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翻译了点东西,分享下欧洲对一级半入轨芯级受控再入的经验

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“我们的经验清晰地表明,要设计受控再入的火箭级有多么困难。”——法国国家空间研究中心(CNES)运载器太空碎片削减政策,阿里安5应用报告,1993年4月
了解太空碎片控制这个领域和发这贴的契机是之前长五B芯级再入引起的讨论,不过希望这贴尽量不要涉及太多技术之外的问题,只是探讨下“这事如果要做可以怎么做”。
太长不看版:为避免残骸落入聚居区,阿里安5的芯级并未进入最理想轨道,而是把近拱点压得很低,确保环绕一圈后直接在大西洋/太平洋的预定区域再入。代价是需要更大的上面级才能维持原有运力,潜在影响是500kg GTO运力这个数量级。




IP属地:上海1楼2020-05-18 16:10回复
    此楼出自1997年ESA举办的第二次欧洲太空碎片会议报告,链接放楼中楼了。有些术语一时没查到正统中文译文,翻得仓促还望斧正


    3. 阿里安5
    3.1 介绍
    阿里安5包括由两个固体助推器EAP和低温芯级EPC组成的下面级组合体,以及由载具仪器舱VEB(含肼燃料姿控系统SCA)、上面级EPS与上面级综合结构件Speltra(一箭多星结构件)、载荷适配器和整流罩组成的上面级组合体。
    图10示出运载器总体构造。
    3.2 碎片削减规则对EPC轨迹的影响
    对于以单个大型低温级为基础的运载器分级方案,其理想的GTO上升轨迹会使EPC在关机时进入环绕轨道,理想近拱点接近150km。
    经过初步研究,CNES曾考虑使EPC主动降轨,但很快发现该方案过于复杂:限于溅落条件,需要在第二次到达远拱点时执行降轨,且需要依靠姿控系统才能控制减速推力方向(从而涉及增加箭载计算机、采取延寿措施等)。
    此方案被放弃,转而研究提升近拱点的可行性,意在使芯级停留在稳定轨道上(近拱点高于200km)并将其钝化。该方案同样由于碎片削减规则而未被采纳:在低地球轨道(穿越空间站轨道区域)产生碎片被视为不可接受,即使碎片会提前再入也不影响结论。
    最后的参考解决方案是降低近拱点高度(低于70km),实现芯级受控直接再入。该方案造成了显著影响:载荷运力减少约500kg(GTO轨道),同时上面级EPS需要增重(从7吨增至10吨)。
    ----------------------------------------
    这篇报告最后的展望提到,他们仍然在研究进一步降低近拱点的措施,以及在远拱点利用剩余燃料主动降轨的措施(阿里安4上面级就靠不同位置的燃料排泄阀控制姿态+提供降轨推力),但这些设想中的措施依然很复杂


    IP属地:上海2楼2020-05-18 16:20
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      好,科普辛苦!


      IP属地:广西来自Android客户端3楼2020-05-18 16:23
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        这楼来自1993年的第一次上述会议,各方面讲得更加细致,楼上其实是把这篇的很多论述浓缩总结了。这里选了我最感兴趣的一段,相当于展开讲讲。

        初步研究后决定放弃在远拱点主动降轨的任务模式,转而采用芯级自然再入方案。为弥补非理想轨道导致的性能损失(约500kg GTO运力),上面级推进剂储量由7吨增至接近10吨。
        芯级任务得以简化(如图)。分离时,EPC被留在50km x 1800km 轨道上,执行钝化操作以避免再入之前发生爆炸,并开始“翻跟头”。
        芯级在GTO和LEO任务中自然坠入太平洋,在SSO任务中自然坠入大西洋,弹道飞行时间为一个半小时。
        我们的经验清晰地表明,要设计受控再入的火箭级有多么困难。


