Бул изилдөө гелий шарынын астында асылган рельстүү учургучтан ракета атылган “rockoon” системасында азимут багытын Control Moment Gyroscope (CMG) колдонуп көзөмөлдөөгө болобу жана эркин көтөрүлүү учурунда учургучтун абал динамикасы кандай өзгөрөрүн эксперименттик түрдө карайт. Изилдөөчүлөр үч физикалык моделдик ракета учуруусун жүргүзүп, шардын tether байланыштарын убактылуу бошотуу аркылуу болжол менен жети секунддук эркин көтөрүлүү түзүшкөн жана ушул процессте ракетаны 60° жантайыңкы үч метрлик рельстен аткарышкан. Үч учурууда от алдыруу маалындагы азимут каталары максатка салыштырмалуу тиешелүүлүгүнө жараша −3,2°, +6,6° жана −2,0° болгон; ошондуктан от алдыруу маалындагы абсолюттук ката бардык эксперименттерде 7°ден төмөн калган. Бирок N2 учуруусунда бошотуудан рельстен ажыраганга чейинки аралыкта максималдуу азимут катасы 8,3°ге жеткен.

Эксперимент чыныгы стратосфералык rockoon миссиясы эмес. Колдонулган пластик гелий шарынын диаметри 4,5 m жана ал болжол менен 493 N таза көтөрүү күчүн камсыз кылат. Система бошотулганда болжол менен 1,3 m/s ылдамдык менен көтөрүлгөн, бирок 36,9 m tether системасынан улам эркин көтөрүлүү болжол менен жети секунд менен чектелген. Шардын жана ракетанын эң жогорку бийиктиги эксперимент бою 150 метрден төмөн кармалган. Изилдөөнүн максаты жогорку бийиктик көрсөткүчүн көрсөтүүдөн көбүрөөк, жер байланыштары убактылуу жоюлган чыныгы шар асмасында учургучтун абалын жана CMG азимут көзөмөлүнүн жүрүм-турумун өлчөө болуп саналат.

Учургучта roll жана yaw окторунда бир убактагы термелүүлөр байкалган. Координат системасы учуруу рельсинин негизги инерция окторуна өзгөртүлгөндө бул жүрүм-турум чыныгы азимут четтөөсүнөн көрө рельс огу айланасындагы айланма термелүү экени көрүнгөн. Ошондуктан изилдөөчүлөр roll–yaw байланышууcу ракетанын учуруу багытына маанилүү салым кошпойт деп баалашат. Ал эми ракета рельс үстүндө жылып бара жатканда сүрүлүүгө байланышкан pitch-up таасири өлчөнгөн; N2 учуруусунда 3,2°, N3тө болжол менен 1° pitch-up катталган.

Кош маятник моделинин жыштык анализи байланган абалда өлчөнгөн биринчи модду болжол менен %2 тактык менен кайра чыгарган. Экинчи моддо болсо түз өлчөнгөн геометрияны колдонгон модель tethered абалда өлчөнгөн жыштыкты болжол менен %29, эркин көтөрүлүүдө болжол менен %18 төмөн божомолдогон. Натыйжалуу \(l_2\) узундугу fitting параметри катары чоңойтулганда экинчи мод болжол менен %1 ичинде кайра чыгарылган. Авторлор бул натыйжалуу узундуктун өсүшүн шар астында колдонулган төрт асма зымдын байланыш чекиттери кран илгичине салыштырмалуу бошураак чектөө түзүшү менен байланыштырышат.

Түркия жагынан: Изилдөө Түркиядагы университеттер жана изилдөө топтору жүргүзө ала турган шарга негизделген атмосфералык эксперимент платформалары, чакан ракеталар, асылган жүктү башкаруу же жогорку бийиктикке учуруу технологиялары боюнча пайдалуу эксперименттик метод мисалын берет. Айрыкча шар–учургуч механикалык байланышы азимут көзөмөлү менен pitch жана маятник кыймылдарынан өзүнчө бааланышы керектигин көрсөтөт. Бирок бул макаладагы үч төмөн бийиктик эксперименти Түркиядагы чыныгы жогорку бийиктик rockoon операциясынын учуу коопсуздугун, траектория тактыгын, аба мейкиндигинин ылайыктуулугун же сертификаттоо талаптарын ырастабайт; алар өзүнчө чыныгы миссия масштабына жараша изилдениши керек.

Rockoon деген эмне жана эмне үчүн ракетаны шардан учурушат?

“Rockoon” англисче rocket жана balloon сөздөрүнүн биригишинен түзүлгөн жана ракетанын шардан учурулган системасын билдирген термин. Изилдөөнүн кириш бөлүгүнө ылайык, rockoon ыкмасынын негизги максаты ракетаны атмосфера сейрек жана басым төмөн болгон жогорку бийиктикке алып чыгуу аркылуу аэродинамикалык каршылыкты, атмосфералык басым жоготуусун жана жерден учуруудагы айрым тартылуу жоготууларын азайтуу болуп саналат.

Булак болжол менен 20 km бийиктикте атмосфера тыгыздыгы деңиз деңгээлинин болжол менен %7си экенин белгилейт. Бул физикалык артыкчылык чыныгы rockoon системаларынын мотивациясын түшүндүрөт; бирок азыркы эксперимент 20 kmде жүргүзүлгөн эмес. Изилдөөдөгү физикалык учуруулар 150 метрден төмөн жасалган динамика жана көзөмөлдү текшерүү болуп саналат.

