Pedir la luna sería más fácil.
El estudio de la astrodinámica se está convirtiendo en un requisito previo común para cualquier ingeniero o científico que espera participar en las ciencias aeroespaciales y en sus muchas aplicaciones. Si bien los viajes tripulados en el espacio Tierra-Luna son cada vez más comunes, también nos estamos concentrando en aplicaciones sofisticadas de la Tierra y satélites interplanetarios en los campos de las comunicaciones, la navegación y la investigación básica.
Incluso el uso de satélites simplemente como vehículos de transporte o plataformas para experimentos requiere una comprensión fundamental de la astrodinámica.
Durante un tiempo, el misil balístico, cuya mecánica de vuelo se basa en la astrodinámica, será un arma de primera línea en los arsenales de muchos países.
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El objetivo es estudiar las rutas de vuelo controladas de las naves espaciales, especialmente las técnicas y herramientas utilizadas en este proceso. El estudio parte de principios básicos derivados empíricamente por Isaac Newton, es decir, las Leyes del movimiento de Newton, que se derivaron de la experiencia o la observación. Así, se desarrolla el modelo relativo de 2 cuerpos, que consiste en dos partículas, donde una partícula es más masiva (el cuerpo central) y la otra (la nave espacial) se mueve alrededor de la primera, y las únicas fuerzas que actúan en este sistema son las mutuas. Fuerzas gravitacionales.
Las Leyes de movimiento de Kepler se prueban a partir de las Leyes de Newton. Resolver las ecuaciones de movimiento resultantes muestra que la partícula menos masiva se mueve en una órbita de sección cónica, es decir, un círculo, elipse, parábola o hipérbola, mientras satisface la Ecuación de Kepler. Las propiedades geométricas de las órbitas de la sección cónica, la clasificación de la órbita y los tipos de órbitas se consideran con ejemplos. Se suministran las constantes astronómicas necesarias en este estudio, junto con varias tablas de fórmulas geométricas para órbitas elípticas.
Después de que el analista de determinación de la órbita estima la órbita de la nave espacial, las maniobras de corrección de trayectoria (MTC) están diseñadas para corregir esa órbita estimada a la línea de base que satisface los requisitos y restricciones operacionales y de misión. Tales TCM corrigen errores estadísticos (generalmente pequeños), mientras que otras maniobras realizan ajustes (generalmente grandes) como la inserción de la nave espacial en una órbita alrededor de un planeta desde una trayectoria heliocéntrica.
Las estrategias de maniobra consideradas incluyen la transferencia óptima de 2 maniobras de Hohmann y la transferencia óptima de maniobra de 3 maniobras con ejemplos con fines de comparación. El diseño de los TCM determina la cantidad de cambio de velocidad requerido para corregir la trayectoria. La Ecuación del Cohete se usa para determinar la cantidad de propelente requerido para lograr el cambio requerido en la velocidad. Se consideran varias combinaciones de combustible y oxidante que generan el impulso específico , la medida de la capacidad de un propelente, requerida para implementar la corrección de la órbita.
Las ayudas de gravedad obtenidas al volar por planetas en vuelo hacia el cuerpo objetivo (otro planeta, cometa o asteroide, o el sol) pueden producir un gran cambio de velocidad sin gasto de propelente a bordo. Se describen los tipos y ejemplos de misiones interplanetarias y el espacio de focalización utilizado en el diseño de las trayectorias requeridas.
Las técnicas de Astrodinámica incluyen algoritmos para propagar la trayectoria de la nave espacial, elementos de órbita Keplerianos que describen el tamaño, la forma y la orientación de la órbita en el espacio y la ubicación de la nave espacial en la órbita, y el Problema de Lambert, que se utiliza para generar curvas de diseño de la misión llamadas “chuleta de cerdo parcelas ”. Otros modelos avanzan nuestro estudio para tratar n cuerpos y masas distribuidas en lugar de solo dos masas puntuales, y medir el tiempo, que es fundamental para nuestras ecuaciones.
El movimiento no kepleriano tiene en cuenta las perturbaciones del modelo kepleriano, como el aclaramiento del cuerpo central, las fuerzas gravitacionales de otros cuerpos (“efectos del tercer cuerpo”), el viento solar y la presión, y las maniobras de corrección de actitud. El estudio identifica las perturbaciones primarias de un vehículo en órbita terrestre, resuelve una paradoja de la órbita de un satélite y considera “cero G” (¿o es “cero W”?).
