Domanda:
Perché le sonde spaziali dovrebbero orbitare intorno alla Terra prima di essere lanciate su altri pianeti?
javaBeginner
2013-11-05 17:18:24 UTC
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Sono curioso di sapere perché i satelliti che devono essere inviati su altri pianeti dovrebbero spostarsi intorno alla Terra invece di dirigersi direttamente verso la loro destinazione? Oggi, l'India ha lanciato un satellite su Marte e dalle notizie ho avuto modo di conoscere queste righe:

Il veicolo di lancio rimarrà nell'orbita terrestre per quasi un mese, costruendo il velocità necessaria per liberarci dall'attrazione gravitazionale del nostro pianeta.

Quindi la mia domanda è: perché non possiamo inviare direttamente i satelliti su un altro pianeta?

Le righe che citi spiegano che deve accadere per sfuggire alla gravità terrestre. C'è una parte specifica di questo con cui stai lottando o la tua domanda è più sul perché dobbiamo sfuggire alla gravità?
@RhysW Grazie per aver risposto, La mia domanda è perché? Abbiamo solo bisogno di 11,2 km / se questo è fornito dal carburante
Questa domanda è altamente correlata: http://space.stackexchange.com/questions/637/do-any-launches-bypass-leo Il problema è che ottieni "resistenza per gravità" se non entri immediatamente in orbita, quindi, anche se esci subito da LEO, ad un certo punto raggiungi comunque i parametri orbitali LEO.
L'ho chiesto di recente (5 anni dopo questa domanda): https://space.stackexchange.com/questions/27904/how-much-delta-v-would-be-required-to-escape-the-gravitational- influenza-di-e uhoh ha fatto un'ottima risposta.
Sei risposte:
#1
+43
Mark Adler
2013-11-05 22:54:45 UTC
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Tutte le sonde interplanetarie di cui sono a conoscenza sono state lanciate in un'orbita di parcheggio e quindi hanno aspettato un po 'di tempo in quell'orbita prima di riavviare uno stadio o accenderne un altro per iniettare l'asintoto in uscita desiderato. Questo viene fatto per comodità per consentire lunghe finestre di lancio nei giorni del periodo di lancio. È possibile e leggermente più efficiente lanciarsi direttamente dalla piattaforma di lancio alla traiettoria interplanetaria, ma avrai una finestra di lancio istantanea e la tua piattaforma di lancio deve attraversare il piano della traiettoria in uscita per ottenere quell'efficienza. Le finestre di lancio istantanee sono rischiose, poiché se c'è un problema come una barca dove non dovrebbe essere, non si vara quel giorno. Con la finestra più lunga offerta dall'entrare prima in un'orbita di parcheggio, spesso un'ora o più, hai tempo per rimediare al problema e continuare a lanciarlo.

(Per inciso, ho lavorato a un progetto, che era successivamente annullato, avrebbe utilizzato un Ariane 5 per il lancio su Marte. Il problema era che il suo stadio superiore al momento non aveva una capacità di riavvio qualificata. Di conseguenza, abbiamo dovuto pianificare di iniettare direttamente dalla rampa di lancio con nessuna orbita di parcheggio. Sebbene il sito di lancio della Guyana francese fosse fortuitamente vicino a dove avremmo voluto per quell'opportunità, non era esattamente giusto, quindi abbiamo dovuto incorrere in qualche inefficienza con una manovra di dog-leg per andare nel modo giusto.)

Nella maggior parte dei casi l'attesa nell'orbita del parcheggio è misurata in decine di minuti. Spesso riavvii una seconda fase con una durata della batteria limitata, quindi non vuoi aspettare più di un'orbita. Per avere un periodo di lancio di due settimane o più, è necessario accettare una certa inefficienza nelle energie di iniezione più elevate prima e dopo il giorno ottimale.