Бул изилдөө мурдагы кран экспериментинен эмнеси менен айырмаланат?

Изилдөө тобу мурда ошол эле негизги CMG көзөмөлүндөгү рельстүү учургучту шар ордуна крандан асып сынаган. Кран экспериментинде жогорку асма чекити болжол менен туруктуу болгондуктан система классикалык маятник сыяктуу жүргөн. Чыныгы rockoon системасында болсо шардын өзү кыймылдай алат жана асма чекитинин динамикалык чектөөсү өзгөрөт.

Жаңы изилдөөнүн негизги салымы төрт tether зымын убактылуу бошотуу аркылуу шар менен учургучтун чындап эркин көтөрүлүшүнө уруксат берилиши жана ракетанын ушул шартта от алдырылышы болуп саналат. Ошентип туруктуу кран илгичи же жерге байланган шар бере албаган бошураак асма чектик шарты эксперименттик түрдө изилденген.

CMG азимут көзөмөлү кандай иштейт?

Control Moment Gyroscope — айланып турган momentum дөңгөлөгүнүн бурчтук импульс багытын өзгөртүү аркылуу түзүлүшкө момент өткөрө алган гироскопиялык система. Изилдөөнүн 4-бетиндеги Шакек 1де колдонулган аппаратта горизонталдуу колдун эки учунда бири-бирине каршы багытта айланган эки momentum дөңгөлөгү бар. Дөңгөлөк октору gimbal механизми менен кыйшайтылганда вертикалдуу бурчтук импульс компоненттери бир багытта кошулат жана учургуч мунун тескери багытында азимут кыймылын жасайт.

Булакта учургучтун бурчтук ылдамдыгы:

\[ \Omega= 2\frac{I_d}{I_L}\omega\sin\theta \]

түрүндө берилген. Бул жерде \(I_d\) бир CMG роторунун инерция моментин, \(I_L\) учургучтун вертикалдуу ок айланасындагы инерция моментин, \(\omega\) momentum дөңгөлөгүнүн айлануу ылдамдыгын жана \(\theta\) gimbal кыйшаюу бурчун билдирет.

Учургучка колдонулган азимут моменти болсо:

\[ M= 2I_d\omega\cos\theta\,\dot{\theta} \]

мамилеси менен берилет. Теңдеме \(\theta=90^\circ\) болгондо \(\cos\theta=0\) болгондуктан gimbal кыймылы кошумча азимут моментин жарата албай турганын көрсөтөт. Булак бул абалды CMG saturation деп аныктайт.

Экспериментте CMG дөңгөлөктөрүнүн бурчтук ылдамдыгы 135 rad/s, башкача айтканда болжол менен 1290 rpm. Ар бир ротордун инерция моменти \(3,286\times10^{-3}\) kg·m², учургучтун вертикалдуу ок инерция моменти болсо 1,223 kg·m² деп берилген.

“Активдүү азимут көзөмөлү” автономдук көзөмөл дегенди билдиреби?

Жок. Изилдөөдө механикалык жактан активдүү CMG көзөмөл системасы колдонулганына карабастан, азимут буйругу жабык циклдүү автономдук учуу компьютери тарабынан берилген эмес. Учургуч оператордун радио башкаруусу аркылуу CMGни кол менен багытташы менен максат азимутуна бурулган.

N1 учуруусунун максаты магниттик 265°, N2 жана N3түн максаты магниттик 180° болуп аныкталган. Tether зымдары бошотулгандан кийин да оператор от алдырууга чейин CMG системасын багыттоону уланткан.

Шар жана асма система кандай түзүлдү?

Изилдөөнүн 5-бетиндеги Шакек 3 экспериментте колдонулган чыныгы rockoon түзүлүшүн көрсөтөт. Гелий менен толтурулган пластик шардын диаметри 4,5 m. Шардын астында чарчы формадагы катуу рама, анын астында төрт асма зым жана андан төмөндө CMG менен рельстүү учургуч жайгашкан.

CMGнин жогорку байланышында swivel колдонулган; ушундайча азимут багытында шардын өзүн буруунун зарылдыгы жок учургучтун айланышына мүмкүндүк берилген.

Учуруу кандай жүргүзүлдү?

Шар башында төрт tether зымы менен жерге байланган. Оператор CMG системасын колдонуп учургучту максат азимутуна багыттаган, аба жана жер коопсуздугу көз менен ырасталгандан кийин төрт tether бир убакта бошотулган.

Шар жана учургуч эркин көтөрүлө баштагандан болжол менен үч секунд өткөн соң ракета моторунун от алдыруу системасы алыстан иштетилген. Rocket рельстен чыккандан кийин tether зымдары кайра кармалып, шардын көтөрүлүшү токтотулган. Ошондуктан чыныгы эркин көтөрүлүү болгону болжол менен жети секундга созулган.

Эксперимент чыныгы жогорку бийиктик rockoon учуруусу беле?

Жок. Изилдөөнүн изилдөө суроосу жогорку бийиктиктеги мотор көрсөткүчүн эмес, эркин шар асмасының учургуч абалына таасирин карайт.

