Utafiti huu unachunguza kwa majaribio kama mwelekeo wa azimuth unaweza kudhibitiwa kwa kutumia Control Moment Gyroscope (CMG) katika mfumo wa “rockoon”, ambapo roketi huwashwa kutoka kwenye kizindua cha reli kilichoning’inizwa chini ya baluni ya heliamu, na jinsi mienendo ya mkao wa kizindua inavyobadilika wakati wa kupaa huru. Watafiti walifanya urushaji wa roketi tatu za modeli halisi, wakaziacha kwa muda viunganishi vya tether vya baluni ili kuunda takribani sekunde saba za kupaa huru, na wakawasha roketi kutoka kwenye reli ya mita tatu yenye mwinuko wa 60° wakati wa mchakato huo. Katika mirusho mitatu, makosa ya azimuth wakati wa kuwasha yalikuwa −3,2°, +6,6° na −2,0° mtawalia kulingana na lengo; kwa hiyo kosa kamili wakati wa kuwasha lilibaki chini ya 7° katika majaribio yote. Hata hivyo, katika urushaji wa N2, kosa la juu zaidi la azimuth lilifikia 8,3° katika kipindi cha kuanzia kuachiliwa hadi kujitenga na reli.

Jaribio hili si misheni halisi ya rockoon ya stratosphere. Baluni ya plastiki ya heliamu iliyotumika ina kipenyo cha 4,5 m na hutoa takribani 493 N ya nguvu halisi ya kuinua. Mfumo ulipoachiliwa ulipaa kwa kasi ya takribani 1,3 m/s, lakini kupaa huru kulipunguzwa hadi takribani sekunde saba kutokana na mfumo wa tether wa 36,9 m. Urefu wa juu wa baluni na roketi uliwekwa chini ya mita 150 katika jaribio lote. Lengo la utafiti si kuonyesha utendaji wa urefu mkubwa, bali kupima tabia ya mkao wa kizindua na udhibiti wa azimuth wa CMG katika uaning’iniaji halisi wa baluni ambapo muunganisho wa ardhini umeondolewa kwa muda.

Katika kizindua, mitikisiko ya wakati mmoja ilionekana katika mihimili ya roll na yaw. Mfumo wa kuratibu ulipogeuzwa kwenda kwenye mihimili mikuu ya inertia ya reli ya kurushia, ilionekana kuwa tabia hii ilikuwa zaidi mtikisiko wa mzunguko kuzunguka mhimili wa reli kuliko mkengeuko halisi wa azimuth. Kwa sababu hiyo, watafiti wanatathmini kwamba uhusiano wa roll–yaw hautoi mchango muhimu kwa mwelekeo wa urushaji wa roketi. Kwa upande mwingine, wakati roketi ikiendelea juu ya reli, athari ya pitch-up inayohusiana na msuguano ilipimwa; pitch-up ya 3,2° ilirekodiwa katika urushaji wa N2 na takribani 1° katika N3.

Uchambuzi wa masafa wa modeli ya pendulum maradufu ulizalisha tena modi ya kwanza iliyopimwa katika hali iliyofungwa kwa usahihi wa takribani %2. Katika modi ya pili, modeli inayotumia jiometri iliyopimwa moja kwa moja ilikadiria chini masafa yaliyopimwa katika hali ya tethered kwa takribani %29 na katika kupaa huru kwa takribani %18. Urefu fanisi wa \(l_2\) ulipoongezwa kama kigezo cha fitting, modi ya pili iliweza kuzalishwa tena ndani ya takribani %1. Waandishi wanahusisha ongezeko hili la urefu fanisi na ukweli kwamba sehemu za kuunganishia za nyaya nne za kuning’iniza zilizotumika chini ya baluni hutengeneza kizuizi kilicho legevu zaidi kuliko ndoano ya kreni.

Kwa mtazamo wa Uturuki: Utafiti huu unatoa mfano muhimu wa mbinu ya majaribio kwa tafiti ambazo vyuo vikuu na makundi ya utafiti nchini Uturuki yanaweza kufanya kuhusu majukwaa ya majaribio ya angahewa yanayotegemea baluni, roketi ndogo, udhibiti wa mzigo uliotundikwa au teknolojia za kurusha kwenye urefu mkubwa. Unaonyesha hasa kwamba muunganisho wa kimitambo kati ya baluni na kizindua unapaswa kutathminiwa tofauti na udhibiti wa azimuth pamoja na mienendo ya pitch na pendulum. Hata hivyo, majaribio haya matatu ya urefu mdogo katika makala hii hayathibitishi usalama wa kuruka, usahihi wa trajectory, ufaafu wa anga au mahitaji ya uthibitishaji wa operesheni halisi ya rockoon ya urefu mkubwa nchini Uturuki; hayo yanahitaji kuchunguzwa kando katika kiwango cha misheni halisi.

Rockoon ni nini na kwa nini roketi hurushwa kutoka kwenye baluni?

“Rockoon” ni istilahi inayotokana na muunganiko wa maneno ya Kiingereza rocket na balloon, na inaeleza mfumo ambamo roketi hurushwa kutoka kwenye baluni. Kwa mujibu wa sehemu ya utangulizi wa utafiti, lengo kuu la mbinu ya rockoon ni kubeba roketi hadi urefu mkubwa ambako angahewa ni adimu zaidi na shinikizo ni la chini zaidi, hivyo kupunguza uvutaji wa aerodynamics, upotevu wa shinikizo la angahewa na baadhi ya hasara za mvutano wa dunia katika urushaji kutoka ardhini.