L'India sta facendo qualcosa di leggermente diverso, che presenta alcuni rischi ma offre una maggiore efficienza. Hanno un giorno di partenza fisso dall'orbita terrestre con la più piccola energia di iniezione. Ogni volta che si lanciano, aspettano in orbita terrestre fino a quel giorno benedetto, e poi se ne vanno. Ciò significa che hanno bisogno di uno stadio superiore con una vita più lunga. Tra i lati positivi, la suddivisione della combustione dell'iniezione in più pezzi, eseguita a ciascun perigeo, consente al motore di essere molto più piccolo e leggero di un tipico motore a stadio superiore che sta cercando di far uscire tutto il carburante in una singola combustione vicino alla Terra.

Come notato nelle altre risposte, l'iniezione brucia se eseguita 20 minuti dopo o 20 giorni dopo, al perigeo per la variazione massima di energia per unità di $ \ Delta V $. Metterò un'equazione qui solo per divertimento. Nella fisica di base impari l'equazione per l'energia cinetica: $ K = {m v ^ 2 \ over 2} $. Se differenzi questo rispetto a $ v $, ottieni $ dK = m v \, dv $. Quindi la tua variazione di energia è proporzionale alla tua velocità moltiplicata per $ \ Delta V $. Più velocemente vai, maggiore è la variazione di energia che ottieni per un $ \ Delta V $ fisso. Stai andando il più veloce al perigeo. Questo è noto come effetto Oberth.

Alcuni commenti su questa risposta, che penso sia la migliore finora: 1) La fase di salita è solitamente sintonizzata per un ambiente senza vuoto. La fase di iniezione deve essere regolata per un ambiente sotto vuoto. 2) Il paragrafo su quando bruciare (perigeo) descrive l'effetto Oberth.
Grazie per la tua bella spiegazione +1 per lo stesso.Come per la tua equazione dv sarà zero perché perché il satellite si muove in orbita rotonda (scusa se sbaglio) anche se la velocità non sarà zero.Quindi la mia domanda perché il satellite non è consentito nel percorso rettilineo (presumendo che non ci siano ostacoli nel percorso). Più lo spostamento sarà maggiore sarà la velocità
$ dv $ è la variazione di velocità della spinta del motore in un breve intervallo e non è zero. Non capisco la tua domanda sulla "via retta".
@MarkAdler scusa per la risposta in ritardo, non ho ricevuto alcuna notifica per questo commento La mia domanda è che il satellite si muoverà in traiettoria?
@javaBeginner: Non capisco la tua domanda.
@MarkAdler ora il satellite si sta muovendo intorno alla terra, quindi questo significa che il percorso è ellittico.Ora quando viene rilasciato il 1 dicembre, il percorso sarà ellittico, traiettoria o lineare
@javaBeginner: La traiettoria di fuga è una curva iperbolica rispetto alla Terra. Che poi si trasforma in un'ellisse rispetto al Sole. ("Traiettoria" non è una forma particolare di una curva come ellittica o lineare: la traiettoria è semplicemente il percorso, qualunque forma possa assumere.)
@MarkAdler Lascia quasi tutto, per favore, spiega il seguente problema Supponiamo che Marte sia proprio sopra di te (linea retta verticale), ora vuoi inviare un oggetto su Marte, quindi sparerai direttamente un razzo verso l'alto. nel caso di Mangalyan perché non stanno inviando direttamente nella direzione di Marte.Mangalyan sta ruotando intorno alla terra per ottenere la massima velocità.Quindi questo può essere ottenuto se avessero inviato direttamente nella direzione di Marte
@javaBeginner: È necessaria una conoscenza di base della meccanica orbitale, che non posso trasmettere nei commenti. Inizia con l '[articolo di Wikipedia] (http://en.wikipedia.org/wiki/Orbital_mechanics). Conclusione: per salire rispetto a un corpo, devi spingere di 90 ° dall'alto nella direzione della tua velocità orbitale. Quindi, per andare su Marte, devi spingere nella direzione dell'orbita terrestre. Spingere in alto non ti porterà lì. Non posso rispondere ad altre domande qui.
#2
+24
PearsonArtPhoto
2013-11-05 20:26:49 UTC
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Come ha detto @Ame, il razzo non aveva abbastanza carburante per metterlo lì in un colpo solo, come fanno la maggior parte dei razzi americani / russi. Tuttavia, la fisica reale dietro la manovra orbitale è leggermente diversa da quella descritta. Nello specifico, la fisica è chiamata effetto Oberth. La breve spiegazione di ciò è che una spinta di un razzo è più efficace se eseguita al perigeo. Sparare il razzo durante i successivi passaggi del perigeo migliorerà l'efficienza, consentendo in definitiva di avere la massima efficienza nelle esplosioni del proprio razzo. Un vero assistente gravitazionale non utilizza alcun propulsore, ma questo effetto essenzialmente amplifica l'efficacia della spinta.

