Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba - wątek dyskusyjny

[Niki]

 Kolejny ważny krok za nami. NASA właśnie poinformowała, że  powodzeniem rozłożono  Deployable Tower Assembly (DTA).

Wdrożenie zajęło ponad sześć i pół godziny, ponieważ inżynierowie aktywowali urządzenia zwalniające i skonfigurowali grzejniki, oprogramowanie i elektronikę, zanim wydali polecenie rozszerzenia samego DTA.

[MateuszW]

6 minut temu, Krzysztof z Bagien napisał:

Jak górny stopień już się oddzielił i odpalił silnik, to musiał się "bujać" po to, żeby właśnie teleskopu nie przegrzać, mówili nawet podczas streama:

A czy podczas lotu drugiego stopnia webb miał Słońce już tylko z tyłu, czy właśnie nie i po to się kręcił? Czy z tym miała też coś wspólnego dziwna trajektoria, gdzie przez pewien czas rakieta opadała, zamiast ciągle się wznosić?

 

Swoją drogą dziwne jest to, że obecnie "gorąca" strona ma jedynie ok 9 stopni C, to nie wydaje się szczególnie śmiercionośne dla teleskopu gdyby się odwrócił.

[bartolini]

15 minut temu, MateuszW napisał:

A czy podczas lotu drugiego stopnia webb miał Słońce już tylko z tyłu, czy właśnie nie i po to się kręcił? Czy z tym miała też coś wspólnego dziwna trajektoria, gdzie przez pewien czas rakieta opadała, zamiast ciągle się wznosić?

 

Swoją drogą dziwne jest to, że obecnie "gorąca" strona ma jedynie ok 9 stopni C, to nie wydaje się szczególnie śmiercionośne dla teleskopu gdyby się odwrócił.

W czasie rozpędzania na orbicie teleskop oscylował wokół osi podłużnej, żeby Słońce ogrzewało dany obszar przez ograniczony okres czasu. Omówione około 3 minuty. Wspominają też o obniżeniu orbity, chociaż nie wyjaśniają dokładnie dlaczego taki manewr.

[Krzysztof z Bagien]

17 minut temu, MateuszW napisał:

A czy podczas lotu drugiego stopnia webb miał Słońce już tylko z tyłu, czy właśnie nie i po to się kręcił?

Raczej nie miał i właśnie po to się kręcił.

 

17 minut temu, MateuszW napisał:

Czy z tym miała też coś wspólnego dziwna trajektoria, gdzie przez pewien czas rakieta opadała, zamiast ciągle się wznosić?

Jakoś wielce się w szczegóły nie zagłębiałem, ale że jestem wybitnym ekspertem do spraw lotów kosmicznych, który to status osiągnąłem po ponad tysiącu godzin spędzonych na graniu w Kerbal Space Program to mogę napisać, co mi się wydaje. A wydaje mi się, że wygląda to tak, że po wypaleniu pierwszego stopnia rakieta jest wciąż na trajektorii suborbitalnej, a górny stopień uruchamia się teoretycznie w apogeum (czyli w najwyższym punkcie trajektorii - wtedy to jeszcze jest parabola). W praktyce, jak było widać, górny stopień chodził kilkanaście minut, więc musiał zostać uruchomiony przed apogeum (jak jeszcze się wznosił) i pracować jeszcze przez jakiś czas po jego minięciu (czyli jak już de facto spadał) - ale podczas pracy silnika cały czas się rozpędza i w końcu ta prędkość powoduje, że przestaje spadać i zaczyna się znów wznosić.

[Krzysztof z Bagien]

Wykonałem profesjonalną symulację w KSP - troszkę oszukiwałem, jak to w grze można, np. włączając i wyłączając silnik kiedy mi pasowało (normalnie nie ma aż tak dobrze); ale powinno to dać ogólne pojęcie na temat tego, jak mniej-więcej wyglądał start JWST. A, no i to jest symulowane na planecie Kerbin (tej co jest w grze), nie na Ziemi, więc prędkości, wysokości itp. są nierealistyczne, ale ogólna idea jest taka sama.

