Was sind die Vorteile von supersynchronen Transferbahnen?

Dies ist eine teilweise kopierte Antwort aus dieser eng verwandten Frage :

Der andere Antwortende konzentriert sich auf die direkten dV-Einsparungen, die auftreten, wenn Sie von einer sehr geneigten Startseite aus starten. Ich werde mich auf einen zweiten Grund konzentrieren, warum Sie vielleicht eine supersynchrone (für mich neue Bezeichnung) Übertragung durchführen möchten, aber lassen Sie mich zunächst detailliert erläutern, wie ein herkömmliches GTO von einem geneigten Startplatz aus verwendet wird.

1. Die Trägerrakete wird den Satelliten in eine Transferbahn mit einem Apogäum in geosynchroner Höhe ( 35.786 km ) werfen.

2. Am Apogäum führt der Satellit eine Verbrennung durch, die gleichzeitig die Neigung auf 0° verringert und das Perigäum auf geosynchrone Höhe anhebt.

3. Nach diesem kombinierten Brennen befindet sich der Satellit in einer geostationären Umlaufbahn .

Der Grund, warum die Manöver zur Neigungsänderung und zum Anheben des Perigäums kombiniert werden, ist einfache Trigonometrie - das diagonale Brennen erfordert weniger Gesamtenergie, um die gleiche Endgeschwindigkeit zu erreichen ( nicht nur die Geschwindigkeit, die Richtung ist sehr wichtig!), als das Brennen in eine Richtung und dann das Brennen senkrecht dazu diese Richtung. Außerdem geschieht dies in geosynchroner Höhe, da sich der Satellit dort langsamer fortbewegt als in niedriger Erdhöhe. Somit erfordert eine Richtungsänderung nicht so viel Geschwindigkeitsänderung (Delta-V).

Als Beispiel für eine supersynchrone Transferbahn betrachten wir Arabsat 6a. Falcon Heavy brachte Arabsat 6a in eine Transferbahn mit einem Apogäum von 90.000 km , deutlich über der geosynchronen Höhe von 35.786 km . In dieser Höhe bewegte es sich sehr, sehr langsam, sodass die kombinierte Neigungsänderung und Perigäumsanhebung noch weniger dV von Arabsat erforderten , als wenn es bei GEO passiert wäre. Aber Arabsat wäre noch nicht im geostationären Orbit gewesen. Es musste eine weitere Zirkularisation am Perigäum durchgeführt werden, um sich selbst wieder zu verlangsamen und sein Apogäum von 90 mm auf geosynchrone Höhe abzusenken.

Diese Art des supersynchronen, „überschießenden“ Transfers in eine höhere Umlaufbahn ist keine Hohmann-Transferbahn, sondern eine bielliptische Transferbahn . Obwohl drei Verbrennungen erforderlich sind (1: Apogäum [über] anheben, 2: Perigäum anheben, 3: Apogäum senken) und nicht nur die beiden des Hohmann (1: Apogäum anheben, 2: Perigäum anheben) , können bi-elliptische Transfers weniger erfordern dV in einigen Fällen. Das Erhöhen von LEO mit mittlerer Neigung zu GEO ist (*normalerweise) keiner dieser Fälle. Der erforderliche Gesamt-dV ist größer als bei einem herkömmlichen GTO, außer in sehr geneigten Fällen. (Das war mir nicht bewusst, als ich die ursprüngliche Antwort schrieb; danke an @BrendanLuke15 für diese überraschende Antwort!)

Aber konzentrieren wir uns auf den anderen Grund – den Grund, warum Arabsat (das nur vom leicht geneigten Kap startet) eine supersynchrone Umlaufbahn benutzte: Die energieärmeren Verbrennungen, die Arabsat benötigte, um aus seiner Transferbahn in GEO einzudringen, verbrauchten viel weniger dV als die Einmaliges Brennen, um von einem herkömmlichen GTO auf GEO zuzugreifen.

Der Energieunterschied wurde von Falcon Heavy ausgeglichen, das Arabsat in die hochenergetische geostationäre Transferbahn brachte , die es auf 90 Mm statt auf 35,7 Mm hinausschleuderte.

