천체 역학 천체 역학은 인간이 지구에서 우주로 발사한 다양한 차량의 운동을 연구하는 천체 역학의 새로운 분과로, 인공 천체 역학이라고도 합니다. 인공 천체는 기본적으로 인공 지구 위성 , 달 로켓 및 행성간 차량 의 세 가지 범주로 나뉩니다 . 세 가지 유형의 인공 천체는 운동 과정에서 서로 다른 기계적 문제를 가지므로 각각 인공 지구 위성의 역학, 달 로켓 역학 및 행성 간 차량 역학을 형성합니다.
소개
인공 지구 위성 역학. 회수될 인공 지구 위성 은 일반적으로 발사 단계, 궤도 비행 단계 및 귀환 비행 단계의 3가지 다른 비행 단계를 갖는다. 위성 궤도는 일반적으로 두 번째 세그먼트라고 합니다. 이때 로켓 엔진 은 작동을 멈추고 위성 은 일정 속도( 최초 우주 속도 보다 약간 빠른) 로 미리 정해진 궤도에 진입한다 . 지구 중력의 작용으로 위성은 거의 타원형 궤도로 지구를 공전합니다.
이것은 발사체가 지상에서 이륙하고 점차적으로 가속하여 위성을 의도한 궤도에 놓이게 하는 비행 구간입니다. 첫 번째 문제(및 로켓 비행 역학의 일반적인 문제) 중 하나 는 최적화 문제 입니다. 위성의 미리 결정된 궤도 요구 사항을 충족한다는 전제 하에 발사 방법은 최소 운동 에너지 소비 원칙에 따라 결정됩니다. 로켓. 이것은 수학적으로 변형 문제입니다. 로켓(위성 포함)은 주로 비행 중 세 가지 힘, 즉 지구의 중력 , 대기 항력 (및 양력) 및 제트 추력의 영향을 받습니다. 로켓의 해당 운동 방정식은 비선형 상미분 방정식입니다. 해석적 방법을 사용할 수는 없지만 수치적 방법은 그것을 해결하는 데 사용할 수 있습니다. 즉, 위성의 미리 결정된 궤도의 요구 사항에 따라 발사의 초기 조건과 최적의 궤도는 많은 수치 계산에서 결정됩니다.
반환 세그먼트
위성이 지구 주위를 도는 궤도에서 수차례 임무를 완수한 후 대기권으로 재진입하여 지상의 미리 정해진 목표로 되돌아가는 비행 구간이다. 이 때, 위성은 여전히 로켓에 실려 있고, 로켓 엔진이 재시동하여 제트의 방향을 바꾸어 위성을 감속시킨다. 발사 단계에서는 위성이 지상에서 이륙하여 밀도가 높은 대기에서 점차적으로 가속되며, 귀환 단계에서는 위성이 고속으로 대기권에 재진입합니다. 동적인 관점에서 볼 때 힘 상황과 비행 궤적의 해법은 발사구간과 유사하지만 새로운 문제, 즉 공기열 문제(유인 우주선의 경우 과체중 문제도 있음)가 있다. 인체). 위성을 안전하게 지상으로 되돌리는 데 있어 눈에 띄는 문제 중 하나는 감속입니다. 이것은 로켓의 역추력에 의해 느려질 수 있지만 이 계획을 사용하면 로켓이 너무 많은 연료로 이륙합니다. 이륙 중량을 최소화하기 위해 대기 항력 제동을 사용하여 안전한 복귀를 달성하는 경우가 많습니다. 이 때 위성은 여전히 비교적 빠른 속도로 대기권에 재진입하고 있으며, 머리 부분에 강한 충격파가 나타나며, 그 뒤의 기류(즉, 위성체 머리 부분 부근)가 도달하게 된다. 공기 역학적 열인 6,000-10,000K의 고온. 합리적인 위성 형태(무딘 헤드, 열전달율을 낮출 수 있는 헤드) 사용, 외피용 고온 내성 소재, 다양한 냉각 조치와 같은 솔루션은 더 복잡합니다. 또한 너무 빨리 감속하지 않는 적절한 복귀 궤적을 설계하는 것도 중요합니다.
위의 두 비행단계에서 중요한 역할을 하는 로켓추력과 대기항력은 지구의 중력에 비해 작지 않다. 따라서 이것은 천체 역학에서 궤도를 계산하는 방법과 매우 다른 전형적인 비행 역학 문제입니다.
궤도 비행 구간
지구의 밀도가 높은 대기권 밖의 지구근접 공간에서의 인공위성의 비행은 주로 지구의 중력의 영향을 받으며, 우주에서 인공위성의 자세를 조정하기 위해서도 여전히 제트과정이 존재한다. 그러나 로켓 추력과 대기 항력은 지구의 중력에 비해 상대적으로 작은 크기에 불과하기 때문에 이 때 인공위성 비행에 수반되는 기계적 문제는 전형적인 천체의 기계적 문제이다.