 

Na głównym obrazku różowa linia to przewidywana trajektoria, zielona - trasa już pokonana (lepiej to widać, jak się otworzy obrazek w pełnym rozmiarze). Jasnoniebieski znacznik Ap na orbicie oznacza apocentrum (apoapsis, najwyższy punkt orbity), analogicznie Pe - perycentrum (peryapsis, najniższy punkt orbity). Wykres na dole po prawej przedstawia wysokość rakiety nad poziomem morza w funkcji czasu; u góry po lewej są parametry orbity, a po prawej - dane na temat prędkości w pionie i w poziomie (oraz odpowiednich przyspieszeń) i wysokości. W tym widoku (znad płaszczyzny orbity) rakieta będzie okrążać planetę przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. Nasz teleskop jest oznaczony takim symbolem: 

 

1. Chwilę po odrzuceniu pierwszego stopnia. Wysokość perycentrum (Periapsis height) jest ujemna i wynosi -581,5km, czyli pod powierzchnią planety - oznacza to, że teleskop jest na trajektorii suborbitalnej, tzn. gdyby nic nie robić, to spadnie na ziemię - co zresztą mamy zwizualizowane. Ciągle się wznosimy - jak widać u góry po prawej prędkość pionowa (vertical speed) jest dodatnia, ale spada (przyspieszenie w pionie jest ujemne).

 

 

 

2. Silnik górnego stopnia rozpoczął pracę, ale pomimo tego pionowa składowa prędkości ciągle spada - a to dlatego, że wektor ciągu skierowany jest nie w górę, tylko prawie poziomo; może to się wydawać nieco nieintuicyjne, ale zależy nam na osiągnięciu odpowiedniej prędkości skierowanej powiedzmy równolegle do powierzchni planety. Teleskop zbliża się do apocentrum, po jego minięciu wysokość będzie się zmniejszać.

 

 

 

3. Silnik górnego stopnia pracuje już jakiś czas i właśnie minęliśmy apocentrum, ale w tym momencie wysokość zaczyna nam się zmniejszać (czyli spadamy!), prędkość pionowa zrobiła się jak widać ujemna. Za to podniosło się nam nieco perycentrum, choć dalej jest pod powierzchnią (wciąż nie jesteśmy jeszcze na orbicie).

 

 

 

4.  Lecimy dalej - ciągle jeszcze spadamy i ciągle jeszcze trajektoria przecina powierzchnię planety, ale już niewiele brakuje. Apocentrum jest teraz dość daleko za nami.

 

 

 

5. Perycentrum w końcu wylazło spod powierzchni i w tej chwili jest już nawet powyżej atmosfery - teleskop jest na orbicie i gdyby teraz wyłączyć silnik, to już nie spadnie na ziemię. Orbita nie jest kołowa, ale lekko eliptyczna; apocentryum przesunęło się jeszcze bardziej do tyłu, a perycentrum zbliża się do aktualnej pozycji teleskopu. Formalnie ciągle spadamy (wysokość maleje), ale robimy to na tyle szybko, że nie trafimy w planetę

 

 

 

6. Właśnie minęliśmy perycentrum, jak widać teraz wysokość znów rośnie. Orbita jest wyraźnie eliptyczna, a perycentrum jest teraz po "naszej" stronie planety (tak to właśnie działa - jeśli uruchamiamy silnik "tutaj", to wysokość orbity zmienia się po drugiej stronie). Pozostaje kontynuować manewr aż do momentu, kiedy apocentrum osiągnie pożądaną wysokość (i kiedy skończy się paliwo górnego stopnia, który będzie można odrzucić).