Chanzo kinaeleza kuwa katika urefu wa takribani 20 km, msongamano wa angahewa ni takribani %7 ya kiwango cha usawa wa bahari. Faida hii ya kifizikia inaeleza motisha ya mifumo halisi ya rockoon; lakini jaribio la sasa halikufanywa katika 20 km. Urushaji halisi katika utafiti ulifanywa chini ya mita 150 kama uthibitishaji wa mienendo na udhibiti.

Utafiti huu unatofautianaje na jaribio la awali la kreni?

Kundi la utafiti hapo awali lilikuwa limejaribu kizindua hicho hicho cha msingi cha reli kinachodhibitiwa na CMG kwa kukining’iniza kwenye kreni badala ya baluni. Katika jaribio la kreni, sehemu ya juu ya kuning’inia ilikuwa takribani thabiti, hivyo mfumo ulitenda kama pendulum ya kawaida. Katika mfumo halisi wa rockoon, baluni yenyewe inaweza kusogea na kizuizi cha kimienendo cha sehemu ya kuning’inia hubadilika.

Mchango mkuu wa utafiti mpya ni kuruhusu baluni na kizindua vipae kwa uhuru kweli kwa kuachilia kwa muda nyaya nne za tether, na kuwasha roketi chini ya hali hiyo. Hivyo sharti legevu zaidi la mpaka wa uaning’iniaji, ambalo ndoano thabiti ya kreni au baluni iliyofungwa ardhini haiwezi kulitoa, lilichunguzwa kwa majaribio.

Udhibiti wa azimuth wa CMG hufanyaje kazi?

Control Moment Gyroscope ni mfumo wa gyroscope unaoweza kuhamisha torque kwenye muundo kwa kubadili mwelekeo wa momentum ya angular ya gurudumu la momentum linalozunguka. Katika kifaa kilichotumiwa kwenye Kielelezo 1 cha ukurasa wa 4 wa utafiti, kuna magurudumu mawili ya momentum katika ncha mbili za mkono wa mlalo, yakizunguka katika mielekeo iliyo kinyume. Mihimili ya magurudumu inapoinamishwa kwa utaratibu wa gimbal, vipengele vya wima vya momentum ya angular hujumlishwa katika mwelekeo mmoja na kizindua hufanya mwendo wa azimuth katika mwelekeo ulio kinyume.

Katika chanzo, kasi ya angular ya kizindua imeelezwa kama:

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

Hapa \(I_d\) inawakilisha moment of inertia ya rota moja ya CMG, \(I_L\) moment of inertia ya kizindua kuzunguka mhimili wima, \(\omega\) kasi ya kuzunguka ya gurudumu la momentum, na \(\theta\) pembe ya mwinamo wa gimbal.

Torque ya azimuth inayotumika kwenye kizindua nayo hutolewa kwa uhusiano:

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

Mlinganyo unaonyesha kwamba wakati \(\theta=90^\circ\), kwa sababu \(\cos\theta=0\), mwendo wa gimbal hauwezi kuzalisha torque ya ziada ya azimuth. Chanzo hufafanua hali hii kama CMG saturation.

Katika jaribio, kasi ya angular ya magurudumu ya CMG ilikuwa 135 rad/s, yaani takribani 1290 rpm. Moment of inertia ya kila rota imetolewa kama \(3,286\times10^{-3}\) kg·m², na moment of inertia ya kizindua kwenye mhimili wima kama 1,223 kg·m².

Je, “udhibiti hai wa azimuth” unamaanisha udhibiti wa kujitegemea?

Hapana. Ingawa mfumo wa kudhibiti wa CMG uliokuwa hai kimitambo ulitumika katika utafiti, amri ya azimuth haikutolewa na kompyuta ya kuruka ya kujitegemea yenye closed loop. Kizindua kiligeuzwa kuelekea azimuth ya lengo kwa operator kuiongoza CMG kwa mkono kupitia radio control.

Lengo la urushaji wa N1 liliwekwa kuwa magnetic 265°, na malengo ya N2 na N3 kuwa magnetic 180°. Hata baada ya nyaya za tether kuachiliwa, operator aliendelea kuongoza mfumo wa CMG hadi wakati wa kuwasha.

Baluni na mfumo wa kuning’inia uliundwaje?

Kielelezo 3 kwenye ukurasa wa 5 wa utafiti kinaonyesha mpangilio halisi wa rockoon uliotumika katika jaribio. Baluni ya plastiki iliyojazwa heliamu ina kipenyo cha 4,5 m. Chini ya baluni kuna fremu ngumu ya umbo la mraba, chini yake kuna nyaya nne za kuning’iniza, na chini zaidi kuna CMG na kizindua cha reli.

Swivel ilitumika kwenye muunganisho wa juu wa CMG; hivyo kizindua kiliruhusiwa kuzunguka katika mwelekeo wa azimuth bila kulazimika kuzungusha baluni yenyewe.

Urushaji ulifanywaje?

Hapo mwanzo baluni ilishikiliwa ikiwa imefungwa ardhini kwa nyaya nne za tether. Operator alitumia mfumo wa CMG kuelekeza kizindua kwenye azimuth ya lengo, na baada ya usalama wa hewa na ardhini kuthibitishwa kwa macho, tether nne ziliachiliwa kwa wakati mmoja.

Takribani sekunde tatu baada ya baluni na kizindua kuanza kupaa huru, mfumo wa kuwasha wa injini ya roketi uliwashwa kwa mbali. Baada ya Rocket kutoka kwenye reli, nyaya za tether zilikamatwa tena na kupaa kwa baluni kukasimamishwa. Kwa sababu hiyo kupaa halisi huru kulidumu takribani sekunde saba tu.