Grazie per aver risposto +1 per la tua spiegazione Ho sentito che questo mangalyan orbiterà intorno alla terra per un minimo di 25 giorni per raggiungere la velocità sufficiente per raggiungere la destinazione, quindi puoi dirmi qual è la velocità attuale e quale sarà la velocità finale.
#3
+21
EtherDragon
2013-11-06 12:06:53 UTC
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Ci sono diversi motivi per cui i satelliti devono orbitare attorno alla Terra prima di diventare interplanetari ...

Il primo motivo: il sito di lancio è molto raramente nella posizione giusta per iniziare un volo interplanetario. La Terra ruota su un'inclinazione, quindi un lancio deve essere programmato quando il Kennedy Space Center attraversa il piano dell'eclittica (il piano generale su cui orbita la maggior parte dei pianeti). Inoltre, deve essere nella stagione giusta, in modo che quando la sonda va in orbita finisce per essere diretta nella giusta direzione quando lascia il SOI terrestre. Tutto questo è possibile con un profilo di ascesa diretta, ci vuole solo un ottimo tempismo, ma queste finestre perfette arrivano molto raramente.

Qualsiasi sonda che fa un'orbita eclittica attorno alla Terra, in primo luogo, ha una finestra di lancio praticamente ogni 45 minuti, un paio di volte all'anno.

La seconda ragione: la quantità di Delta-V necessaria per sfuggire al SOI terrestre è piuttosto grande. Sebbene sia possibile costruire razzi abbastanza grandi per farlo, il fattore limitante è in realtà l'efficienza del tipico carburante per razzi e dei motori a razzo.

Per sollevare una sonda dall'orbita terrestre con un razzo ci vuole un bel razzo. Quel pesante razzo deve essere sollevato nell'orbita terrestre bassa, il che richiede un enorme razzo.

Un modo per migliorare questo fatto è rendere il tuo razzo molto più efficiente, ma siamo già vicini al limite di efficienza teorico di un razzo chimico. Quindi la NASA ha iniziato a utilizzare la propulsione ION, che è molto più efficiente di un razzo chimico - è anche molto debole - che è la terza ragione ...

La terza ragione: ora che la maggior parte delle sonde usa la propulsione ionica, non lo fanno non hanno la spinta per espellersi da terra in un'ascesa diretta - trascorrono settimane con il propulsore Ion che spinge per un po '(pochi minuti) in un punto chiave dell'orbita. Ogni volta che il motore ionico esegue questa operazione, la loro orbita si avvicina sempre di più alla velocità di fuga dalla Terra.

Una volta che la sonda è fuori dalla SOI terrestre, può fondamentalmente accendere il motore ionico e lasciarlo lì per tutto il tempo che vuole completare le manovre interplanetarie. Di solito, la maggior parte delle manovre tra i pianeti sono piccole correzioni di rotta per sfruttare un fly-by planetario per sling-shot a velocità molto più elevate.

TL; DR? Molte ragioni: Timing - posizione di lancio e orientamento orbitale significano poche buone finestre di lancio per l'ascesa diretta, raggiungere prima l'orbita consente molte più opzioni Troppo carburante necessario - Ottenere una sonda dalla terra richiede molto propellente chimico, quindi ora utilizziamo invece motori a ioni. impiega molto tempo (settimane!) perché questi motori altamente efficienti facciano il loro lavoro.

Bella spiegazione, grazie +1
#4
+14
Arne
2013-11-05 19:40:53 UTC
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Nel caso del PSLV indiano, il veicolo di lancio non è abbastanza potente da inserire la sonda Mars Orbiter Mission direttamente su una rotta verso Marte . Al contrario, MAVEN deve essere lanciato utilizzando il molto più potente Atlas V.