 

Edytowane 30 Grudnia 2021 przez Krzysztof z Bagien

[MateuszW]

Dzięki za super opracowanie  Na koniec pojawiają mi się dwa pytania - czy taka trajektoria jest optymalna energetycznie i gdyby pokonać początek trasy pod innym kątem, tak aby pominąć etap spadania, to wymagałoby to więcej paliwa? A drugie, to czy takie trajektorie są często spotykane? Czy pojawiają się zwykle w misjach na wysokie orbity, czy nie ma takiego związku?

[Patryk Sokol]

To głównie kwestia mocy silnika. 

Tzn. Teoretycznie najlepiej było by wykonać całą pracę do wejścia na orbitę w najwyższym punkcie paraboli. 

Problem polega na tym, że im silnik szybciej pracę musi wykonać, tym musi mieć wyższą moc. A im wyższa moc tym większa waga. A większa waga, to mniej ładunku. 

W efekcie bardziej się opłaca mniejszy i lżejszy silnik, nawet mimo pozornie mniej efektywnej trajektorii. 

[Szymon Szozda]

@Patryk Sokol Nie wydaje mi się że czas jaki pracuje silnik drugiego stopnia miałby wpływ na efektywność wejścia na orbitę - oczywiście dopóki teleskop nie spadnie na ziemie. Silnik działa siłą prostopadłą do wektora ciążenia, więc cała praca zostaje wykonana i włożona w prędkość teleskopu, nic nie jest tutaj tracone. Pomijam tutaj wpływ zmiennego pola grawitacyjnego, który istnieje ale przy niewielkich różnicach wysokości jak w przykładzie nie ma to znaczenia.

Edytowane 30 Grudnia 2021 przez Szymon Szozda

[Patryk Sokol]

37 minut temu, Szymon Szozda napisał:

@Patryk Sokol

Tyle, że silnik nie ma pracować prostopadle do siły grawitacji. 

Silnik najwięcej energii kinetycznej dostarcza gdy pracuje dokładnie w kierunku w jakim porusza się rakieta. 

Stąd trajektoria.startu jest tak dobierana, żeby całe zakręcanie rakiety do kierunku robiła grawitacja (bo si) a przyłożona prostopadle do kierunku ruchu zmienka kierunek, ale nie zwiększa energii kinetycznej obiektu) 

Nalepiej by było jakby cała praca do wejścia na orbitę wykonana była w najwyższym punkcie paraboli, bo wtedy cała praca wykonana jest w kierunku równoległym do kierunku ruchu po orbicie, więc nic nie marnujemy na walkę z grawitacją. 

Kiedy rozpędzanie w poziomie trwa dłużej, to w efekcie mamy coraz więcej pracy wykonanej nie w kierunku ruchu na orbitę (pieresza strata), a dodatkowo kiedy rakieta opada, to silnik nie pracuje równolegle do kierunku ruchu, bo zwiększałoby to prędkość radialną ku dołowi (a tego nie chcemy),więc mamy kolejne straty energii kinetycznej. 

 

Więc jal mówię - główny zysk to mniejsza masa silnika, a to przeważa nad mnie efektywną trajektorią. 

[Krzysztof z Bagien]

2 godziny temu, MateuszW napisał:

czy taka trajektoria jest optymalna energetycznie

Nie, przy czym rozwiązanie optymalne energetycznie niekoniecznie musi być (a pewnie nawet bardzo rzadko jest) najtańsze; jak Patryk napisał, najlepszy byłby pojedynczy impuls w apocentrum, ale wymagałoby to mocniejszego (więc cięższego) silnika, a poza tym im krócej trwa taki manewr, tym większe muszą być przeciążenia z nim związane (musimy osiągnąć jakąś konkretną prędkość, więc im szybciej to zrobimy, tym większe przyspieszenie nam potrzebne), co wymaga większej wytrzymałości, co znów przekłada się na większą masę. Trzeba też pamiętać, że silnik drugiego stopnia, zanim go uruchomimy, jest na dobrą sprawę zbędnym balastem, więc im jest on cięższy, tym trudniej będzie nasza rakieta miała na samym początku lotu.

