Ин таҳқиқот ба таври таҷрибавӣ месанҷад, ки дар системаи “rockoon”, ки дар он ракета аз партобгари релсӣ дар зери балони гелий овезон оташ дода мешавад, самти азимут бо истифода аз Control Moment Gyroscope (CMG) идора шуда метавонад ё не ва динамикаи вазъи партобгар ҳангоми болоравии озод чӣ гуна тағйир меёбад. Муҳаққиқон се партоби физикии ракетаи моделиро анҷом дода, пайвастҳои tether-и балонро муваққатан озод карда, болоравии озоди тақрибан ҳафтсонияӣ ба вуҷуд оварданд ва дар ҳамин раванд ракетаро аз релси семетраи бо майли 60° оташ доданд. Дар се партоб, хатоҳои азимут дар лаҳзаи оташдиҳӣ нисбат ба ҳадаф мутаносибан −3,2°, +6,6° ва −2,0° буданд; аз ин рӯ хатои мутлақ дар лаҳзаи оташдиҳӣ дар ҳамаи таҷрибаҳо аз 7° камтар монд. Бо вуҷуди ин, дар партоби N2 дар фосилаи аз озодкунӣ то ҷудошавӣ аз релс хатои максималии азимут ба 8,3° расид.

Таҷриба миссияи воқеии rockoon-и стратосферӣ нест. Балони пластикии гелийи истифодашуда диаметри 4,5 m дорад ва тақрибан 493 N қувваи холиси бардорӣ таъмин мекунад. Вақте ки система озод карда шуд, он бо суръати тақрибан 1,3 m/s боло рафт, аммо ба сабаби системаи tether-и 36,9 m болоравии озод бо тақрибан ҳафт сония маҳдуд шуд. Баландии ҳадди аксари балон ва ракета дар тамоми таҷриба зери 150 метр нигоҳ дошта шуд. Ҳадафи таҳқиқот на нишон додани иҷрои баландбаландӣ, балки чен кардани рафтори вазъи партобгар ва назорати азимути CMG дар овезиши воқеии балон аст, ки дар он пайвасти заминӣ муваққатан бартараф мешавад.

Дар партобгар дар меҳварҳои roll ва yaw ларзишҳои ҳамзамон мушоҳида шуданд. Вақте ки системаи координата ба меҳварҳои асосии инерсияи релси партоб табдил дода шуд, дида шуд, ки ин рафтор бештар ларзиши гардишӣ дар гирди меҳвари релс аст, на инҳирофи воқеии азимут. Аз ин сабаб муҳаққиқон арзёбӣ мекунанд, ки coupling-и roll–yaw ба самти партоби ракета саҳми муҳим намегузорад. Баръакс, ҳангоми ҳаракати ракета дар рӯи релс таъсири pitch-up-и марбут ба соиш чен карда шуд; дар партоби N2 3,2° ва дар N3 тақрибан 1° pitch-up сабт шуд.

Таҳлили басомади модели думаятникӣ модули аввалро, ки дар ҳолати баста чен шуда буд, бо дақиқии тақрибан %2 дубора ҳосил кард. Дар модули дуюм бошад, моделе, ки геометрияи мустақим ченшударо истифода мебурд, басомади дар ҳолати tethered ченшударо тақрибан %29 ва дар болоравии озод тақрибан %18 паст пешбинӣ кард. Вақте ки дарозии самараноки \(l_2\) ҳамчун параметри fitting калон карда шуд, модули дуюм дар ҳудуди тақрибан %1 дубора ҳосил карда шуд. Муаллифон ин афзоиши дарозии самаранокро ба он нисбат медиҳанд, ки нуқтаҳои пайвасти чор сими овезон дар зери балон нисбат ба қалмоқи кран маҳдудияти нармтар ба вуҷуд меоранд.

Аз нигоҳи Туркия: Таҳқиқот барои платформаҳои таҷрибавии атмосферии балонбунёд, ракетаҳои хурд, назорати бори овезон ё технологияҳои партоби баландбаландӣ, ки донишгоҳҳо ва гурӯҳҳои таҳқиқотии Туркия метавонанд иҷро кунанд, намунаи муфиди усули таҷрибавӣ пешниҳод мекунад. Он махсусан нишон медиҳад, ки пайвасти механикии балон–партобгар бояд аз назорати азимут ва ҳаракатҳои pitch ва маятник ҷудогона арзёбӣ шавад. Аммо се таҷрибаи пастбаландии ин мақола амнияти парвоз, дақиқии траектория, мувофиқати фазои ҳавоӣ ё талаботи сертификатсияи як амалиёти воқеии rockoon-и баландбаландиро дар Туркия тасдиқ намекунад; инҳо бояд алоҳида дар миқёси миссияи воқеӣ таҳқиқ карда шаванд.

Rockoon чист ва чаро ракета аз балон партоб мешавад?