Je, jaribio lilikuwa urushaji halisi wa rockoon wa urefu mkubwa?

Hapana. Swali la utafiti halichunguzi utendaji wa injini katika urefu mkubwa, bali athari ya uaning’iniaji wa baluni huru kwa mkao wa kizindua.

Kwenye eneo la jaribio, mfumo wa tether uliweka kikomo cha urefu wa baluni chini ya mita 150, na apogee ya roketi pia ilibaki chini ya mita 150. Chanzo kinaeleza kuwa chini ya hali hizi, jaribio halikuhitaji ruhusa au taarifa ya ziada kutoka mamlaka ya anga ya Japani.

Kwa hiyo faida za msongamano na injini zinazohusishwa na urefu wa takribani 20 km, zilizoelezwa katika utangulizi wa utafiti, si matokeo ya utendaji yaliyothibitishwa katika jaribio lenyewe; ni motisha ya kinadharia/kiutendaji ya mifumo halisi ya rockoon.

Roketi gani ilitumika?

Katika jaribio zilitumika miili mitatu tofauti ya roketi ya modeli ya Spitfire PML 30385. Kipenyo cha roketi ni 76 mm, urefu wake 1288 mm na misa yake 1,16 kg. Msukumo wa wastani wa injini ya G69N-P umetolewa katika chanzo kama 80 N. Roketi ina mabawa matatu ya mkia yaliyofungwa, na mwelekeo wa msukumo wa injini hauwezi kurekebishwa.

Upimaji wa mkao ulifanywaje?

Sensori za inertia za mihimili sita ziliwekwa katika sehemu tatu: mwili wa roketi, ncha ya reli ya kurushia na sehemu ya juu ya CMG. Sensori hupima kuongeza kasi kwa mstari katika mihimili mitatu na kasi ya angular katika mihimili mitatu.

Kwa jaribio, masafa ya upimaji wa kuongeza kasi kwa mstari yalichaguliwa kuwa ±4 g, yaani takribani ±40 m/s²; masafa ya gyroscope yalikuwa ±500°/s. Wakati wa mwako wa injini ya roketi, sensori ya kuongeza kasi kwa mstari ilifika kikomo cha juu, lakini kwa kuwa pembe za mkao zilitolewa kutoka integral ya kasi ya angular ya gyroscope, si kutoka kuongeza kasi kwa mstari, watafiti wanaeleza kuwa saturation hii haikuathiri ujenzi upya wa mkao.

Pembe ya mkao katika chanzo ilihesabiwa kama:

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

Hapa \(\omega\) ni kasi ya angular iliyopimwa na gyroscope, na \(b\) ni neno la marekebisho ya bias lililowekwa ili kuondoa drift inayohusiana na offset ya sensori.

Thamani ya bias ilihesabiwa ili kuhakikisha kuwa pembe iliyojumlishwa katika dirisha la sekunde 60 kabla ya urushaji haionyeshi drift halisi. Bias iliyokadiriwa kulingana na sensori na mhimili ipo katika masafa ya 0,01–0,5°/s. Chanzo kinakadiria kwamba bias iliyobaki baada ya marekebisho iko chini ya takribani 0,05°/s na kwamba kosa la pembe ya mkao lililojilimbikiza katika muda wa uchambuzi wa sekunde 30 ni dogo kuliko takribani 1,5°.

Saa za sensori zililinganishwaje?

Kwa kuwa sensori tatu zilikuwa na saa huru, data ilisawazishwa baada ya jaribio. Mwendo wa pamoja wa pendulum kabla ya urushaji na mabadiliko makali ya signal wakati roketi ilipotoka kwenye reli yalitumika kwa upatanishaji wa muda.

Katika majaribio ya 100 Hz, kosa lililobaki la usawazishaji wa muda linakadiriwa kuwa ndani ya takribani kipindi kimoja cha sampling, yaani 0,01 sekunde. Muda huu ni mdogo ikilinganishwa na vipindi vya pendulum vya 1,5 sekunde au zaidi vilivyotathminiwa na utafiti.

Je, ubora wa data katika mirusho mitatu ulikuwa sawa?

Hapana. Katika jaribio la kwanza N1, sensori zote zilifanya kazi kwa 10 Hz. Baadaye chanzo kilibaini kwamba kasi hii ya sampling haitoshi kutatua kwa kina mchakato wa takribani 0,4 sekunde wa kusonga juu ya reli.

Kwa sababu hiyo, uchambuzi wa kina wa kiasi wa mienendo katika makala unategemea rekodi za 100 Hz za N2 na N3. N1 ilitumika zaidi kwa uthibitishaji wa kimaelezo wa tabia ya jumla.

Udhibiti wa azimuth ulifanikiwa kwa kiwango gani katika mirusho mitatu?

Kosa la azimuth ya lengo wakati wa kuwasha lilibaki chini ya 7° kwa thamani kamili katika majaribio yote matatu. Katika N1 kosa lilikuwa −3,2°, katika N2 +6,6° na katika N3 −2,0°.

Hata hivyo, kauli ya “ndani ya 7°” haipaswi kujumlishwa kwa kipindi chote cha kupaa huru. Kosa la juu zaidi la N2 lililohesabiwa kutoka kuachiliwa kwa tether hadi kujitenga na reli ni 8,3°.

Makosa ya juu zaidi na RMS ya azimuth yalikuwa yapi?

Pembe ya pitch-up ya N1 haikutathminiwa kwa sababu ya sampling ya 10 Hz. Hali hii imeonyeshwa wazi kama N/A katika Table 3.

