Wie wird die Abschaltung des Raketentriebwerks gesteuert?

Was löst bei einem typischen, modernen Satellitenstart das Abschalten der Raketentriebwerke der orbitalen Einsetzstufe aus?

Mir fallen drei prinzipielle Möglichkeiten ein:

  1. Berechnen Sie, wie viel Kraftstoff Sie für die Flugbahn benötigen, laden Sie genau so viel Kraftstoff und verbrennen Sie den gesamten Kraftstoff
  2. Bringen Sie etwas zusätzlichen Kraftstoff mit und schalten Sie die Motoren zu einer bestimmten Zeit aus
  3. Bringen Sie etwas zusätzlichen Kraftstoff mit und schalten Sie die Motoren aus, wenn die Telemetrie anzeigt, dass Sie die gewünschte Höhe und Geschwindigkeit erreicht haben

Die ersten beiden scheinen anfällig für kleine Schwankungen der atmosphärischen Bedingungen, der Motorleistung und so weiter zu sein.

Ein historisches Beispiel: Die zweite Stufe von Apollo 13. Der mittlere Motor schaltete aufgrund von Pogo-Oszillationen vorzeitig ab, als der Kraftstoffdruck unter einen Abschaltschwellenwert fiel, der sicherstellen sollte, dass der Motor sauber stoppte, wenn der Stufe der Kraftstoff ausging (was selbst impliziert, dass Option 1 etwas unsicher ist). ; nicht der gesamte Kraftstoff wird verbrannt).

Zum Ausgleich liefen sie die zweite Etappe einfach länger. War dies ein natürliches Ergebnis des Verbrauchs des gesamten verbleibenden Kraftstoffs durch vier Motoren anstelle von 5 (impliziert Option 1) oder mussten sie explizit eine spätere Abschaltzeit befehlen (impliziert Option 2) oder war die Kompensation vollständig automatisch (Option 3) ?

Beachten Sie, dass ich nach dem anfänglichen Start und der Einfügungsphase in die Umlaufbahn frage, nicht nach der Feinabstimmung der Umlaufbahn und / oder dem Rendezvous mit einem Ziel über mehrere inkrementelle Verbrennungen.

Antworten (1)

Option 1 ist aus. Sie bringen immer mehr Kraftstoff mit, als Sie denken, dass Sie brauchen. Dann bringst du noch ein bisschen mehr mit. SpaceX hat uns gerade gezeigt, was passiert, wenn man das nicht tut.

Option #2 wird immer noch in gewissem Umfang verwendet. Raketen verwendeten anfangs zeitgesteuerte Verbrennungen, aber verbesserte Sensoren und Bordcomputer führten zu einem besseren Weg. Russland setzt immer noch früh programmierte Verbrennungen ein. Es verwendet andere Ansätze, wenn eine feinere Steuerung erforderlich ist. Die USA mögen durchweg extravagantere Ansätze. Das kostet mehr, ist aber genauer.

Option Nr. 3 wird bis zu einem gewissen Grad während einiger Flugphasen verwendet. Es gibt ein Problem: Es kann nicht so gemacht werden, wie in der Frage angegeben. Wenn die Rakete die gewünschte Höhe erreicht, hat sie nicht die gewünschte Geschwindigkeit, und wenn sie die gewünschte Geschwindigkeit erreicht, hat sie nicht die gewünschte Höhe. Was stattdessen passiert, ist, dass das Fahrzeug entlang des Weges seine Trajektorie so anpasst, dass es annähernd die richtige Geschwindigkeit hat, wenn das Fahrzeug die gewünschte Höhe erreicht. Dann schaltet es ab, wenn es glaubt, die Zielhöhe erreicht zu haben.

Eine verwandte Option besteht darin, das Delta v zu berechnen, das erforderlich ist, um von der aktuellen Umlaufbahn in die gewünschte Umlaufbahn zu gelangen, und den Schub zu stoppen, wenn das erfasste akkumulierte Delta v den gewünschten Wert erreicht.

Es gibt ein zusätzliches Problem: Das Fahrzeug ist nicht dort, wo es glaubt, es zu sein, und es fährt auch nicht mit der Geschwindigkeit, die es zu sein glaubt. Das erfasste akkumulierte Delta v ist ebenfalls fehlerhaft. Dies erfordert zusätzliche Optionen.