La sonda deve utilizzare l ' assistenza gravitazionale per ottenere una velocità sufficiente per viaggiare verso Marte. Cioè la sonda entra prima in un'orbita altamente ellittica e utilizza brevi ustioni temporizzate appositamente per ottenere un'accelerazione dovuta alla gravità terrestre e al movimento intorno al sole. Soprattutto il movimento della Terra rispetto al sole e alla sonda è qui di aiuto, poiché questo impulso viene aggiunto all'impulso esistente della sonda. L'immagine nell'articolo di Wikipedia è abbastanza significativa:

Gravitational slinghot

Ehm, il razzo avrebbe già tutto l'aiuto della rotazione terrestre attorno al Sole, dal momento che sta lanciando dalla Terra, anzi di più poiché c'è anche una parte della velocità angolare da avere a causa della rotazione della Terra sul suo asse. Questo non è davvero il problema, il punto è nelle prestazioni del motore a razzo e entrare in orbita non si avvicina nemmeno al raggiungimento della velocità necessaria per sfuggire bene alla gravità terrestre. Caso in questione, la [velocità orbitale ISS] (https://encrypted.google.com/search?q=International+Space+Station%2C+Speed+on+orbit) è di circa 4.791 miglia / s (7.71 km / S).
Hm, sì, forse ho frainteso questo concetto. Il tuo argomento sembra sollevare un punto valido. Quando si legge l'articolo sull'orbita di Hohmann (http://en.wikipedia.org/wiki/Hohmann_transfer_orbit), che la MOM sembra usare, non sembra più un'assistenza gravitazionale. Solo un tempismo molto intelligente delle ustioni orbitali.
Sebbene questa risposta sia sbagliata, c'è un beneficio di assistenza gravitazionale in ciò che Mangalyaan sta facendo. Questo vantaggio non è nell'energia, ma nell'inclinazione. Nell'approccio normale, un'orbita circolare bassa di parcheggio deve essere inclinata per allinearsi con l'asintoto in uscita. A seconda dell'inclinazione, ciò può ridurre la capacità di massa del veicolo di lancio. In questo caso, possono lanciarsi all'inclinazione più efficiente, uguale alla latitudine del sito di lancio, e quindi utilizzare l'approccio finale del perigeo terrestre e la combustione per iniezione per ottenere il corretto asintoto in uscita.
Interessante. Buona chiarificazione! +1
buona spiegazione + 1. Possibile che invece di muoversi intorno alla terra per raggiungere la velocità massima, procederà in un percorso lineare
javaBeginner - niente va in un percorso lineare nello spazio. Cosa stai cercando di chiedere?
@RoryAlsop vuoi dire che a causa delle forze gravitazionali degli oggetti celesti nulla va in un percorso di linea?
javaBeginner - se vuoi accelerare, usi il tuo razzo o l'accelerazione gravitazionale (o l'attraversamento del flusso magnetico ecc., Ma sai cosa intendo) - la gravità è più economica del carburante per missili, ma devi calcolare il momento giusto.
#5
+8
SF.
2013-11-06 22:03:33 UTC
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Prima di arrivare a tutti gli altri vantaggi, iniziamo con quello unico, essenziale.

Un razzo che galleggia sul posto (non vola affatto in alto, si limita a librarsi sopra la piattaforma di lancio) deve generare abbastanza spinta altrimenti gli darebbe un'accelerazione di $ 9,8 m / s ^ 2 $ (1g) in volo orizzontale. È un bel po ', ed è tutta una spinta sprecata. Se ti lanci direttamente verso l'alto, l'accelerazione gravitazionale terrestre è ciò che devi sottrarre dalla tua accelerazione in ogni momento. Ogni secondo, non importa in che altro spendi il tuo carburante, devi spendere una buona dose per non cadere.

Ora, un razzo che si muove orizzontalmente in orbita non usa carburante per mantenere l'altitudine . Ogni singolo grammo viene utilizzato per aumentare la sua energia cinetica. In questo modo, la tua prima priorità non appena riduci l'attrito dell'aria a livelli gestibili è entrare in orbita e smettere di sprecare carburante cercando di evitare di cadere. L'energia che metti nell'accelerazione alla velocità orbitale è ancora utilizzabile, la aggiungerai alla tua velocità nel viaggio interplanetario e ora viene immagazzinata in modo sicuro come energia cinetica.