“Rockoon” истилоҳест, ки аз омезиши калимаҳои англисии rocket ва balloon ба вуҷуд омада, системаро ифода мекунад, ки дар он ракета аз балон партоб мешавад. Мувофиқи бахши муқаддимаи таҳқиқот, ҳадафи асосии равиши rockoon ин аст, ки ракетаро ба баландии зиёд, ки атмосфера камзичтар ва фишор пасттар аст, бардорад ва ба ин васила кашиши аэродинамикӣ, талафоти фишори атмосферӣ ва баъзе талафоти ҷозибаро дар партоби заминӣ кам кунад.

Манбаъ қайд мекунад, ки дар баландии тақрибан 20 km зичии атмосфера тақрибан %7-и сатҳи баҳр аст. Ин бартарии физикӣ ангезаи системаҳои воқеии rockoon-ро шарҳ медиҳад; аммо таҷрибаи мавҷуда дар 20 km анҷом дода нашудааст. Партобҳои физикии таҳқиқот санҷиши динамика ва назорат мебошанд, ки зери 150 метр анҷом дода шудаанд.

Ин таҳқиқот аз таҷрибаи пешинаи кран чӣ фарқ дорад?

Гурӯҳи таҳқиқотӣ қаблан ҳамон партобгари релсии асосии бо CMG идорашавандаро ба ҷои балон аз кран овезон карда санҷида буд. Дар таҷрибаи кран, нуқтаи болоии овезиш тақрибан собит буд ва система мисли маятники классикӣ рафтор мекард. Дар системаи воқеии rockoon бошад, худи балон метавонад ҳаракат кунад ва маҳдудияти динамикии нуқтаи овезиш тағйир меёбад.

Саҳми асосии кори нав он аст, ки бо озод кардани муваққатии чор сими tether ба балон ва партобгар иҷозат дода шуд, ки воқеан озод боло раванд ва ракета дар ҳамин шароит оташ дода шуд. Ҳамин тавр шарти ҳаддии овезиши нармтаре, ки қалмоқи собити кран ё балони ба замин басташуда дода наметавонад, ба таври таҷрибавӣ баррасӣ гардид.

Назорати азимути CMG чӣ гуна кор мекунад?

Control Moment Gyroscope системаи гироскопист, ки бо тағйир додани самти импулси кунҷии чархи momentum-и даврзананда метавонад ба сохтор момент интиқол диҳад. Дар дастгоҳе, ки дар Шакли 1-и саҳифаи 4-и таҳқиқот истифода шудааст, дар ду нӯги бозуи уфуқӣ ду чархи momentum мавҷуд аст, ки ба самтҳои муқобил давр мезананд. Вақте ки меҳварҳои чарх бо механизми gimbal хам карда мешаванд, ҷузъҳои амудии импулси кунҷӣ дар як самт ҷамъ мешаванд ва партобгар ба самти муқобили он ҳаракати азимутӣ мекунад.

Дар манбаъ суръати кунҷии партобгар чунин ифода мешавад:

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

Дар ин ҷо \(I_d\) моменти инерсияи як ротори CMG, \(I_L\) моменти инерсияи партобгар дар гирди меҳвари амудӣ, \(\omega\) суръати гардиши чархи momentum ва \(\theta\) кунҷи майли gimbal-ро ифода мекунад.

Моменти азимутие, ки ба партобгар татбиқ мешавад, бошад, бо муносибати зерин дода мешавад:

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

Муодила нишон медиҳад, ки вақте \(\theta=90^\circ\) аст, ба сабаби \(\cos\theta=0\), ҳаракати gimbal наметавонад моменти иловагии азимутӣ ҳосил кунад. Манбаъ ин ҳолатро CMG saturation меномад.

Дар таҷриба суръати кунҷии чархҳои CMG 135 rad/s, яъне тақрибан 1290 rpm аст. Моменти инерсияи ҳар rotor \(3,286\times10^{-3}\) kg·m² ва моменти инерсияи меҳвари амудии партобгар 1,223 kg·m² дода шудааст.

Оё “назорати фаъоли азимут” маънои назорати автономиро дорад?

Не. Гарчанде дар таҳқиқот системаи назорати CMG аз ҷиҳати механикӣ фаъол истифода шудааст, фармони азимут аз тарафи компютери парвози автономии ҳалқаи баста дода нашудааст. Партобгар тавассути он ба азимути ҳадаф гардонида шуд, ки оператор CMG-ро бо идоракунии радиоӣ дастӣ самт медод.

Ҳадафи партоби N1 магнитии 265° ва ҳадафи N2 ва N3 магнитии 180° муқаррар шуд. Пас аз озод шудани симҳои tether низ оператор то оташдиҳӣ самтдиҳии системаи CMG-ро идома дод.

Балон ва системаи овезиш чӣ гуна сохта шуданд?

Шакли 3-и саҳифаи 5-и таҳқиқот тарҳи воқеии rockoon-ро, ки дар таҷриба истифода шудааст, нишон медиҳад. Диаметри балони пластикии бо гелий пуршуда 4,5 m аст. Дар зери балон чорчӯбаи сахти чоркунҷа, дар зери он чор сими овезон ва поёнтар CMG бо партобгари релсӣ ҷойгир аст.