        IP属地:上海4楼2020-05-18 16:24
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          这楼出自ESA的网站和一本书,Safety Design for Space Operations
          火神发动机运行近10分钟后关机,此时海拔高度约为145 km。芯级分离后沿侧向弹道轨迹(side ballistic trajectory,译者注:这是个啥?) 飞行并横向旋转,稍后再入大气层。 大部分残骸将在大气层内烧毁,剩余部件将在南美洲海岸约2000 km外坠入太平洋。
          -------------------------------
          阿里安5号的理想分级方案将使EPC进入低轨(近拱点180km,远拱点1600km)[…]
          我们不得不修改运载器轨迹并相应调整各级尺寸[…]
          下面级组合体与上面级组合体之间dV的重新分配(译者注:指的应该是是分离时前者减速后者加速)将使EPC自然再入,坠入太平洋。
          不幸的是,针对这种再入过程的研究还是一片空白。芯级几乎环绕地球一圈后才会在加拉帕戈斯群岛附近再入,再入速度极高,甚至接近轨道速度,而进入大气层的角度极小;海拔高度120km时的典型值为绝对速度8200m/s、飞行路径角度-2.4°。
          […]
          当然,模拟结果对应于特定火箭版本和特定发射任务。图4.2.4是两个示例结果,分别是太平洋再入(左图)和大西洋再入(右图),均为GTO任务。


          IP属地:上海5楼2020-05-18 16:40
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            支持科普!


            6楼2020-05-18 16:43
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              就这些了。法国佬可能是第一个吃这螃蟹的,证明这事难做但能做,对性能的影响说大不大说小不小(GTO运力十吨影响半吨,由上面级弥补回来了),一圈内向预定地点再入能避免很多麻烦,甚至只是假想的麻烦。
              这些论文里还讨论了很久如何让上面级无害化,给我的印象是轻小的上面级只要在25年内再入就是胜利,完全不用考虑再入位置,不会存在没烧干净的残骸。(然而有个研究说,阿里安系列打上去的上面级大部分甚至全部都难以按照约定在25年内再入,进而开始研究利用自然引力摄动加速再入的方法。不过这就跑题了,上面级残骸只是对航天器有威胁而不是对地面。)

              欧洲特色深度人文关怀。不知道SLS这方面有什么考虑,一级半入轨的东西实在不多。


              IP属地:上海7楼2020-05-18 17:05
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                楼主辛苦了。。。阅贴长见识啊。。。


                IP属地:湖南8楼2020-05-18 17:13
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                  楼主自己翻译的?建议吧主加精


                  IP属地:中国台湾9楼2020-05-18 17:16
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                    再入的火箭需要把它捞回来吗


                    来自Android客户端10楼2020-05-18 17:49
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                      下面是1993年那会议文件里被法国佬否掉的主动降轨方案,往芯级上装小固推,其实4L的内容就紧接着这段。
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                      芯级受控再入设计难点之一:
                      从性能角度来看,阿里安5的理想轨道是Zpe=135km,Zap=3625km。该轨道无法长期保持稳定,EPC将在较短时间内再入(少于10圈环绕)。完全不受控的再入将带来两个不可接受的风险:一是芯级再入之前发生爆炸,污染相应的低地球轨道。二是未焚毁的部件再入落地造成威胁,如发动机部件。
                      为避免这些风险,芯级最初被设计为再入时完全可控:
                      EPC与上面级组合体分离后,芯级任务如下:
                      芯级在约三小时的时间内(一圈半轨道)持续受控:调控两个储箱的压力,控制芯级姿态。第二次到达远拱点时实施点火推进,使芯级再入太平洋(如图3.2.1)。

                      该任务时间较长,需要对芯级进行多处改动:
                      芯级上需要安装计算机并配备惯性测量装置和专用姿控系统。
                      由于此类任务极高的可靠性要求(故障容错率),这些设备都需要一套冗余备份。
                      需要由固体火箭执行远拱点点火,如何将其安装在芯级上是个难题。
                      上述改动使芯级任务时间延长,难度增加,导致芯级成本和总体任务成本上升。

                      -------------------------------------------
                      需要理性客观看待他们认为的不可接受


                      IP属地:上海12楼2020-05-18 23:33
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                        简单来说避免助推入轨的方式有三:
                        ①损失运力代价提前分离
                        ②在助推器上加装小火箭在远拱点反推再入
                        ③更改火箭设计多加分级


                        IP属地:广东来自Android客户端13楼2020-05-19 08:32
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                          你好,你之前提到过你是做笔译是吗?当然不是在这个吧提,我有点翻译的问题想和你进行探讨。


                          IP属地:广西14楼2020-05-23 21:21
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                            这个可太硬核了


                            IP属地:浙江来自Android客户端16楼2020-05-23 22:56
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