 

2 godziny temu, MateuszW napisał:

gdyby pokonać początek trasy pod innym kątem, tak aby pominąć etap spadania, to wymagałoby to więcej paliwa?

Ile paliwa będzie potrzebne zależy od bardzo wielu rzeczy; w próżni jest trochę prościej, bo interesuje nas tylko masa i prędkość, ale w atmosferze mamy też opór powietrza, który z kolei zmienia się w zależności od prędkości, wysokości npm. i kształtu rakiety, i jeszcze pewnie iluś tam innych rzeczy. Gdyby pominąć atmosferę, to najefektywniej byłoby startować poziomo (równolegle, czy raczej stycznie do powierzchni), powiedzmy z jakiejś góry, żeby w nic nie przywalić. Na Księżycu byłoby to od biedy do zrobienia, ale na Ziemi oznaczałoby to, że rakieta bardzo długo pozostaje w najgęstszej części atmosfery, więc jest to scenariusz bardzo daleki od optymalnego.

Jak to bardzo często bywa - dobieranie parametrów jest jakimś tam kompromisem, ale generalnie lepiej jest opuścić te gęste warstwy atmosfery jak najszybciej. Z kolei np. przy lotach załogowych trajektoria jest na początku dużo bardziej płaska, bo trzeba uwzględnić ewentualną konieczność awaryjnego przerwania startu i wtedy nie chcemy, żeby przy lądowaniu przeciążenia były zbyt duże. Jest to mniej optymalne (z punktu widzenia zużycia paliwa) rozwiązanie, ale ważniejsze jest to, żeby dało się to przeżyć

 

2 godziny temu, MateuszW napisał:

A drugie, to czy takie trajektorie są często spotykane? Czy pojawiają się zwykle w misjach na wysokie orbity, czy nie ma takiego związku?

W sumie to ciekawe pytanie, ale nie potrafię odpowiedzieć. Myślę, że to bardzo zależy od parametrów danej rakiety, docelowej orbity, masy ładunku i możliwości silników satelity, ale pewnie każda firma ma jakiś tam mniej-więcej optymalny profil startu np. na orbitę geostacjonarną. Samo to obniżanie się wysokości nie ma jakiegoś większego praktycznego znaczenia - wyobraź sobie, że masz satelitę na orbicie eliptycznej, formalnie przez połowę czasu będzie on się wznosił, a przez drugą połowę opadał (na wykresie wysokości będzie coś w stylu sinusoidy) - i co z tego wynika? No nic, tak ma być 

 

 

1 godzinę temu, Szymon Szozda napisał:

Nie wydaje mi się że czas jaki pracuje silnik drugiego stopnia miałby wpływ na efektywność wejścia na orbitę - oczywiście dopóki teleskop nie spadnie na ziemie. Silnik działa siłą prostopadłą do wektora ciążenia, więc cała praca zostaje wykonana i włożona w prędkość teleskopu, nic nie jest tutaj tracone. Pomijam tutaj wpływ zmiennego pola grawitacyjnego, który istnieje ale przy niewielkich różnicach wysokości jak w przykładzie nie ma to znaczenia.

No właśnie nie. Prędkość jest wielkością wektorową, sama jej wartość nie mówi nam wszystkiego i musi ona jeszcze mieć odpowiedni kierunek, żeby coś umieścić na orbicie. Patryk już wyjaśnił, a ja dodam tylko taki skrajny przykład, żeby to zilustrować: wyobraź sobie, że rakieta startuje pionowo. Nawet jak ją rozpędzisz do powiedzmy 10km/s, czyli teoretycznie będzie to sporo więcej, niż wynosi prędkość orbitalna, to i tak wróci ona w końcu na Ziemię. Nawet jak będziesz tę prędkość zwiększać, to co najwyżej w końcu rakieta opuści ziemskie pole grawitacyjne - ale na orbitę nigdy nie wejdzie, jeśli prędkość nie będzie mieć wystarczająco dużej składowej poziomej.