Se describe una estrategia para reunir una nave espacial con otros vehículos , como la Estación Espacial Internacional. Un ejemplo es la cita del Módulo de excursiones lunares Apollo 11 con el Módulo de comandos. Una estrategia tiene la intención de evitar un encuentro involuntario al colocar la nave espacial en una posición de apoyo con respecto a otro vehículo para, por ejemplo, permitir que los astronautas duerman con seguridad.
Las técnicas y herramientas de navegación incluyen una herramienta de diseño de MTC y dos métodos para diseñar trayectorias circunlunares de retorno libre para usar de forma segura en el retorno de humanos a la Luna. El lanzamiento en una trayectoria de retorno libre asegurará que la nave espacial regresará a un lugar de aterrizaje en la tierra sin el uso de ninguna maniobra de propulsión en caso de un accidente como el que sufrió el Apollo 13. Después de que se determine que la nave espacial está en En buenas condiciones de trabajo, se puede transferir de la trayectoria de retorno libre a una favorable para la inyección en una órbita lunar.
Tendrá que esforzarse para aprender estos términos. No los aprenderás de Arvind Kejriwal. Wikipedia y el resto de Internet lo ayudarán. Usted mismo tendrá que hacer el esfuerzo. Pero creo que tienes la pasión por aprender este tema fascinante; Una vez que tienes eso, todo lo que necesitas es mucha lectura.
Esta es una asignatura de ingeniería, y en este campo, no hay ingeniería sin MUCHA matemática.
Pero no es difícil si vas paso a paso.
” El día de Navidad, 1 642, el año en que Galileo murió, nació en la Casa señorial de Woolsthorpe-by-Colsterworth, un infante varón tan pequeño que, como le contó su madre en años posteriores, podría haber sido puesto en un cuarto de galón. taza, y tan frágil que tuvo que usar un collarín alrededor de su cuello para sostener su cabeza. Esta desafortunada criatura fue ingresada en el registro parroquial como ‘Isaac sonne de Isaac y Hanna Newton’. No hay constancia de que los hombres sabios honraran la ocasión, sin embargo, este niño debía alterar el pensamiento y el hábito del mundo. ”
– James R. Newman
Así comienza la primera frase en Fundamentals of Astrodynamics by Bate, Mueller, and White. Los autores pertenecen a la Academia de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos.
Y luego, te guían gentilmente a través de las tres leyes de Newton, y nunca dicen en ningún momento: “¡Oh, ya debes haber aprendido esto en la escuela!”
ANTECEDENTES HISTÓRICOS Y LEYES BÁSICAS.
Si el día de Navidad de 1642 marcó el comienzo de la era de la razón, fue solo porque dos hombres, Tycho Brahe y Johann Kepler, quienes tuvieron la oportunidad de reunirse solo 18 meses antes de la muerte del primero, sentaron las bases para los mayores descubrimientos de Newton unos 50 años después.
Sería difícil imaginar un mayor contraste entre dos hombres que trabajan en el mismo campo científico que el existente entre Tycho Brahe y Kepler.
Tycho, el noble y aristocrático danés, fue excepcional en ingenio mecánico y meticuloso en la recopilación y el registro de datos precisos sobre las posiciones de los planetas. Estaba totalmente desprovisto del don de la especulación teórica y el poder matemático.
Kepler, el matemático pobre y enfermizo, no equipado por la naturaleza para observaciones precisas, recibió la paciencia y la percepción matemática innata necesaria para descubrir los secretos ocultos en los datos de Tycho.
Las leyes de Kepler.
Desde la época de Aristóteles, quien enseñó que el movimiento circular era el único movimiento perfecto y natural y que los cuerpos celestes, por lo tanto, necesariamente se movían en círculos, se suponía que los planetas giraban en caminos circulares o combinaciones de círculos más pequeños que se movían en círculos más grandes. Pero ahora que Kepler tuvo las observaciones precisas de Tycho para referirse a él, encontró una inmensa dificultad para conciliar cualquier teoría de este tipo con los hechos observados.