Kwa nini roll na yaw hutikisika pamoja?

Katika vipimo vya N2 na N3, pembe za roll na yaw zilionyesha mitikisiko ya kusawazika inayofikia kilele kwa wakati uleule. Kwa mtazamo wa kwanza, badiliko hili katika yaw linaweza kufasiriwa kama mtikisiko wa mwelekeo halisi wa azimuth.

Watafiti walipogeuza vipimo vya sensori ya reli kwenda kwenye mfumo wa kuratibu \(x_r y z_r\) uliooanishwa na reli, walionyesha kuwa mtikisiko uko katika \(x_r\), yaani katika mwelekeo wa roll kuzunguka mhimili wa reli; mtikisiko uleule haukuonekana katika mwelekeo halisi wa yaw wa \(z_r\).

Chanzo kinafasiri hili kama mwendo wa mzunguko wa rigid body unaotokea kwa sababu mhimili mkuu wa kizindua wenye moment of inertia ndogo zaidi takribani unaendana na mwelekeo wa reli. Kwa hiyo inahitimishwa kuwa roll–yaw coupling iliyoonekana si mtikisiko halisi wa azimuth unaobadilisha mwelekeo wa urushaji wa roketi kwa ukubwa uleule.

Je, muundo wa kizindua unaweza kuwa ulipinda?

Katika urushaji wa tatu, rekodi za pitch, yaw na roll za sensori ya reli zilinganishwa na zile za sensori iliyo juu ya CMG. Miviringo ya sensori mbili kwa ujumla ilienda sambamba na karibu.

Roketi ilipojitenga na reli katika takribani 0,4 sekunde, offset thabiti ya takribani 7° ilitokea katika pembe iliyojumlishwa ya sensori ya reli, hasa katika mhimili wa yaw. Waandishi wanaeleza kuwa hili si deformations ya kimwili ya muundo, bali ni kosa lililotokea katika integration ya kasi ya angular wakati mzigo ulipoachiliwa ghafla. Kuendelea kwa kasi za angular za reli na CMG kuwa sambamba baadaye, pamoja na kutokuwepo kwa deformation ya kudumu katika muundo baada ya jaribio, kunaunga mkono tafsiri hii.

Kwa nini pitch-up hutokea wakati wa kuwasha?

Baada ya injini ya roketi kuwashwa, chombo huteleza juu ya reli ya kurushia kwa takribani 0,4 sekunde. Katika muda huu, msuguano kati ya roketi na reli unaweza kuunda moment ya pitch kwenye kizindua, hasa kama mhimili wa msukumo wa injini haujaoanishwa kikamilifu na mwelekeo wa reli.

Katika N2, pitch-up ya 3,2° ilipimwa, na katika N3 takribani 1°. Watafiti wanahusisha pitch-up ya 3,2° katika N2 na thrust misalignment ya takribani 1,9° kwa kutegemea modeli zao za awali za kimitambo.

Thamani hii ya 1,9° si misalignment ya injini iliyopimwa moja kwa moja. Ni uhitimisho uliotokana na mwendo uliopimwa wa pitch-up na modeli ya awali.

Kwa nini modeli ya pendulum maradufu hutumika?

Mfumo unaoning’inia chini ya baluni haujaundwa na misa moja ya nukta. Waya wa juu wa kuning’inia huunda uhuru wa kwanza wa mwendo, na mwili mrefu wa kizindua wenye mgawanyo wake wa misa na moment of inertia huunda uhuru wa pili wa mwendo. Kwa hiyo mfumo unaonyesha muundo unaofanana na pendulum maradufu ya modi mbili badala ya pendulum moja.

Kielelezo 2 kwenye ukurasa wa 4 wa chanzo kinaonyesha modeli iliyorahisishwa kwa waya wa kuning’inia usio na uzito na fimbo ngumu. Kutoka kwenye milinganyo ya Euler–Lagrange hupatikana masafa mawili asilia.

Masafa asilia ya modeli yameelezwa katika chanzo kama:

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

Masuluhisho mawili \(\omega_1\) na \(\omega_2\) yanawakilisha masafa asilia ya modi ya kwanza na ya pili mtawalia.

Uwiano kati ya amplitudo mbili za pembe za umbo la modi umefafanuliwa kwa:

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

FFT ilionyesha nini katika hali iliyofungwa?

Kabla ya urushaji wa pili, FFT ilitumika kwenye rekodi ya mkao ya sekunde 10 wakati baluni ikiwa katika hali thabiti kwa tether. Katika mihimili yote miwili ya pitch na reli, vilele viwili dhahiri vya masafa vilionekana; matokeo haya yaliunga mkono uwakilishi wa mfumo kwa modeli ya pendulum maradufu.

Katika Figure 13, masafa ya majaribio ya modi ya kwanza katika hali ya tethered yametolewa kama 0,197 Hz, na masafa ya modi ya pili kama 0,886 Hz.

Je, modi ya kwanza ilitoweka kweli katika kupaa huru?

Data iliyopo haionyeshi hili kwa uhakika. Kwa sababu kupaa huru kulidumu tu takribani sekunde saba na uchambuzi wa FFT ulitumia dirisha la takribani sekunde tano, masafa chini ya takribani 0,2 Hz hayawezi kutatuliwa.

Katika kupaa huru, modi ya kwanza haikuonekana katika bendi inayoweza kupimika; hata hivyo chanzo kinatofautisha maelezo mawili yanayowezekana: modi huenda ilipotea kweli, au huenda iligeuka kuwa mwendo wa muda mrefu zaidi wa mfumo mzima wa baluni–kizindua na kuhamia chini ya 0,2 Hz.