Edytowane 30 Grudnia 2021 przez Krzysztof z Bagien

[Matheo_89]

Lepsza jakość separacji:

 

[OnlyAfc]

Zauważyliście, jak w 0:32 sekundzie, te „śmieci”, które lecą obok, nagle zmieniają swój kierunek lotu? Może jakiś silniczek korekcyjny Webb-a zadziałał i je zepchnął?

[Matheo_89]

W połyskujących powierzchniach Webba odbijają się chyba odpalenia silniczków trzeciego członu Ariane. To może być to.

[OnlyAfc]

Jesteśmy w połowie rozkładania osłony słonecznej i już jaka różnica w temperaturze:

[Tuvoc]

Proponowałbym zmianę tematu wątku na bardziej ogólny

[Paether]

37 minut temu, Tuvoc napisał:

Proponowałbym zmianę tematu wątku na bardziej ogólny

 

Zrobimy update na "Osłona przeciwsłoneczna w całości rozłożona"

A tak serio, to oczywiście racja. Zmienię dziś gdy wrócę z pracy. Masz pomysł na tytuł?

[Niki]

Proponuję po rozłożeniu Webba założyć nowy wątek "Lustro Teleskopu Jamesa Webba w całości rozłożone"  

[Tuvoc]

24 minuty temu, Paether napisał:

 

Zrobimy update na "Osłona przeciwsłoneczna w całości rozłożona"

A tak serio, to oczywiście racja. Zmienię dziś gdy wrócę z pracy. Masz pomysł na tytuł?

Może "Teleskop Jamesa Webba - wątek dyskusyjny". Natomiast ten drugi post że zdjęciem przelotu "Teleskop  Jamesa Webba wątek obserwacyjny". Coś w ten deseń

[Herbert West]

[suchyy]

38 minut temu, Paether napisał:

 

Zrobimy update na "Osłona przeciwsłoneczna w całości rozłożona"

A tak serio, to oczywiście racja. Zmienię dziś gdy wrócę z pracy. Masz pomysł na tytuł?

 

Doszedłem do takiego samego wniosku: TUTAJ.

[Szymon Szozda]

@Patryk Sokol @Krzysztof z Bagien Racja, trzeba działać siłą równoległą i w takim samym kierunku. Ciągle jednak podtrzymuję zdanie że nie trzeba odpalać w punkcie najwyższym paraboli. Tzn. jest to bardziej skomplikowane, bo jeśli mamy wymagania: pierwszy stopień wynosi na 180km i chcemy mieć orbitę 180 km to faktycznie najwydajniej odpalić na 180km i w moment przekształcić parabolę w orbitę. Natomiast ogólnie wcale być tak nie musi.

Ciekawym 'paradoksem' jest manewr dwueliptyczny https://en.wikipedia.org/wiki/Bi-elliptic_transfer gdzie konieczne jest hamowanie, ale cały proces może być wydajniejszy od Hohmana.

[Patryk Sokol]

6 minut temu, Szymon Szozda napisał:

@Patryk Sokol @Krzysztof z Bagien Racja, trzeba działać siłą równoległą i w takim samym kierunku. Ciągle jednak podtrzymuję zdanie że nie trzeba odpalać w punkcie najwyższym paraboli. Tzn. jest to bardziej skomplikowane, bo jeśli mamy wymagania: pierwszy stopień wynosi na 180km i chcemy mieć orbitę 180 km to faktycznie najwydajniej odpalić na 180km i w moment przekształcić parabolę w orbitę. Natomiast ogólnie wcale być tak nie musi.