Эксперимент талаасында tether системасы шардын бийиктигин 150 метрден төмөн чектеген жана ракетанын апогейи да 150 метрден төмөн калган. Булак бул шарттарда эксперимент үчүн Япониянын авиация органынан өзүнчө уруксат же билдирүү талап кылынбаганын белгилейт.

Ошондуктан изилдөөнүн киришинде айтылган болжол менен 20 km бийиктикке тиешелүү тыгыздык жана мотор артыкчылыктары эксперименттин өзүндө ырасталган көрсөткүч натыйжалары эмес; чыныгы rockoon системаларынын теориялык/колдонмолук мотивациясы.

Кайсы ракета колдонулду?

Экспериментте үч өзүнчө Spitfire PML 30385 моделдик ракета корпусу колдонулган. Ракетанын диаметри 76 mm, бийиктиги 1288 mm жана массасы 1,16 kg. G69N-P моторунун орточо түртүүсү булакта 80 N деп берилген. Ракетада үч туруктуу куйрук канаты бар жана мотор түртүү багыты жөнгө салынбайт.

Абал өлчөөсү кандай жүргүзүлдү?

Үч чекитке алты октуу инерция сенсору жайгаштырылган: ракета корпусу, учуруу рельсинин учу жана CMGнин жогорку бөлүгү. Сенсорлор үч ок боюнча сызыктуу ылдамданууну жана үч ок боюнча бурчтук ылдамдыкты өлчөйт.

Эксперимент үчүн сызыктуу ылдамдануу өлчөө аралыгы ±4 g, башкача айтканда болжол менен ±40 m/s²; гироскоп аралыгы ±500°/s болуп тандалган. Ракета мотору күйгөндө сызыктуу ылдамдануу сенсору жогорку чекке жеткен, бирок абал бурчтары сызыктуу ылдамдануудан эмес, гироскоп бурчтук ылдамдыгынын интегралынан алынгандыктан изилдөөчүлөр бул saturation абал реконструкциясына таасир этпейт деп билдиришет.

Абал бурчу булакта:

\[ \theta=\int(\omega+b)\,dt \]

түрүндө эсептелген. Бул жерде \(\omega\) гироскоп өлчөгөн бурчтук ылдамдыкты, \(b\) болсо сенсор offsetине байланышкан driftти жок кылуу үчүн белгиленген bias түзөтүү мүчөсүн билдирет.

Bias мааниси учуруудан мурдагы 60 секунддук терезеде интегралданган бурчтун таза drift көрсөтпөшүн камсыз кылгандай эсептелген. Сенсор жана ок боюнча бааланган bias 0,01–0,5°/s аралыгында. Булак түзөтүүдөн кийинки калган bias болжол менен 0,05°/s төмөн жана 30 секунддук анализ убактысында топтолгон абал бурчу катасы болжол менен 1,5°ден кичине деп баалайт.

Сенсор сааттары кандай дал келтирилди?

Үч сенсордун көз карандысыз сааттары болгондуктан, маалыматтар эксперименттен кийин синхрондоштурулган. Учуруудан мурдагы жалпы маятник кыймылы жана ракета рельстен чыккан учурдагы кескин сигнал өзгөрүүлөрү убакытты дал келтирүү үчүн колдонулган.

100 Hz эксперименттеринде калган убакыт синхрондоштуруу катасы болжол менен бир үлгүлөө аралыгы, башкача айтканда 0,01 секунд ичинде деп бааланат. Бул убакыт изилдөө баалаган 1,5 секунд же андан узун маятник периоддоруна салыштырмалуу кичине.

Үч учуруунун маалымат сапаты бирдей беле?

Жок. Биринчи эксперимент N1де бардык сенсорлор 10 Hz менен иштеген. Булак кийин бул үлгүлөө ылдамдыгы болжол менен 0,4 секунддук рельс үстүндө жылуу процессин майда-чүйдөсүнө чейин чечүү үчүн жетишсиз экенин аныктаган.

Ошондуктан макаланын кеңири сандык динамикалык анализи N2 жана N3түн 100 Hz жазууларына негизделет. N1 көбүнчө жалпы жүрүм-турумду сапаттык текшерүү үчүн колдонулган.

Азимут көзөмөлү үч учурууда канчалык ийгиликтүү болду?

От алдыруу маалындагы максат азимут катасы үч эксперименттин баарында абсолюттук түрдө 7°ден төмөн болгон. N1де ката −3,2°, N2де +6,6° жана N3тө −2,0°.

Бирок “7° ичинде” деген сөз бардык эркин көтөрүлүү аралыгына жалпыланбашы керек. N2нин tether бошотулгандан рельстен ажыраганга чейинки эсептелген максималдуу катасы 8,3°.

Максималдуу жана RMS азимут каталары кандай эле?

N1дин pitch-up бурчу 10 Hz үлгүлөөдөн улам бааланган эмес. Бул абал Table 3тө ачык N/A деп көрсөтүлгөн.

Roll жана yaw эмне үчүн бирге термелет?

N2 жана N3 өлчөөлөрүндө roll жана yaw бурчтары бир убакта чокуга жеткен синхрондуу термелүүлөрдү көрсөткөн. Алгач yawдагы бул өзгөрүү чыныгы азимут багытынын термелиши катары чечмелениши мүмкүн.

Изилдөөчүлөр рельс сенсору өлчөөлөрүн рельске туураланган \(x_r y z_r\) координат системасына өзгөрткөндө термелүүнүн \(x_r\), башкача айтканда рельс огу айланасындагы roll багытында экенин; чыныгы \(z_r\) yaw багытында ушундай термелүү көрүнбөгөнүн көрсөтүшкөн.