Kwa hiyo hitimisho thabiti kwamba “ndege huru iliondoa modi ya kwanza” haliungwi mkono na chanzo. Jaribio la baluni huru la muda mrefu zaidi linahitajika.

Modeli ya pendulum maradufu ilitabiri masafa kwa usahihi gani?

Figure 13 kwenye ukurasa wa 14 wa utafiti inalinganisha masafa ya majaribio na modeli inayotumia jiometri iliyopimwa moja kwa moja pamoja na modeli ya fitted-\(l_2\).

Kwa modi ya kwanza ya tethered, thamani za 0,197 na 0,201 Hz zipo ndani ya tofauti ya takribani %2. Katika modi ya pili, modeli ya moja kwa moja ya kijiometri inabaki chini kwa kiasi kikubwa.

Kwa nini inahitajika kuongeza thamani ya l₂?

Katika modeli, \(l_2\) ni umbali wa kijiometri kutoka sehemu ya kuning’inia ya kizindua hadi kituo chake cha misa. Thamani iliyopimwa kabla ya roketi kurushwa ni 0,483 m, na baada ya roketi kujitenga ni 0,378 m.

Ili kuikaribisha modi ya pili kwenye masafa ya majaribio, fitted \(l_2\) ilitumika kama 0,90 m katika hali ya tethered na 0,55 m katika kupaa huru. Hizi ni takribani mara 1,9 na 1,5 za urefu uliopimwa.

Watafiti hawatafsiri ongezeko hili kama kurefuka kimwili kwa kizindua halisi. Fitted \(l_2\) ni kigezo fanisi kinachowakilisha athari ya kimienendo ya kwamba viunganishi vya nyaya nne za kuning’iniza chini ya baluni si vigumu kama pivot bora iliyosimama.

Matokeo yanayoungwa mkono na utafiti

• Mfumo wa udhibiti wa azimuth unaotegemea CMG uliweza kuendeshwa wakati wa kupaa huru kwa baluni kwa takribani sekunde saba.
• Katika mirusho yote mitatu ya roketi halisi, thamani kamili ya kosa la azimuth wakati wa kuwasha ilibaki chini ya 7°.
• Katika N2 na N3, kupaa huru kwa baluni na mienendo ya kujitenga na reli iliweza kupimwa kwa data ya mkao ya 100 Hz.
• Mtikisiko wa wakati mmoja ulioonekana katika rekodi za roll na yaw ulielezwa hasa kwa mwendo wa roll kuzunguka reli katika mfumo wa kuratibu uliogeuzwa kwenye mhimili wa reli.
• Tabia ya pitch-up ilionekana tena wakati roketi ikiendelea juu ya reli.
• Katika hali ya tethered, masafa ya modi ya kwanza ya modeli ya pendulum maradufu yalizalisha tena thamani ya majaribio ndani ya takribani %2.
• Ili kufikia masafa ya majaribio ya modi ya pili, zilihitajika thamani kubwa zaidi za \(l_2\) fanisi zinazowakilisha masharti legevu ya mpaka wa uaning’iniaji wa baluni.
• Katika kupaa huru, modi ya kwanza haikuonekana katika bendi ya FFT inayoweza kupimika ya 0,2 Hz na zaidi.

Matokeo ambayo utafiti hauungi mkono au haujayajaribu

• Jaribio halijathibitisha urushaji wa operesheni wa rockoon kutoka urefu wa stratosphere.
• Kupungua kwa uvutaji wa aerodynamics au ongezeko la utendaji wa injini ya roketi katika urefu wa 20 km halikupimwa katika jaribio hili.
• Udhibiti wa azimuth wa CMG haukujaribiwa kama algorithm ya udhibiti wa kujitegemea yenye closed loop; mfumo uliongozwa kwa mkono kwa radio control.
• Kutokana na majaribio matatu, haiwezekani kutoa usahihi wa jumla wa azimuth kwa hali zote za hewa au mifumo ya rockoon ya ukubwa kamili.
• Haijaonyeshwa kuwa kosa la azimuth lilibaki chini ya 7° kila wakati katika kipindi chote cha kuachiliwa–kujitenga na reli; kosa la juu zaidi la N2 ni 8,3°.
• Haijathibitishwa kuwa modi ya kwanza ya pendulum ilitoweka kabisa kimwili wakati wa kupaa huru; modi inaweza kuwa ilihamia chini ya 0,2 Hz.
• Thamani za fitted \(l_2\) si vipimo vya kimwili vya urefu halisi wa waya au muundo.
• Thrust misalignment ya takribani 1,9° iliyotolewa kwa N2 si sifa ya injini iliyopimwa moja kwa moja.
• Kuweka mzigo kwenye obiti, orbital injection accuracy au usalama halisi wa operesheni ya kuruka havijathibitishwa na majaribio haya matatu ya urefu mdogo.
• Mwendo wa pendulum wa masafa ya chini katika ndege ya baluni huru ya muda mrefu haukupimwa.

Mbinu na Matokeo ya Utafiti

Mantiki ya msingi ya muundo wa jaribio

Jaribio liliunda moja kwa moja kwenye mfumo uleule badiliko la sharti la mpaka kwa kuhakikisha kuwa kizindua kwanza kiko kimefungwa ardhini, kisha kwa muda mfupi kiko kwenye uaning’iniaji wa baluni huru. Hivyo tofauti kati ya pivot ya juu thabiti katika jaribio la kreni na mpaka wa juu unaosogea katika uaning’iniaji halisi wa baluni iliweza kuchunguzwa.