Option Nr. 4: Nehmen Sie unterwegs Korrekturen vor. Verbrennungen neigen dazu, kurz zu sein, sobald sich das Fahrzeug im Orbit befindet. Das Fahrzeug schiebt nur während des Starts die ganze Zeit. Danach verwenden Raumfahrzeuge eine Burn-Coast-Burn-Strategie. Dies gibt dem Fahrzeug Zeit, herauszufinden, dass die Verbrennung, die die Übertragung gestartet hat, nicht ganz richtig war. Korrekturverbrennungen bringen das Fahrzeug wieder auf eine Trajektorie, die das Fahrzeug mehr oder weniger an den gewünschten Ort, mit der gewünschten Geschwindigkeit und zum richtigen Zeitpunkt bringt.

Option #5: Mach nicht alles auf einmal. Niemand geht vom Start in die Zielumlaufbahn. Alle schleichen sich an das Ziel heran. Ein Direktflug vom Boden zur Internationalen Raumstation würde etwa zehn Minuten dauern. Das Automated Transfer Vehicle braucht manchmal viele Tage, um vom Boden zur Internationalen Raumstation zu gelangen. Selbst der Schnellstart von Sojus dauert sechs Stunden.

Betreff. Nr. 3, das scheint mir ein wenig kontraintuitiv zu sein; Ich habe das Gefühl, dass Sie jedes Paar (Höhe, Geschwindigkeit, Orbitalphase) mit Lagekontrolle während des Brennens erhalten könnten (aber meine Intuition ist wahrscheinlich falsch). Betreff. Nr. 4 und Nr. 5, ich werde meine Frage bearbeiten, um klarzustellen, dass ich nach der anfänglichen Start- und Orbital-Einfügungsphase frage. Ich frage ausdrücklich nicht nach der Feinabstimmung der Umlaufbahn mit separaten Verbrennungen oder nach Rendezvous-Umlaufbahnen.
Das Fahrzeug führt Korrekturen im geschlossenen Regelkreis bis zum Ende durch (oder den ganzen Weg seit der Beendigung der ersten Stufe, was oft noch eine Führung im offenen Regelkreis ist). Zu dem Zeitpunkt, zu dem der Auslöser erreicht ist, der den Schub beendet, befindet sich das Fahrzeug nahe am gewünschten Punkt der gewünschten Umlaufbahn. Die auf dem Shuttle verwendete Powered Explicit Guidance verwendete VGO (velocity to go) als Auslöser. Viele Aufstiegsleitsysteme verwenden immer noch Varianten von PEG.
Ihre Antwort impliziert, dass die Abschaltung des Geschwindigkeitsschwellenwerts durch die integrierte Geschwindigkeitsschätzung des Fahrzeugs erfolgt. ist die Geschwindigkeitsbestimmung vom Boden aus weniger genau oder gibt es einen anderen Grund?
Es ist keine einfache numerische Integration der Beschleunigungsmesserausgabe. (Tatsächlich kann es nicht daran liegen, dass sich das Fahrzeug dreht, während es bergauf fährt.) Das Navigationssystem bestimmt den Zustand des Fahrzeugs mithilfe eines Kalman-Filters, der eine Reihe von Eingaben wie Navigationssensoren und GPS empfängt. Rauschen und Verzerrungen in den Nav-Sensoren zeigen sich als Diskrepanz zwischen der integrierten Position und der GPS-Position. Dieser berechnete Positionsfehler korreliert stark mit dem Zustandsgeschwindigkeitsfehler, was bedeutet, dass die Geschwindigkeit zusammen mit der Position eine Kalman-Aktualisierung erhält.
Wenn man sich auf die Bodentelemetrie verlässt, fügt dies mehrere Fehlerquellen und damit ein erhebliches Sicherheitsrisiko hinzu. Aus Sicherheitsgründen ist es am besten, wenn aktive Flugregime mehr oder weniger autonom sind. Der Boden überwacht auf Probleme und sendet gelegentlich Befehle an das Raumschiff. Aber eine kontinuierliche Echtzeit-Datenverbindung, die für den ordnungsgemäßen Betrieb des Raumfahrzeugs unerlässlich ist, ist keine gute Idee.
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