Булак муну учургучтун эң кичине инерция моментине ээ негизги огу болжол менен рельс багыты менен дал келгенинен келип чыккан катуу дененин айлануу кыймылы катары чечмелейт. Ошондуктан байкалган roll–yaw coupling ракетанын учуруу багытын ошол эле чоңдукта өзгөрткөн чыныгы азимут термелүүсү эмес деген жыйынтык чыгарылат.

Учургуч түзүлүшү ийилип калган болушу мүмкүнбү?

Үчүнчү учурууда рельс сенсору менен CMG үстүндөгү сенсордун pitch, yaw жана roll жазуулары салыштырылган. Эки сенсордун ийри сызыктары жалпы түрдө бири-бирине параллелдүү жана жакын жүргөн.

Ракета рельстен болжол менен 0,4 секундда ажыраганда рельс сенсорунун интегралданган бурчунда, өзгөчө yaw огунда болжол менен 7°лик туруктуу offset пайда болгон. Авторлор муну физикалык түзүлүш деформациясы эмес, жүктүн күтүүсүз бошошу учурунда бурчтук ылдамдык интеграциясында жаралган ката деп белгилешет. Рельс жана CMG бурчтук ылдамдыктарынын кийин бири-бирине параллелдүү калышы жана эксперименттен кийин түзүлүштө туруктуу деформация болбошу бул чечмелөөнү колдойт.

От алдыруу учурунда pitch-up эмне үчүн пайда болот?

Ракета мотору от алгандан кийин аппарат болжол менен 0,4 секунд бою учуруу рельси үстүндө жылат. Бул учурда ракета менен рельс ортосундагы сүрүлүү, айрыкча мотор түртүү огу рельс багыты менен толук дал келбесе, учургучта pitch моменти түзүшү мүмкүн.

N2де 3,2° pitch-up, N3тө болжол менен 1° өлчөнгөн. Изилдөөчүлөр мурдагы механикалык моделдерине таянып N2деги 3,2° pitch-upты болжол менен 1,9°лик мотор түртүү огу туура эмес келишүүсү менен түшүндүрүшөт.

Бул 1,9° мааниси түздөн-түз өлчөнгөн мотор туура эмес келишүүсү эмес. Бул өлчөнгөн pitch-up кыймылынан жана мурдагы моделден жасалган чыгарым.

Эмне үчүн кош маятник модели колдонулат?

Шардан төмөн салаңдаган система бир гана чекиттик массадан турбайт. Жогорку асма зым биринчи кыймыл эркиндигин, өз массалык бөлүштүрүлүшүнө жана инерция моментине ээ узун учургуч корпусу болсо экинчи кыймыл эркиндигин түзөт. Ошондуктан система жалгыз маятник ордуна эки моддуу кош маятникке окшош түзүлүш көрсөтөт.

Булактын 4-бетиндеги Шакек 2 салмаксыз асма зым жана катуу таяк менен жөнөкөйлөтүлгөн моделди көрсөтөт. Euler–Lagrange теңдемелеринен эки өзжыштык алынат.

Моделдин өзжыштыктары булакта:

\[ \omega= \sqrt{ \frac{mg}{2Il_1} \left[ (l_1+l_2)l_2+\frac{I}{m} \pm \sqrt{ \left((l_1+l_2)l_2+\frac{I}{m}\right)^2 -4l_1l_2\frac{I}{m} } \right] } \]

түрүндө берилген. Эки чечим \(\omega_1\) жана \(\omega_2\) тиешелүүлүгүнө жараша биринчи жана экинчи мод өзжыштыктарын билдирет.

Мод формасынын эки бурч амплитудасынын ортосундагы катышы:

\[ \frac{\Theta_1}{\Theta_2} = \frac{l_2\omega^2} {g-l_1\omega^2} \]

менен аныкталган.

Байланган абалда FFT эмнени көрсөттү?

Экинчи учуруудан мурда шар tether менен туруктуу абалда турганда 10 секунддук абал жазуусуна FFT колдонулган. Pitch жана рельс окторунун экөөндө тең эки даана айкын жыштык чокусу көрүнгөн; бул натыйжа системанын кош маятник модели менен көрсөтүлүшүн колдогон.

Figure 13тө tethered абалда эксперименттик биринчи мод жыштыгы 0,197 Hz, экинчи мод жыштыгы 0,886 Hz деп берилген.

Эркин көтөрүлүүдө биринчи мод чындап жоголдубу?

Колдогу маалымат муну так көрсөтпөйт. Эркин көтөрүлүү болгону болжол менен жети секундга созулган жана FFT анализи болжол менен беш секунддук терезе колдонгондуктан, болжол менен 0,2 Hz төмөн жыштыктар чечилбейт.

Эркин көтөрүлүүдө өлчөнө турган тилкеде биринчи мод көрүнгөн эмес; бирок булак мунун эки мүмкүн түшүндүрмөсүн ажыратат: мод чындап жоголгон болушу мүмкүн же бүт шар–учургуч системасынын узагыраак периоддуу кыймылына айланып 0,2 Hzтен төмөн жылган болушу мүмкүн.