Kuwasha roketi kulifanyika takribani sekunde tatu baada ya nyaya za tether kuachiliwa; baada ya urushaji, nyaya zilishikwa tena na kupaa huru kukapunguzwa hadi takribani sekunde saba.

Vigezo vya CMG na kikomo cha udhibiti

Moment of inertia ya kila gurudumu la momentum la CMG ni \(3,286\times10^{-3}\) kg·m² na kasi yake ya nominal ni takribani 1290 rpm. Mwendo wa gimbal unawezekana hadi ±90°. Kwa sababu ya neno \(\cos\theta\) katika mlinganyo wa kinadharia wa torque, mfumo hufikia hali ya saturation kwenye pembe ya gimbal ya 90°.

Utafiti huu haujatathmini gains za udhibiti wa closed loop za CMG wala algorithm ya kufuatilia lengo kiotomatiki; umejaribu kwa majaribio mamlaka ya udhibiti wa kimitambo yanayoongozwa na operator binadamu kwa radio control.

Ubadilishaji wa kuratibu za sensori

Kwa kuwa sensori za reli na roketi zilikuwa zimeinama 60° kulingana na mlalo, vipengele vilivyopimwa vya \(x_r\) na \(z_r\) viligeuzwa kwenda kwenye mfumo wa kuratibu wa sensori ya CMG:

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

Hapa \(\theta_e=60^\circ\) ni pembe ya kupanda ya reli ya kurushia. Kasi za angular zilizobadilishwa baadaye zilijumlishwa kwa marekebisho ya bias ili kupata pembe za mkao.

Tabia ya roketi katika urushaji wa pili

Kuongeza kasi kwa translational kwa roketi ya N2 kulizidi kikomo cha sensori cha ±40 m/s² wakati wa mwako wa injini. Baada ya mwako wa injini, kuongeza kasi kulirudi kwenye masafa ya upimaji na roketi ilifika ardhini karibu na sekunde 7,9–8,0.

Rekodi za mkao zinaeleza kwamba roketi ilizunguka kwa kasi ya roll takribani thabiti baada ya kujitenga na reli, na kwa mujibu wa uchunguzi wa chanzo iliruka bila kuonyesha mkengeuko muhimu wa mwelekeo. Matokeo haya yamewekewa kikomo cha ndege ya roketi ya modeli ya urefu mdogo.

Wakati wa kujitenga na reli

Katika N2, roketi ilijitenga na ncha ya reli takribani 0,4 sekunde baada ya kuwashwa. Pitch-up ilionekana wakati ikiendelea juu ya reli; katika wakati wa kujitenga, kupotea kwa ghafla kwa misa kulisababisha usumbufu wa muda katika mkao wa kizindua.

Karibu sekunde ya saba, nyaya za tether zilipozuia tena kupaa kwa baluni, ziliunda athari ya pili dhahiri ya usumbufu katika mkao wa kizindua. Sehemu hii hufanya tofauti kati ya mienendo halisi ya baluni huru na kurejeshwa kwa muunganisho wa ardhini ionekane katika vipimo.

Matokeo ya kiasi ya udhibiti wa azimuth

Makosa ya N1 katika kuachiliwa, kuwasha na kujitenga na reli ni −5,4°, −3,2° na −4,8° mtawalia. Kwa N2, thamani hizo hizo ni +0,2°, +6,6° na +2,7°; kwa N3 ni +1,4°, −2,0° na +0,2°.

Ukubwa kamili wa thamani zote tatu za kuwasha uko chini ya 7°. Ukweli kwamba badiliko la azimuth la N2 kabla ya kuwasha ni kubwa kuliko majaribio mengine mawili unaonyesha kuwa mfumo haukuwa ndani ya korido thabiti ya ±7° wakati wote.

Tafsiri ya kipimo cha pitch-up

Chanzo kinahusisha athari ya msuguano wa reli kwenye pitch-up na pembe ya thrust misalignment ya injini. Katika utafiti uliopita, kwa thrust misalignment ya ±1,5°, masafa ya pitch-up ya takribani −0,5° hadi +2,5° yalitarajiwa.

Kutokana na matokeo ya pitch-up ya 3,2° yaliyopimwa katika N2, thrust misalignment ya takribani 1,9° ilitolewa. Thamani hii ni maelezo yanayowezekana kuhusu tolerance ya utengenezaji; mhimili halisi wa msukumo wa injini haukupimwa kwa mfumo huru wa upimaji.

FFT na kikomo cha resolution cha dirisha la upimaji

Kwa sababu uchambuzi wa tethered ulitumia dirisha la sekunde 10, vipengele vya masafa katika kiwango cha takribani 0,1 Hz vinaweza kutofautishwa. Kwa kuwa dirisha la ndege huru ni sekunde tano tu, resolution ya msingi ya masafa ni takribani 0,2 Hz.

Kwa hiyo modi ya kwanza ya takribani 0,15 Hz inayotabiriwa na modeli ya ndege huru iko chini ya bendi inayoweza kutatuliwa moja kwa moja na dirisha la FFT la jaribio. Hii ndiyo sababu kuu ya kauli ya chanzo kwamba “modi ya kwanza haikuonekana katika bendi inayoweza kupimika”.

Tofauti ya modeli katika modi ya pili

Katika hali ya tethered, wakati modi ya pili ya majaribio ilikuwa 0,886 Hz, modeli inayotegemea jiometri iliyopimwa ilitoa 0,628 Hz. Chanzo kinaeleza tofauti hii kama takribani %29.