지구가 균일한 밀도 분포를 가진 진정한 구체라면 입자로 간주될 수 있으며 지구 주위의 위성의 움직임은 단순한 2체 문제 이며 해당 궤도는 타원입니다. 그러나 지구는 밀도분포가 불균일하고 모양이 매우 불규칙한 천체이므로 인공위성의 운동에 있어서 지구는 입자로 간주될 수 없으며 지구근접공간에는 여전히 대기저항이 존재하고 태양복사도 존재한다. 압력(줄여서 가벼운 압력)과 태양과 달과 같은 천체의 역할은 일반화된 제한된 다체 문제를 구성합니다. 동시에 지구 그림자의 존재로 인해(위성이 지구를 공전할 때 각 원의 지구 그림자에 태양에 의해 조명되지 않는 부분이 종종 있음) 광압 섭동이 불연속적입니다. , 그리고 위성은 매우 빠르게 움직입니다(지구에 가깝게). 지구 위성은 하루에 10번 이상 지구 주위를 회전하고 궤도가 매우 빠르게 변경됩니다. 위성 궤도를 계산할 때 천체 역학의 일부 고전적인 방법은 단순히 복사할 수 없습니다 . 따라서 몇 가지 이론적 문제(예: 변환 이론, 중간 궤도 이론 및 공명 이론 등) 새로운 내용.
달 로켓 역학
달은 지구에서 가장 가까운 천체이자 성간항해의 첫 번째 목표로 유인 우주선이 달 착륙에 성공했다. 달 로켓(또는 우주선)을 발사하는 목적은 지구-달 공간, 달에 가까운 공간 및 달 자체에 대한 과학적 조사를 수행하는 것입니다. 달 로켓은 목적에 따라 크게 3가지로 분류된다. 달에 접근하거나 우회한 후 지구 부근으로 귀환하는 차량(극지구 특수위성 상당)과 달에 충돌하는 차량(경착륙 또는 연착륙)이다. ) 탐사선 및 인공 달 위성 . 달 로켓 발사 는 인공 지구 위성 발사보다 더 많은 에너지가 필요하므로 로켓 의 운동 에너지 소비를 최소화하는 최적화 문제 는 매우 중요합니다.
일반적으로 달 로켓의 운동은 제한된 삼체 문제로 취급되며, 정밀도가 높으면 다른 섭동(태양 섭동 등)을 고려해야 합니다. 달 로켓은 지구와 달에 가깝고 이 두 천체에 강하게 끌리므로 문제가 더 복잡해집니다. 천체 역학에서 일반적으로 사용되는 일부 분석 방법은 더 이상 적용할 수 없습니다 . Earth-Moon 시스템의 경우 달의 작용 범위는 약 66,000km이며 이 범위 내에서는 로켓에 대한 달의 중력 효과만 고려되며 이 범위 외에서는 로켓에 대한 지구의 중력 효과만 고려됩니다. 고려하여 달 로켓의 운동을 분해한다 지구와 로켓, 달과 로켓의 2체 문제가 된다(지구 부근으로 돌아간다면 다시 지구와 로켓이다) . 이것은 대략적인 분석 방법이지만 달 로켓 궤도 설계에 중요한 데이터를 제공할 수 있습니다(달 로켓 운동 이론 참조). 달 로켓의 궤도를 정확하게 계산하거나 설계하기 위해서는 수치적 방법이 필요하지만, 수치 계산에서는 로켓이 각각 지구와 달에 가깝다는 특징도 고려해야 한다. 또한 지구에서 발사된 로켓이 달 부근까지 날아간 후 추력 보정 없이 달에 의해 포획되어 달 위성이 될 수 있는지 여부는 포획 문제(포획 이론 참조). 연구에 따르면 그러한 포획 가능성은 0입니다. 달 위성의 경우 인공 지구 위성과 유사하며 그 운동은 달의 모양(비구형) 섭동과 태양과 지구의 섭동에 의해 영향을 받습니다(섭동 이론).
행성간 차량 역학
태양계의 행성으로 보내진 탐사선을 행성 간 차량 이라고 합니다 . 달 로켓과 마찬가지로 목표 행성에 접근하거나 우회하는 것, 목표 행성에 타격을 가하는 것, 인공 행성 위성의 세 가지 범주로 크게 나뉩니다. 그들의 비행은 지구 부근에서 발사하여 지구 활동 범위를 벗어나기 전, 지구 활동 범위를 떠난 후 및 목표 행성의 활동 범위에 진입하기 전으로 나눌 수 있습니다(이 기간은 종종 천이 궤도라고 하며 주로 태양의 중력 효과) 및 대상 행성의 활동에 진입하는 범위의 세 단계. 이후 목표행성에서 멀어져 인공 소행성이 되거나 목표행성에 포획되어 인공위성이 될 수 있다.
에너지 소모가 적고 비행시간이 짧기 위해 어떤 천이궤도를 선택해야 하는지, 로켓추력에 의한 몇 차례 비행의 궤도천이 문제는 행성간 차량 역학의 중요한 문제이다. 전체 비행 동안 차량은 기본적으로 두 가지 힘, 즉 태양 및 관련 행성의 중력과 로켓 추진력을 받습니다. 추력이 중력보다 작으면 추력 섭동으로 처리할 수 있는데 이는 여전히 전형적인 천체 역학 문제이고, 그렇지 않으면 제트 과정의 운동은 전형적인 로켓 비행 역학 문제입니다. 따라서 행성간 차량 역학은 단순히 천체 역학(해당 2체 문제 또는 제한된 3체 문제)과 로켓 비행 역학의 조합입니다.