Kurz gesagt, es verlangt mehr vom Launcher, aber weniger von der Nutzlast. Aus verschiedenen Marktgründen (nämlich, Sie kaufen ein bereits vorhandenes Fahrzeug von einem Startdienstanbieter, anstatt Ihr eigenes zu bauen), finden es Besitzer/Hersteller von Nutzlast möglicherweise billiger, eine viel kleinere, leichtere und einfachere Nutzlast herzustellen, die dies tut Sie müssen nicht die teure kombinierte GEO-Höhenzirkularisierung / Deinklinationsverbrennung durchführen. Dies ist doppelt so, wenn sie es sowieso auf ein großes Fahrzeug setzen. Während die dV-Einsparungen minimal oder negativ sein können, gibt es eine relativ große Leistungslücke zwischen mittelschweren bis schweren Trägerraketen und kleinen Satelliten-Trägerraketen. Wenn Sie bereits etwas mehr Rucola kaufen, als Sie benötigen, warum nutzen Sie es nicht? Es ist in beiden Fällen der gleiche Preis für den Launcher, aber eine viel billigere und einfachere Nutzlast.

Wie die Kommentare besprechen, ist die Neigung die fehlende Variable in der Gleichung.

Der standardmäßige geostationäre Start, an den Sie denken, sieht ungefähr so ​​​​aus:

• Injektionsverbrennung im geostationären Transferorbit (GTO):
  • Perigäum @ Parkbahnhöhe (z. B. 250 km)
  • Apogäum @ geosynchrone Höhe (35786 km)
  • Neigung ist ~ Breitengrad des Startplatzes (dh ~ 28,5 ° für Florida-Starts)
  • dies wird typischerweise von der Trägerrakete durchgeführt
• kombinierter Ebenenwechsel + Zirkularisierungsbrand bei geostationärer Höhe:
  • Neigung auf 0° ändern
  • Dies wird normalerweise vom Raumfahrzeug durchgeführt (obwohl die Direkteinspritzung immer häufiger wird).

Unter der Annahme von sofortigen Verbrennungen kann die zweite Verbrennung wie folgt analysiert werden ( entschuldigen Sie die grobe MS Paint-Zeichnung ):

Auf die das Kosinusgesetz angewendet werden kann, um die zu finden$\Delta V$.

Wenn$|V1|=|V2|$, reduziert sich die Gleichung auf:

Dies bietet die Möglichkeit, die zu senken$\Delta V$Kosten für das Flugzeugwechselmanöver, wenn$|V|$niedriger ist (dh höhere Höhe). Das macht die supersynchrone Transferbahn.

Diese supersynchronen Manöver gliedern sich wie folgt:

• Injektionsverbrennung im geostationären Transferorbit (GTO):
  • Perigäum @ Parkbahnhöhe (z. B. 250 km)
  • Apogäum > geosynchrone Höhe (> 35786 km, supersynchron )
  • keine Neigungsänderung
• kombinierter Ebenenwechsel + Perigäum anhebende Verbrennung @ Transfer-Orbit-Apogäum:
  • Perigäum auf Synchronhöhe anheben (35786 km)
  • Neigung auf 0° ändern
• Circularize @ Perigäum

Die Summe$\Delta V$Kosten für die Standardmethode (geneigte 250 km Parkbahn auf geostationäre Bahn) betragen:

Während die Summe$\Delta V$Kosten für das supersynchrone Verfahren sind:

Interessanterweise gibt es eine iso-propische Linie (wenn Sie so wollen) bei einer Neigung von ~ 40 °, wo die Summe liegt$\Delta V$Die Kosten der Manöver sind unabhängig von der Apoapsis der Transferbahn (sauber!).

Der$\Delta V$ist für die supersynchrone Methode in den farbigen Bereichen dieses Diagramms niedriger:

Wenn Sie jedoch nur die Manöver berücksichtigen, für die das Raumfahrzeug (typischerweise) verantwortlich ist (dh Nachinjektion), ist es immer gleich ODER effizienter, eine supersynchrone Übertragung zu verwenden, obwohl die$\Delta V$Bei den häufigsten Neigungen/Startplätzen sind die Einsparungen relativ gering:

Der rote Punkt stellt den Satelliten Thaicom 6 dar, den SpaceX 2014 auf einer supersynchronen Transferbahn (90.000 km, 20,75°) gestartet hat . Der$\Delta V$Die Ersparnis betrug etwa 10 %.

Eine höhere Transferbahn braucht natürlich mehr Zeit, um GEO zu erreichen:

(normalisiert für Satelliten mit elektrischem Antrieb, bei denen die Manöver nicht alle in einer Umlaufbahn stattfinden können)

Aber, wie in dieser Antwort deutlich ausgedrückt :

Lebenszeit ist Geld.

und das$\Delta V$Einsparungen sind das Leben mehr wert, als sie kosten.