Reno, NV.
  9. ^ Prens, Jill L. H .; Powell, Richard W .; Murri, Dan. "Otonom Aerobraking: Bir Tasarım, Geliştirme ve Fizibilite Çalışması" (PDF). NASA Langley Araştırma Merkezi. NASA Teknik Rapor Sunucusu. Alındı 15 Eylül 2011.
  10. ^ "Derin Uzay Chronicle: Derin Uzay ve Gezegen Araştırmalarının Kronolojisi 1958-2000" Arşivlendi 2008-09-25 Wayback Makinesi Asif A. Siddiqi, Havacılık Tarihinde NASA Monografları No. 24.
  11. ^ J. Kawaguchi, T. Icbikawa, T. Nishimura, K. Uesugi, L. Efron, J. Ellis, P.R. Menon ve B. Tucker,"Muses-A için Navigasyon (HITEN) Dünya Atmosferinde Aerobraking - Ön Rapor" Arşivlendi 26 Aralık 2010, Wayback Makinesi, Navigasyon Enstitüsü 47. Yıllık Toplantısının Bildirileri 10–12 Haziran 1991, s.17–27.
  12. ^ Gunter'in Uzay Sayfası "MUSES-A (Hiten)"
  13. ^ Lyons, Daniel T .; Saunders, R. Stephen; Griffith, Douglas G. (1 Mayıs 1995). "Magellan Venüs haritalama görevi: Aerobraking operasyonları". Acta Astronautica. 35 (9): 669–676. doi:10.1016 / 0094-5765 (95) 00032-U. ISSN  0094-5765.
  14. ^ http://www2.jpl.nasa.gov/magellan/prmgnwind.html
  15. ^ "Yabancı bir atmosferde sörf yapmak". ESA.int. Avrupa Uzay Ajansı. Alındı 11 Haziran 2015.
  16. ^ "Venüs Ekspresi yeniden yükseliyor". ESA.int. Avrupa Uzay Ajansı. Alındı 11 Haziran 2015.
  17. ^ "İzleme Gazlı Orbiter Aerobraking".
  18. ^ Robert A. Heinlein (2007). Uzay Harbiyeli. Tom Doherty Associates. s. 157–158. ISBN  978-1-4299-1253-2.
  19. ^ Uçak Uçan El Kitabı Federal Havacılık İdaresi tarafından - Skyhorse Publishing 2007
  20. ^ "Yayınlar". Arşivlenen orijinal 2016-06-10 tarihinde. Alındı 2012-07-31.
  21. ^ Uzay Fiziğinde Kozmik Perspektifler S. Biswas - Kluwer Academic Publishing 2000 Sayfa 28

Referanslar