Desde 1601 hasta 1606, intentó adaptar varias curvas geométricas a los datos de Tycho sobre las posiciones de Marte. Finalmente, después de luchar durante casi un año para eliminar una discrepancia de solo 8 minutos de arco (¡lo que un hombre menos honesto podría haber ignorado!), Kepler encontró la elipse como una posible solución. Encaja Se encontró la órbita y en 1 609 Kepler publicó sus dos primeras leyes del movimiento planetario. La tercera ley siguió en 1619.
Estas leyes que marcan una época en la historia de la ciencia matemática son las siguientes:
LEYES DE KEPLER
▲ Leyes de Kepler del movimiento planetario
Aun así, las leyes de Kepler eran solo una descripción, no una explicación del movimiento planetario. Quedó para el genio de Isaac Newton desentrañar el misterio de “¿por qué?”.
En 1665, Newton estudiaba en la Universidad de Cambridge cuando un brote de la plaga obligó a la universidad a cerrar durante 2 años. Esos 2 años serían el período más creativo en la vida de Newton. El genio de 23 años de edad, concibió la ley de la gravitación, las leyes del movimiento y desarrolló los conceptos fundamentales del cálculo diferencial durante las largas vacaciones de 1666, pero debido a algunas pequeñas discrepancias en su explicación del movimiento de la luna, arrojó sus papeles. aparte.
¡El mundo no debía aprender de sus descubrimientos trascendentales hasta unos 20 años más tarde!
A Edmund Halley, descubridor del cometa Halley, se le debe el crédito por llevar los descubrimientos de Newton ante el mundo.
Un día, en 1685, Halley y dos de sus contemporáneos, Christopher Wren y Robert Hooke, discutían la teoría de Descartes que explicaba el movimiento de los planetas por medio de remolinos y remolinos que barrían los planetas alrededor del sol. Insatisfechos con esta explicación, especularon si una fuerza, “similar al magnetismo” y la caída inversa con el cuadrado de la distancia podría no requerir que los planetas se muevan en caminos precisamente elípticos.
Hooke pensó que esto debería ser fácil de probar, con lo cual Wren le ofreció 40 chelines a Hooke si podía presentar la prueba en 2 semanas.
Las 2 semanas pasaron y nada más se supo de Hooke.
Varios meses después, Halley visitó a Newton en Cambridge y, sin mencionar la apuesta, planteó la pregunta: “Si el sol arrastraba los planetas con una fuerza inversamente proporcional al cuadrado de sus distancias, ¿a qué caminos deberían ir?”
Para total sorpresa de Halley, Newton respondió sin vacilar: “Bueno, en elipsis, por supuesto. Ya lo he calculado y tengo la prueba entre mis papeles en algún lugar. Dame unos días y lo encontraré para ti”.
Newton se refería al trabajo que había realizado unos 20 años antes, y solo de esta manera casual, ¡su descubrimiento más grande se dio a conocer al mundo!
Halley, cuando se recuperó de su conmoción, le aconsejó a su amigo reticente que se desarrollara por completo y publicara su explicación del movimiento planetario. El resultado tardó 2 años en prepararse y apareció en 1687 como Los principios matemáticos de la filosofía natural , o, más simplemente, los Principia , sin duda uno de los logros supremos de la mente humana.
Las leyes del movimiento de Newton.
En el libro I de los Principia, Newton presenta sus tres leyes del movimiento:
…… y eso es todo lo que se puede hacer sin ecuaciones!
Fundamentos de la astrodinámica
Roger R. Bate, Donald D. Mueller Jerry E. White
Academia de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos
ISBN 0-486-60061-0
Mecánica orbital y astrodinámica
Técnicas y herramientas para las misiones espaciales.
Gerald R. Hintz
Departamento de Ingeniería Astronáutica
Universidad del Sur de California
Los Angeles, CA, USA
ISBN 978-3-319-09443-4
ISBN 978-3-319-09444-1 (eBook)
PROPULSIÓN
La propulsión es un tema completamente diferente; lleva toda una vida de conocimiento.
La propulsión del motor a reacción es fácil de entender sin ninguna ecuación; Al menos a nivel funcional. La propulsión de cohetes es un juego de pelota completamente diferente.