Katika kupaa huru, modi ya pili ilipimwa kuwa 0,787 Hz; modeli inayotegemea jiometri ilitoa 0,649 Hz. Tofauti hii ni takribani %18.

Urefu fanisi wa fitted ulipotumika, 0,885 Hz na 0,789 Hz zilipatikana mtawalia, na modi ya pili ya majaribio ikazalishwa tena ndani ya takribani %1.

Kwa nini matokeo haya ni muhimu?

Tofauti ya masafa inaonyesha kuwa kutekeleza moja kwa moja modeli ya kimitambo iliyoning’inizwa kutoka kwenye kreni au kutoka kwenye nukta moja bora huenda kusitoshe kwa mfumo halisi wa baluni. Nyaya nne, fremu na sehemu za kuunganishia chini ya baluni zinaweza kubadilisha masharti fanisi ya mpaka wa mfumo kupitia uhuru wake finyu wa mwendo.

Kwa sababu hiyo, katika mifumo ya rockoon ya baadaye, huenda ikahitajika kumodeli pia unyumbufu wa kimienendo wa muunganisho wa baluni–fremu–uaning’iniaji na tabia ya pivot fanisi, badala ya kutumia tu misa ya kizindua na urefu wa kijiometri wa uaning’iniaji. Utafiti huu hutoa data ya majaribio kwa hitaji hilo; modeli ya usanifu wa ukubwa kamili bado haijathibitishwa.

Nguvu kuu za utafiti

Utafiti ulihamisha kizindua cha CMG kilichokuwa kimejaribiwa awali kwenye kreni kwenda kwenye uaning’iniaji halisi wa baluni inayopaa huru, na kutathmini udhibiti na mienendo ya pendulum katika mirusho halisi. Sensori za inertia katika sehemu tatu tofauti ziliruhusu kulinganisha tabia ya rigid body ya kizindua na mwendo wa roketi. Ulinganisho wa moja kwa moja wa masafa asilia yaliyopimwa na modeli ya uchambuzi ya pendulum maradufu pia hutoa uthibitishaji wa kimienendo wa kiasi unaozidi ripoti ya ndege ya kiuchunguzi tu.

Vikwazo kuu vya utafiti

Kikwazo kikubwa zaidi ni kwamba mirusho mitatu tu ilifanywa. Kupaa huru katika kila jaribio ni takribani sekunde saba, na sehemu ya data ya sensori ilipotea katika N2 na N3. Kasi ya sampling ya 10 Hz ya N1 haitoshi kutatua kwa kina mienendo ya launch-rail. Dirisha la FFT la ndege huru kuwa sekunde tano liliizuia tathmini ya tabia ya modi ya kwanza chini ya 0,2 Hz.

Jaribio lilifanywa katika urefu mdogo; upepo wa stratosphere, msongamano wa angahewa ulio chini sana, mienendo ya muda mrefu ya baluni, halijoto za urefu mkubwa, misa ya roketi ya ukubwa kamili na mienendo ya misheni ya obiti havimo ndani ya upeo wa utafiti huu.

Ni nini kinachohitajika kufanywa katika utafiti wa baadaye?

Hitaji lililo wazi zaidi la kazi ya baadaye katika chanzo ni kuongeza muda wa ndege huru ya baluni. Rekodi ndefu zaidi itawezesha kubaini modi ya kwanza chini ya 0,2 Hz imehamia masafa gani hasa, na kutenganisha mwendo wa masafa ya chini wa mfumo mzima wa baluni–kizindua.

Idadi kubwa zaidi ya mirusho, telemetria kamili ya sensori na ndege huru ndefu zaidi pia zinahitajika ili kubaini usambazaji wa kitakwimu wa kosa la azimuth. Majaribio matatu yaliyopo hayatoshi kuthibitisha kitakwimu usahihi wa kulenga au uaminifu wa mfumo wa rockoon wa operesheni.

Maelezo ya Chanzo na Mbinu

Jina kamili la kazi asilia: Rockoon Launch Experiment with Azimuth Angle Control

Waandishi: Tadayoshi Shoyama; Yutaka Wada; Shobu Oda.

Mpangilio wa waandishi: Mpangilio asilia katika chanzo umehifadhiwa kama ulivyo.

Mchango sawa/mwandishi wa kwanza sawa: Haukuonyeshwa katika chanzo.

Mwandishi wa mawasiliano: Tadayoshi Shoyama.

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

Aina ya chanzo: Makala ya utafiti wa majaribio iliyopitiwa na wahakiki. Inajumuisha mirusho mitatu halisi ya roketi za modeli, uaning’iniaji wa baluni inayopaa huru, udhibiti wa azimuth wa CMG, ujenzi upya wa mkao unaotegemea gyroscope na ulinganisho wa modeli ya kimienendo ya pendulum maradufu.

Jarida: Aerospace

Mchapishaji: MDPI

Juzuu / toleo / namba ya makala: 13(8), 709

Tarehe ya kuchapishwa: 7 Agosti 2026

DOI: 10.3390/aerospace13080709

Kiungo rasmi cha uchapishaji: https://www.mdpi.com/2226-4310/13/8/709

Kiungo cha DOI: https://doi.org/10.3390/aerospace13080709

Hali ya uhakiki: Utafiti ni makala ya utafiti iliyochapishwa katika jarida lililopitiwa na wahakiki Aerospace.

Leseni: Leseni ya ufikiaji wazi ya Creative Commons Attribution (CC BY).