Ошондуктан “эркин учуу биринчи модду жок кылды” деген кескин жыйынтык булак тарабынан колдоого алынбайт. Узак убакыттык эркин шар эксперименти керек.

Кош маятник модели жыштыктарды канчалык туура божомолдоду?

Изилдөөнүн 14-бетиндеги Figure 13 эксперименттик жыштыктарды түз өлчөнгөн геометрияны колдонгон модель жана fitted-\(l_2\) модели менен салыштырат.

Биринчи tethered мод үчүн 0,197 жана 0,201 Hz маанилери болжол менен %2 айырманын ичинде. Экинчи моддо болсо түз геометриялык модель олуттуу төмөн калат.

Эмне үчүн l₂ маанисин чоңойтуу керек?

Моделде \(l_2\) — учургучтун асма чекитинен массалык борборуна чейинки геометриялык аралык. Өлчөнгөн маани ракета учурулганга чейин 0,483 m, ракета ажырагандан кийин 0,378 m.

Экинчи модду эксперименттик жыштыкка жакындатуу үчүн fitted \(l_2\) tethered абалда 0,90 m, эркин көтөрүлүүдө 0,55 m болуп колдонулган. Булар өлчөнгөн узундуктардын болжол менен 1,9 жана 1,5 эсеси.

Изилдөөчүлөр бул өсүштү чыныгы учургуч физикалык түрдө узарып кетти деп чечмелешпейт. Fitted \(l_2\) шар астындагы төрт асма зымдын байланыштары идеалдуу туруктуу pivot сыяктуу катуу болбогонунун динамикалык таасирин билдирген натыйжалуу параметр.

Изилдөө колдогон жыйынтыктар

• CMG негизиндеги азимут көзөмөл системасы болжол менен жети секунддук эркин шар көтөрүлүүсү учурунда иштетилген.
• Үч физикалык ракета учуруунун баарында от алдыруу маалындагы азимут катасынын абсолюттук мааниси 7°ден төмөн калган.
• N2 жана N3тө 100 Hz абал маалыматтары менен шардын эркин көтөрүлүшү жана рельстен ажыроо динамикалары өлчөнгөн.
• Roll жана yaw жазууларында көрүнгөн бир убактагы термелүү рельс огуна өзгөртүлгөн координат системасында негизинен рельс айланасындагы roll кыймылы менен түшүндүрүлгөн.
• Ракета рельс үстүндө жылып жатканда pitch-up жүрүм-туруму кайра байкалган.
• Tethered абалда кош маятник моделинин биринчи мод жыштыгы эксперименттик маанини болжол менен %2 ичинде кайра чыгарган.
• Экинчи моддун эксперименттик жыштыгына жетүү үчүн шар асмасынын бошураак чектик шарттарын билдирген чоңураак натыйжалуу \(l_2\) маанилери керек болгон.
• Эркин көтөрүлүүдө биринчи мод 0,2 Hz жана андан жогору өлчөнө турган FFT тилкесинде көрүнгөн эмес.

Изилдөө колдобогон же сынабаган жыйынтыктар

• Эксперимент стратосфералык бийиктиктен операциялык rockoon учуруусун ырастаган жок.
• 20 km бийиктикте аэродинамикалык каршылык же ракета моторунун көрсөткүч өсүшү бул экспериментте өлчөнгөн жок.
• CMG азимут көзөмөлү жабык циклдүү автономдук көзөмөл алгоритми катары сыналган жок; система радио башкаруу менен кол менен багытталган.
• Үч эксперименттен бардык аба шарттары же толук масштабдуу rockoon системалары үчүн жалпы азимут тактыгын чыгарууга болбойт.
• Азимут катасы бардык бошотуу–рельстен ажыроо аралыгында дайыма 7°ден төмөн турганы көрсөтүлгөн эмес; N2нин максималдуу катасы 8,3°.
• Эркин көтөрүлүү маалында биринчи маятник модунун физикалык жактан толугу менен жоголгону далилденген эмес; мод 0,2 Hzтен төмөнгө жылган болушу мүмкүн.
• Fitted \(l_2\) маанилери чыныгы зым же түзүлүш узундугунун физикалык өлчөмү эмес.
• N2 үчүн чыгарылган болжол менен 1,9° мотор түртүү туура эмес келишүүсү түз өлчөнгөн мотор касиети эмес.
• Орбитага жүк жайгаштыруу, orbital injection accuracy же чыныгы операциялык учуу коопсуздугу бул үч төмөн бийиктик эксперименти менен ырасталган эмес.
• Узак мөөнөттүү эркин шар учуусунда төмөн жыштыктагы маятник кыймылы өлчөнгөн эмес.

Изилдөөнүн Ыкмасы жана Жыйынтыктары

Эксперимент дизайнынын негизги логикасы

Эксперимент учургучтун адегенде жерге байланган, андан соң кыска мөөнөттүү эркин шар асмасында болушун камсыз кылып, чектик шарттагы өзгөрүүнү ошол эле система үстүндө түз жараткан. Ошентип кран экспериментиндеги туруктуу жогорку pivot менен чыныгы шар асмасындагы кыймылдуу жогорку чек аранын айырмасы изилденген.

Ракета от алдыруусу tether зымдары бошотулгандан болжол менен үч секунд өткөндөн кийин жасалган, учуруудан кийин зымдар кайра кармалып, эркин көтөрүлүү болжол менен жети секунд менен чектелген.