Ciekawym 'paradoksem' jest manewr dwueliptyczny https://en.wikipedia.org/wiki/Bi-elliptic_transfer gdzie konieczne jest hamowanie, ale cały proces może być wydajniejszy od Hohmana.

Ta, tylko wszystkie inne takie manewry wymagają wielokrotnego odpalenia silnika, a to nie każdy silnik jest w stanie zrobić (a te co są to najczęściej nie nieskończenie wiele razy)

Transfer bi-eliptyczny i transfer Hohmana są transferów pomiędzy obiektami kołowymi.

 

W przypadku Punkt L2 mamy transfer taki jak i na księżyc, gdzie nie potrzebujemy uzyskiwać nowej orbity kołowej, a jedynie podnieść apogeum, tak aby jego wysokość i miejsce odpowiadało położeniu docelowego miejsca.

W tej sytuacji nie ma żadnego kombinowania, najefektywniej jest wykonać całą pracę silnika w przeciwnym punkcie orbity do miejsca, na jak najmniejszej wysokości (żeby wykorzystać efekt Obertha).

Najmniejsza wysokość ma sens dlatego, że wtedy orbita ma największa prędkość. A z racji tego, że prędkość kinetyczna zmienia się w kwadracie prędkości, a zmiana prędkości jest zależna od prawa zachowania pędu, to przy im większej prędkości wykonuje się manewr, tym większa zmiana energii kinetycznej statku (licząc względem orbitowanego ciała oczywiście).

 

I znów - najniższy punkt orbity jest... punktem. W efekcie im szybciej wykona się pracę w tym punkcie, tym największy zysk ma się z efektu Obertha.

[janekosa]

25 minut temu, Patryk Sokol napisał:

 

I znów - najniższy punkt orbity jest... punktem. W efekcie im szybciej wykona się pracę w tym punkcie, tym największy zysk ma się z efektu Obertha.

Ale możesz to zrobić na kilka razy. Odpalasz na chwile, robisz jedną rundkę, odpalasz na chwilę, znowu robisz rundkę i tak dalej. Nie wiem czy w praktyce takie manewry się robi, domyślam się że tu wchodzą praktyczne problemy (znaczne wydłużenie czasu misji, szczególnie problematyczne przy misjach załogowych, kilkakrotne zbliżanie się do ziemi i potencjalne kolizje ze śmieciami, wielokrotne odpalanie silników). Ja to praktykuję w KSP. rakieta o masie setek ton i jeden silniczek o malutkim ciągu, także sumarycznie dla transferu na inną planetę wychodzi np 2h ciągu gdzie oryginalna orbita ma 1h  teoretycznie przynajmniej da się zrobić 

[Patryk Sokol]

2 minuty temu, janekosa napisał:

Ale możesz to zrobić na kilka razy. Odpalasz na chwile, robisz jedną rundkę, odpalasz na chwilę, znowu robisz rundkę i tak dalej. Nie wiem czy w praktyce takie manewry się robi, domyślam się że tu wchodzą praktyczne problemy (znaczne wydłużenie czasu misji, szczególnie problematyczne przy misjach załogowych, kilkakrotne zbliżanie się do ziemi i potencjalne kolizje ze śmieciami, wielokrotne odpalanie silników). Ja to praktykuję w KSP. rakieta o masie setek ton i jeden silniczek o malutkim ciągu, także sumarycznie dla transferu na inną planetę wychodzi np 2h ciągu gdzie oryginalna orbita ma 1h  teoretycznie przynajmniej da się zrobić 

Nie każdy rzeczywisty silnik rakietowy można odpalić wiele razy, a jeszcze mniej nieskończoną ilość razy

Ale tak stosuje się takie manewry, szczególnie jeśli statki mają słabe silniki

 

Ale poza tym, nie mogę się powstrzymać, wybacz

[MateuszW]

Czemu wątek teoretyczny? On na prawdę poleciał, nie zmyślam