Ora, una volta in orbita puoi farlo ogni tipo di manovra utile a tuo piacimento, passa a motori con impulso specifico migliore ma spinta inferiore e non sprecare altro carburante.

Tuttavia, se si è posizionati correttamente e ci si lancia al momento giusto, è ancora più efficiente risalire direttamente sulla traiettoria di partenza, senza mai entrare in orbita. Entrare in un'orbita di parcheggio aggiunge enormi comodità, ma non è intrinsecamente più efficiente.
Grazie per la risposta, +1 per la tua buona spiegazione. Come ho visto nelle notizie, [link] (http://timesofindia.indiatimes.com/india/Mars-mission-Scientists-start-raising-Mangalyaans-orbit/articleshow /25338759.cms) perché è richiesto l'innalzamento delle orbite.E un dec 1 alla fine sarà fuori dall'orbita terrestre, quindi non si muoverà verso Marte lungo un percorso lineare e utilizzerà carburante per ulteriori spostamenti verso la destinazione o il il movimento avverrà secondo la terza legge del moto di Newton
@Mark: Sì, puoi uscire a spirale dal campo gravitazionale terrestre senza entrare in nessuna singola orbita ciclica. No. accelerare verso l'alto senza aggiungere una componente orizzontale (che include quella data dalla rotazione terrestre) non è più efficiente. Semplicemente, aggiungendo componenti orizzontali al tuo movimento aumenti l'efficienza. Entrare in orbita è uno, ma non solo, dei modi per aggiungere quel componente.
Non ho capito il tuo commento. Non puoi evitare di ottenere la rotazione della Terra andando verso l'alto. Ad ogni modo, il mio punto è, che deriva dal fatto che ci vuole un po 'di $ \ Delta V $ per circolarizzare la tua orbita di parcheggio, dove quel $ \ Delta V $ non contribuisce alla partenza C3.
@Mark: Puoi, con lanci polari. Sarebbe totalmente controproducente ma non impossibile. Tuttavia, in nessun punto della Terra la velocità di rotazione è sufficiente per superare la gravità. O contribuisci alla velocità verticale solo per sfuggire alla gravità terrestre, o orizzontale, per entrare in orbita, o combina entrambe per la partenza che può essere ottimale in determinate circostanze (costruzione, lancio), o non in altre. Un lancio che mantiene la spinta diretta verso il basso (al centro della Terra) in ogni momento non sarà ottimale, indipendentemente dalla latitudine da cui viene eseguita.
Chi ha parlato di dirigere la spinta al centro della Terra? Il confronto è tra una risalita diretta (che è fondamentalmente una svolta gravitazionale) e l'entrata in un'orbita di parcheggio, dove quest'ultima richiede l'innalzamento del perigeo per evitare il rientro, e dove la prima consente di spendere più propellente a quote inferiori per ottenere maggiore efficienza (effetto Oberth ancora). Entrambi gli effetti si traducono in una risalita diretta più efficiente rispetto all'ingresso in un'orbita di parcheggio.
#6
+1
Mark Foskey
2019-08-19 09:46:19 UTC
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La sonda New Horizons, se ho letto correttamente l'articolo di Wikipedia, non è rimasta nella sua orbita di parcheggio per un'orbita completa. Meno di 45 minuti dopo il lancio, era già sulla sua traiettoria di fuga solare. Ma ha trascorso del tempo su un percorso orbitale che gli ha permesso di raggiungere la posizione giusta affinché la bruciatura sfuggisse alla velocità, coerentemente con le altre risposte fornite. Ma, se ti chiedevi perché tutte le sonde passano il tempo a fare il giro della terra prima di partire, la risposta è che almeno una sonda no.



Questa domanda e risposta è stata tradotta automaticamente dalla lingua inglese. Il contenuto originale è disponibile su stackexchange, che ringraziamo per la licenza cc by-sa 3.0 con cui è distribuito.
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