CMG параметрлери жана көзөмөл чеги

Ар бир CMG momentum дөңгөлөгүнүн инерция моменти \(3,286\times10^{-3}\) kg·m² жана номиналдык ылдамдыгы болжол менен 1290 rpm. Gimbal кыймылы ±90°ге чейин мүмкүн. Теориялык момент теңдемесиндеги \(\cos\theta\) мүчөсүнөн улам 90° gimbal бурчунда система saturation абалына жетет.

Бул изилдөө CMGнин жабык цикл көзөмөл коэффициенттерин же автоматтык максатты ээрчүү алгоритмин баалаган эмес; адам оператор радио башкаруу менен багыттаган механикалык көзөмөл ыйгарымын эксперименттик түрдө сынаган.

Сенсор координат өзгөртүүсү

Рельс жана ракета сенсорлору горизонтко салыштырмалуу 60° жантайыңкы болгондуктан, өлчөнгөн \(x_r\) жана \(z_r\) компоненттери CMG сенсорунун координат системасына өзгөртүлгөн:

\[ \begin{pmatrix} \omega_{x_r}\\ \omega_{z_r} \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} \cos\theta_e & \sin\theta_e\\ -\sin\theta_e & \cos\theta_e \end{pmatrix} \begin{pmatrix} \omega_x\\ \omega_z \end{pmatrix} \]

Бул жерде \(\theta_e=60^\circ\) учуруу рельсинин көтөрүлүү бурчу. Өзгөртүлгөн бурчтук ылдамдыктар кийин bias түзөтүүсү менен интегралданып абал бурчтары алынган.

Экинчи учурууда ракетанын жүрүм-туруму

N2 ракетасынын трансляциялык ылдамдануусу мотор күйгөндө ±40 m/s² сенсор чегинен ашкан. Мотор күйүүсүнөн кийин ылдамдануу кайра өлчөө аралыгына кайткан жана ракета болжол менен 7,9–8,0 секунд чамасында жерге жеткен.

Абал жазуулары ракета рельстен ажырагандан кийин болжол менен туруктуу roll ылдамдыгы менен айланганын жана булак байкоосуна ылайык маанилүү багыт четтөөсүн көрсөтпөй учканын билдирет. Бул натыйжа төмөн бийиктиктеги моделдик ракета учуусу менен гана чектелет.

Рельстен ажыроо учуру

N2де ракета от алдыруудан болжол менен 0,4 секунд кийин рельстин учунан ажыраган. Рельс үстүндө жылганда pitch-up байкалган; ажыроо маалында массаны күтүүсүз жоготуу учургучтун абалында убактылуу бузулуу түзгөн.

Болжол менен жетинчи секундда tether зымдары шардын көтөрүлүшүн кайра токтоткондо учургуч абалында экинчи айкын бузуучу таасир пайда болгон. Бул бөлүк чыныгы эркин шар динамикасы менен жер байланышынын кайра түзүлүшүнүн ортосундагы айырманы өлчөөлөрдө көрүнүктүү кылат.

Азимут көзөмөлүнүн сандык натыйжасы

N1дин бошотуу, от алдыруу жана рельстен ажыроо каталары тиешелүүлүгүнө жараша −5,4°, −3,2° жана −4,8°. N2 үчүн ошол эле маанилер +0,2°, +6,6° жана +2,7°; N3 үчүн +1,4°, −2,0° жана +0,2°.

Үч от алдыруу маанисинин баарынын абсолюттук чоңдугу 7°ден төмөн. N2нин от алдырууга чейинки азимут өзгөрүүсү башка эки тестке караганда чоңураак болушу система бардык убакыт бою туруктуу ±7° коридордо болбогонун көрсөтөт.

Pitch-up өлчөөсүнүн чечмелениши

Булак рельс сүрүлүүсүнүн pitch-upка таасирин мотордун thrust misalignment бурчу менен байланыштырат. Мурдагы изилдөөдө ±1,5° thrust misalignment үчүн болжол менен −0,5° менен +2,5° pitch-up аралыгы күтүлгөн.

N2де өлчөнгөн 3,2° pitch-up натыйжасынан болжол менен 1,9° thrust misalignment чыгарымы жасалган. Бул маани өндүрүш толеранттуулугуна байланышкан мүмкүн түшүндүрмө; мотордун чыныгы түртүү огу көз карандысыз өлчөө системасы менен өлчөнгөн эмес.

FFT жана өлчөө терезесинин чечүү чеги

Tethered анализ 10 секунддук терезе колдонгондуктан болжол менен 0,1 Hz деңгээлиндеги жыштык компоненттерин айырмалоого болот. Эркин учуу терезеси болгону беш секунд болгондуктан негизги жыштык чечими болжол менен 0,2 Hz.

Ошондуктан эркин учуу модели болжолдогон болжол менен 0,15 Hz биринчи мод эксперименттин FFT терезеси түз чече ала турган тилкенин төмөн жагында. Булактын “биринчи мод өлчөнө турган тилкеде көрүнгөн жок” деген сөзүнүн негизги себеби ушул.

Экинчи моддогу модель айырмасы

Tethered абалда эксперименттик экинчи мод 0,886 Hz болгон учурда өлчөнгөн геометрияга негизделген модель 0,628 Hz чыгарат. Булак бул айырманы болжол менен %29 деп билдирет.