La planta de energía de un vehículo aerotransportado es fundamental para su rendimiento y su operación segura, por lo que es vital para los ingenieros que trabajan en este campo para comprender los aspectos básicos del sistema de propulsión. El campo de la propulsión aeroespacial abarca los sistemas de turbinas de gas (aeronáuticos) y de propulsión de cohetes (astronáutica) y, por lo tanto, es de interés para los ingenieros que trabajan en los campos de aeronaves, misiles y vehículos espaciales.
Hay algunas buenas interrelaciones entre la propulsión aeronáutica (turbina de gas) y astronáutica (cohete), basadas en el mismo conjunto de conocimientos.
Los dispositivos de propulsión aeroespacial incorporan algunas de las tecnologías más avanzadas, desde materiales, control de fluidos y transferencia de calor y combustión. Para maximizar el rendimiento, se desarrollan y utilizan sofisticadas herramientas de simulación por computadora y pruebas. En los cursos de licenciatura o introductorios en propulsión aeroespacial, solo cubrimos los elementos básicos de la mecánica de fluidos, la termodinámica, la transferencia de calor y la ciencia de la combustión, para que tanto en la industria como en los laboratorios de investigación, los estudiantes / ingenieros puedan abordar algunos de los diseños y desarrollos modernos. aspectos
La aerodinámica del compresor, por ejemplo, es un proceso dinámico que involucra cuchillas giratorias que ven diferentes flujos en diferentes ubicaciones radiales y axiales. Cascada y comportamiento del flujo transónico.
Puede hacer los análisis más complejos e interesantes. En los flujos de la turbina, la temperatura del gas es alta y, por lo tanto, varios problemas de transferencia de calor y materiales se vuelven bastante importantes. Debido a la naturaleza giratoria de los fluidos de la turbina y del compresor, se debe utilizar un control de flujo complejo entre el eje y la sección de la pala, mientras que se permite que el flujo del refrigerante pase del compresor a las palas de la turbina. El flujo del combustible es aún más complejo, ya que el combustible en fase líquida debe pulverizarse, atomizarse, evaporarse y quemarse en un volumen compacto. La alta liberación de calor y los requisitos de dilución y enfriamiento posteriores hacen que el diseño del flujo sea bastante difícil y desafiante. Todos estos procesos (atomización por aspersión, cambio de fase, combustión, transferencia de calor (convección y radiación) y mezcla) ocurren en flujos turbulentos, y ninguna herramienta computacional puede reproducir con precisión flujos reales sin un largo modelado y calibración. Cualquiera de los problemas mencionados anteriormente, como la atomización por aspersión, el flujo turbulento o la combustión, es un problema no resuelto en ciencia e ingeniería, y esta es la razón por la que los laboratorios de investigación y de la industria desarrollan costosos métodos de análisis computacional y de prueba.
Una vez más, Kejriwal no te va a ayudar aquí.
Los sistemas de propulsión incluyen algunas de las tecnologías más avanzadas. Los requisitos de alto rendimiento, con bajo peso del sistema, requieren un diseño avanzado de fluidos térmicos, materiales e integración de sistemas. El empuje, generado a través de un principio simple de conservación del impulso (o la segunda ley de Newton), permite muchas capacidades humanas, como el transporte civil de alta velocidad (aproximadamente 12 horas para vuelos en el Pacífico), aviones personales asequibles, avanzados aviones militares (por ejemplo, F-22 Raptor, Sukhoi), operaciones orbitales de la Tierra (Transbordador espacial y ahora la ISS) y numerosos satélites, sondas planetarias y posibles misiones. La tecnología de propulsión también puede conducir a usos potencialmente destructivos, como en misiles de crucero, misiles balísticos intercontinentales y muchas otras armas propulsadas a altas velocidades.
Esto debería hacer que te pongas en marcha, aunque prefiero que primero hagas tu cerebro con el conocimiento de la World Wide Web. Entonces puedes estar seguro si estás listo para las cosas más pesadas.
También hay cursos en la web, como AA283, Aircraft – & – Rocket Propulsion, Stanford University, para los cuales pueden estar disponibles notas de conferencias y videos, y, por supuesto, MOOC como Coursera, edX y MIT-OCW. Muchos son libres. Busca uno y elige.