Ufadhili: Utafiti uliungwa mkono ndani ya Innovation Creation Platform Program (“Fukushima Tech Create”) inayoendeshwa na Fukushima Innovation Coast Framework Promotion Organization, kupitia mradi “Demonstration experiment of air-launching a micro rocket using a plastic balloon”; namba ya taarifa ni 4-Fuku-I-333.

Upatikanaji wa data: Data za utafiti hazikuchapishwa katika hazina ya data wazi kwa sababu ya vikwazo vya kibiashara. Chanzo kinaeleza kuwa data zinaweza kushirikiwa kwa kuombwa kutoka kwa mwandishi wa mawasiliano na chini ya masharti ya non-disclosure agreement.

Nyenzo za ziada: Chanzo kinataja Video S1 kama nyenzo ya ziada inayoonyesha tabia ya urushaji wa tatu wa rockoon.

Mgongano wa maslahi: Tadayoshi Shoyama na Yutaka Wada wana uhusiano na AstroX Inc., ambayo inaendeleza rockoon launch services. Chanzo kinatangaza wazi uhusiano huu wa kibiashara. Kwa mwandishi mwingine hakuna uhusiano wa kibiashara au kifedha ulioripotiwa ambao unaweza kuathiri utafiti.

Michango ya waandishi: Dhana ilifanywa na Tadayoshi Shoyama na Yutaka Wada; metodolojia na Yutaka Wada na Tadayoshi Shoyama; utafiti, uchambuzi rasmi na ucuration wa data na Tadayoshi Shoyama; rasimu ya kwanza na Tadayoshi Shoyama; mapitio na uhariri na Yutaka Wada; usimamizi na usimamizi wa mradi na Yutaka Wada pamoja na Shobu Oda; upatikanaji wa fedha ulifanywa na Shobu Oda.

Kikomo cha jaribio la urefu mdogo: Utangulizi wa makala unajadili faida za angahewa ambazo mifumo ya stratospheric rockoon inaweza kutoa katika urefu wa takribani 20 km. Hata hivyo, jaribio lililopo lilifanywa chini ya 150 m na kupaa huru ni takribani sekunde saba. Verianla haichanganyi mizani hii miwili.

Kikomo cha mfumo wa udhibiti: Chanzo kinafafanua mfumo unaotegemea CMG kama “active azimuth control”; lakini katika jaribio, CMG iliendeshwa kwa mkono kupitia radio control. Utafiti si uthibitishaji wa algorithm ya udhibiti wa azimuth wa kujitegemea au closed loop.

Dokezo la upeo kwa matokeo ya azimuth ya 7°: Katika majaribio matatu, makosa wakati wa kuwasha ni −3,2°, +6,6° na −2,0°, na thamani zake kamili ziko chini ya 7°. Kosa la juu zaidi kutoka kuachiliwa hadi kujitenga na reli ni 8,3° katika N2. Kwa hiyo matokeo ya 7° yamewasilishwa kama matokeo ya wakati wa kuwasha pekee.

Kikomo cha sampling na upotevu wa data: N1 ilipimwa kwa 10 Hz na chanzo kiliona kuwa haitoshi kwa tabia ya mkao ya kina. N2 na N3 zilitumia vipimo vya 100 Hz; hata hivyo, katika N2 sensori ya CMG na katika N3 sensori ya roketi zilipoteza data kwa sababu ya hitilafu. Ukubwa wa sampuli wa uhitimisho wa kimienendo wa kiasi kwa hiyo ni mdogo.

Kikomo cha masafa ya modi ya kwanza: Uchambuzi wa FFT wa kupaa huru ulifanywa kwa dirisha la sekunde tano. Kwa hiyo masafa chini ya takribani 0,2 Hz hayawezi kutatuliwa. Utafiti unaonyesha kuwa modi ya kwanza haikuonekana katika bendi inayoweza kupimika; hauthibitishi kuwa modi ilitoweka kabisa kimwili.

Tafsiri ya l₂ fanisi: Ili kuzalisha tena masafa ya modi ya pili, fitted \(l_2\) ya 0,90 m katika hali ya tethered na 0,55 m katika kupaa huru ilitumika. Hizi si vipimo vipya vya urefu halisi wa uaning’iniaji, bali ni vigezo vya modeli vinavyowakilisha athari ya kizuizi legevu cha uaning’iniaji wa baluni.

Tafsiri ya pitch-up: Thamani ya thrust misalignment ya takribani 1,9° inayopendekezwa kutoka pitch-up ya 3,2° iliyopimwa katika N2 ni uhitimisho unaotegemea modeli; mhimili wa injini haukupimwa moja kwa moja.

Kikomo cha kisayansi: Utafiti unachunguza tabia ya kimienendo ya uaning’iniaji wa baluni huru na udhibiti wa azimuth wa CMG wa mwongozo katika mirusho mitatu ya roketi za modeli katika urefu mdogo. Matokeo si uthibitishaji wa rockoon ya stratosphere ya ukubwa kamili, urushaji wa orbital, operational trajectory accuracy au uaminifu wa muda mrefu wa kuruka.

Mbinu ya uzalishaji wa maudhui: Hali za majaribio, milinganyo, vigezo vya urushaji, matokeo ya sensori, makosa ya azimuth, thamani za masafa na mipaka ya kisayansi katika maelezo haya ya Verianla zinategemea utafiti wa chanzo uliopitiwa. Udhibiti wa nje wa bibliografia ulitumika tu kuthibitisha utambulisho wa utafiti, rekodi rasmi ya uchapishaji na hali ya uhakiki; hakuna utendaji mpya wa ndege au matokeo ya rockoon yasiyokuwapo katika chanzo yaliyoongezwa kwenye maandishi makuu kutoka vyanzo vya nje.