Эркин көтөрүлүүдө экинчи мод 0,787 Hz өлчөнгөн; геометрияга негизделген модель 0,649 Hz берген. Бул айырма болжол менен %18.

Fitted натыйжалуу узундук колдонулганда тиешелүүлүгүнө жараша 0,885 Hz жана 0,789 Hz алынган жана эксперименттик экинчи мод болжол менен %1 ичинде кайра чыгарылган.

Бул натыйжа эмне үчүн маанилүү?

Жыштык айырмасы крандан же идеалдуу жалгыз чекиттен асылган механикалык моделди чыныгы шар системасына түз колдонуу жетишсиз болушу мүмкүн экенин көрсөтөт. Шар астындагы төрт зым, рама жана байланыш чекиттеринин чектүү кыймыл эркиндиги системанын натыйжалуу чектик шарттарын өзгөртө алат.

Ошондуктан келечектеги rockoon системаларында учургучтун массасы жана геометриялык асма узундуктарын гана колдонбостон, шар–рама–асма байланышынын динамикалык ийкемдүүлүгү жана натыйжалуу pivot жүрүм-туруму да моделдениши керек болушу мүмкүн. Изилдөө бул муктаждыкка эксперименттик маалымат берет; толук масштабдуу дизайн модели азырынча ырасталган эмес.

Изилдөөнүн негизги күчтүү жактары

Изилдөө мурда кран үстүндө сыналган CMG учургучту чыныгы эркин көтөрүлгөн шар асмасына алып чыгып, көзөмөл жана маятник динамикасын физикалык учурууларда баалаган. Үч ар башка чекиттеги инерция сенсорлору учургучтун катуу дене жүрүм-турумун жана ракета кыймылын салыштырууга мүмкүндүк берген. Өлчөнгөн өзжыштыктардын аналитикалык кош маятник модели менен түз салыштырылышы да жөн гана байкоолук учуу отчетунан тышкары сандык динамикалык текшерүүнү камсыз кылат.

Изилдөөнүн негизги чектөөлөрү

Эң чоң чектөө болгону үч учуруунун жүргүзүлүшү. Эркин көтөрүлүү ар бир экспериментте болжол менен жети секунд жана N2 менен N3тө сенсор маалыматтарынын бир бөлүгү жоголгон. N1дин 10 Hz үлгүлөө ылдамдыгы майда launch-rail динамикасын чечүү үчүн жетишсиз. Эркин учуу FFT терезесинин беш секунд болушу 0,2 Hz төмөн биринчи мод жүрүм-турумун баалоого тоскоол болгон.

Эксперимент төмөн бийиктикте жүргүзүлгөн; стратосфералык шамалдар, өтө төмөн атмосфера тыгыздыгы, узак убакыттык шар кыймылдары, жогорку бийиктик температуралары, толук масштабдуу ракета массасы жана орбиталык миссия динамикасы бул изилдөөнүн алкагында эмес.

Келечектеги изилдөөдө эмне жасалышы керек?

Булактын эң ачык келечек изилдөө муктаждыгы эркин шар учуу мөөнөтүн узартуу. Узунураак жазуу 0,2 Hzтен төмөн биринчи мод чындап кайсы жыштыкка жылганын аныктоого жана бүт шар–учургуч системасынын төмөн жыштык кыймылын ажыратууга мүмкүндүк берет.

Көбүрөөк учуруу саны, толук сенсор телеметриясы жана узагыраак эркин учуу азимут катасынын статистикалык бөлүштүрүлүшүн аныктоо үчүн да зарыл. Учурдагы үч эксперимент операциялык rockoon системасынын максат тактыгын же ишенимдүүлүгүн статистикалык түрдө далилдөөгө жетишсиз.

Булак жана Ыкма Жөнүндө Эскертүү

Толук түпнуска эмгектин аты: Rockoon Launch Experiment with Azimuth Angle Control

Авторлор: Tadayoshi Shoyama; Yutaka Wada; Shobu Oda.

Авторлордун тартиби: Булактагы түпнуска тартип дал өзүндөй сакталган.

Бирдей салым/бирдей биринчи автор: Булакта көрсөтүлгөн эмес.

Жооптуу автор: Tadayoshi Shoyama.

Мекемелер: Planetary Exploration Research Center, Chiba Institute of Technology, Narashino City, Japan; AstroX Inc., Minamisoma, Japan.

Булак түрү: Рецензияланган эксперименттик изилдөө макаласы. Үч физикалык моделдик ракета учуруусун, эркин көтөрүлгөн шар асмасын, CMG азимут көзөмөлүн, гироскоп негизиндеги абал реконструкциясын жана кош маятник динамикалык модель салыштыруусун камтыйт.

Журнал: Aerospace

Басмачы: MDPI

Том / сан / макала номери: 13(8), 709

Жарыяланган күнү: 7 Август 2026

DOI: 10.3390/aerospace13080709

Расмий жарыя шилтемеси: https://www.mdpi.com/2226-4310/13/8/709

DOI шилтемеси: https://doi.org/10.3390/aerospace13080709

Рецензия абалы: Изилдөө рецензияланган Aerospace журналында жарыяланган изилдөө макаласы.

Лицензия: Creative Commons Attribution (CC BY) ачык жеткиликтүүлүк лицензиясы.

Каржылоо: Изилдөө Fukushima Innovation Coast Framework Promotion Organization тарабынан жүргүзүлгөн Innovation Creation Platform Program (“Fukushima Tech Create”) алкагында “Demonstration experiment of air-launching a micro rocket using a plastic balloon” долбоору менен колдоого алынган; билдирүү номери 4-Fuku-I-333.

Маалымат жеткиликтүүлүгү: Изилдөөнүн маалыматтары коммерциялык чектөөлөрдөн улам ачык маалымат сактагычында жарыяланган эмес. Булак маалыматтар жооптуу автордон суралып жана non-disclosure agreement шарты менен бөлүшүлүшү мүмкүн экенин билдирет.

Кошумча материал: Булак үчүнчү rockoon учуруусунун жүрүм-турумун көрсөткөн Video S1 кошумча материалын билдирет.

Кызыкчылыктардын кагылышы: Tadayoshi Shoyama жана Yutaka Wada rockoon launch services өнүктүргөн AstroX Inc. менен байланыштуу. Булак бул коммерциялык байланышты ачык жарыялайт. Башка автор үчүн изилдөөгө таасир эте турган коммерциялык же финансылык байланыш билдирилген эмес.

Автордук салымдар: Концептуалдаштыруу Tadayoshi Shoyama жана Yutaka Wada; методология Yutaka Wada жана Tadayoshi Shoyama; изилдөө, формалдуу анализ жана маалымат курациясы Tadayoshi Shoyama; алгачкы долбоор Tadayoshi Shoyama; карап чыгуу жана түзөтүү Yutaka Wada; көзөмөл жана долбоор башкаруу Yutaka Wada менен Shobu Oda; каржылоо алуу Shobu Oda тарабынан жүргүзүлгөн.

Төмөн бийиктик эксперимент чеги: Макаланын киришинде стратосфералык rockoon системалары болжол менен 20 km бийиктикте бере ала турган атмосфералык артыкчылыктар талкууланат. Азыркы эксперимент болсо 150 mден төмөн жүргүзүлгөн жана эркин көтөрүлүү болжол менен жети секунд. Verianla бул эки масштабды бири-бирине аралаштырбайт.

Көзөмөл системасынын чеги: Булак CMG негизиндеги системаны “active azimuth control” деп аныктайт; бирок CMG экспериментте радио башкаруу менен кол менен иштетилген. Изилдөө автономдук же жабык циклдүү азимут көзөмөл алгоритмин текшерүү эмес.

7° азимут натыйжасы үчүн камтуу эскертүүсү: Үч экспериментте от алдыруу маалындагы каталар −3,2°, +6,6° жана −2,0° болуп, алардын абсолюттук маанилери 7°ден төмөн. Бошотуудан рельстен ажыроого чейинки максималдуу ката болсо N2де 8,3°. Ошондуктан 7° натыйжасы от алдыруу маалынын гана натыйжасы катары берилген.

Үлгүлөө жана маалымат жоготуу чеги: N1 10 Hz менен өлчөнгөн жана булак муну кеңири абал жүрүм-туруму үчүн жетишсиз деп тапкан. N2 жана N3 100 Hz өлчөөлөрүн колдонгон; бирок N2де CMG сенсору, N3тө ракета сенсору бузулуудан улам маалымат жоготкон. Сандык динамикалык чыгарымдардын үлгү көлөмү ошондуктан чектелүү.

Биринчи мод жыштык чеги: Эркин көтөрүлүү FFT анализи беш секунддук терезе менен жасалган. Ошондуктан болжол менен 0,2 Hzтен төмөн жыштыктар чечилбейт. Изилдөө биринчи мод өлчөнө турган тилкеде көрүнбөгөнүн көрсөтөт; мод физикалык түрдө толугу менен жок болгонун далилдебейт.

Натыйжалуу l₂ чечмелөөсү: Экинчи мод жыштыгын кайра чыгаруу үчүн tethered абалда 0,90 m, эркин көтөрүлүүдө 0,55 m fitted \(l_2\) колдонулган. Булар физикалык асма узундугунун жаңы өлчөөлөрү эмес, бош шар асмасы чектөөсүнүн таасирин билдирген модель параметрлери.

Pitch-up чечмелөөсү: N2де өлчөнгөн 3,2° pitch-up аркылуу сунушталган болжол менен 1,9° thrust misalignment мааниси модель негизиндеги чыгарым; мотор огу түз өлчөнгөн эмес.

Илимий чек: Изилдөө үч төмөн бийиктик моделдик ракета учуруусунда эркин шар асмасынын динамикалык жүрүм-турумун жана кол менен башкарылган CMG азимут көзөмөлүн карайт. Натыйжалар толук масштабдуу стратосфералык rockoon, орбиталык учуруу, операциялык trajectory accuracy же узак мөөнөттүү учуу ишенимдүүлүгүн текшерүү эмес.

Мазмун өндүрүү ыкмасы: Бул Verianla түшүндүрмөсүндөгү эксперимент шарттары, теңдемелер, учуруу параметрлери, сенсор натыйжалары, азимут каталары, жыштык маанилери жана илимий чектер каралган булак изилдөөгө негизделет. Тышкы библиографиялык текшерүү изилдөөнүн кимдигин, расмий жарыя жазуусун жана рецензия абалын ырастоо үчүн гана колдонулган; тышкы булактардан жаңы учуу көрсөткүчү же булакта жок rockoon натыйжасы негизги текстке кошулган эмес.