Дар пайвасти болоии CMG як swivel истифода шудааст; бо ҳамин ба партобгар иҷозат дода шуд, ки дар самти азимут бе зарурати гардондани худи балон чарх занад.

Партоб чӣ гуна анҷом дода шуд?

Балон дар оғоз бо чор сими tether ба замин баста нигоҳ дошта шуд. Оператор бо истифода аз системаи CMG партобгарро ба азимути ҳадаф равона кард; пас аз он ки амнияти ҳавоӣ ва заминӣ ба таври визуалӣ тасдиқ шуд, чор tether ҳамзамон озод карда шуд.

Тақрибан се сония пас аз он ки балон ва партобгар ба болоравии озод оғоз карданд, системаи оташдиҳии муҳаррики ракета аз масофа фаъол карда шуд. Пас аз он ки Rocket аз релс баромад, симҳои tether дубора дошта шуданд ва болоравии балон қатъ карда шуд. Аз ин рӯ болоравии воқеии озод танҳо тақрибан ҳафт сония давом кард.

Оё таҷриба партоби воқеии rockoon-и баландбаландӣ буд?

Не. Саволи таҳқиқот иҷрои муҳаррик дар баландии зиёдро не, балки таъсири овезиши озоди балон ба вазъи партобгарро меомӯзад.

Дар майдони таҷриба системаи tether баландии балонро зери 150 метр маҳдуд кард ва апогеи ракета низ зери 150 метр монд. Манбаъ қайд мекунад, ки дар ин шароит барои таҷриба иҷозат ё огоҳии алоҳида аз мақоми ҳавонавардии Ҷопон талаб намешуд.

Бинобар ин, афзалиятҳои зичӣ ва муҳаррик, ки дар муқаддимаи таҳқиқот барои баландии тақрибан 20 km зикр шудаанд, натиҷаҳои иҷрое нестанд, ки дар худи таҷриба тасдиқ шуда бошанд; онҳо ангезаи назариявӣ/амалии системаҳои воқеии rockoon мебошанд.

Кадом ракета истифода шуд?

Дар таҷриба се корпуси алоҳидаи ракетаи модели Spitfire PML 30385 истифода шудааст. Диаметри ракета 76 mm, баландии он 1288 mm ва массааш 1,16 kg аст. Тягаи миёнаи муҳаррики G69N-P дар манбаъ 80 N дода шудааст. Дар ракета се қаноти собити дум мавҷуд аст ва самти тягаи муҳаррик танзимшаванда нест.

Ченкунии вазъ чӣ гуна анҷом дода шуд?

Дар се нуқта сенсори инерсияи шашмеҳварӣ ҷойгир карда шуд: корпуси ракета, нӯги релси партоб ва қисми болоии CMG. Сенсорҳо дар се меҳвар шитоби хаттӣ ва дар се меҳвар суръати кунҷиро чен мекунанд.

Барои таҷриба доираи ченкунии шитоби хаттӣ ±4 g, яъне тақрибан ±40 m/s²; доираи гироскоп ±500°/s интихоб шуд. Ҳангоми сӯхтани муҳаррики ракета сенсори шитоби хаттӣ ба ҳадди болоӣ расид, аммо азбаски кунҷҳои вазъ аз шитоби хаттӣ не, балки аз интеграли суръати кунҷии гироскоп ҳосил шуданд, муҳаққиқон изҳор мекунанд, ки ин saturation ба бозсозии вазъ таъсир нарасонд.

Кунҷи вазъ дар манбаъ чунин ҳисоб шудааст:

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

Дар ин ҷо \(\omega\) суръати кунҷии ченкардаи гироскоп ва \(b\) узви ислоҳи bias мебошад, ки барои бартараф кардани drift-и вобаста ба offset-и сенсор муайян шудааст.

Арзиши bias тавре ҳисоб шуд, ки дар равзанаи 60 сония пеш аз партоб кунҷи интегралшуда drift-и холис нишон надиҳад. Bias-и тахминшуда вобаста ба сенсор ва меҳвар дар ҳудуди 0,01–0,5°/s аст. Манбаъ тахмин мекунад, ки bias-и боқимонда пас аз ислоҳ зери тақрибан 0,05°/s ва хатои ҷамъшудаи кунҷи вазъ дар давраи таҳлили 30 сония камтар аз тақрибан 1,5° аст.

Соатҳои сенсорҳо чӣ гуна ҳамоҳанг карда шуданд?

Азбаски се сенсор соатҳои мустақил доштанд, маълумот пас аз таҷриба ҳамоҳанг карда шуд. Ҳаракати умумии маятник пеш аз партоб ва тағйироти тез дар сигнал дар лаҳзаи аз релс баромадани ракета барои ҳамоҳангсозии вақт истифода шуданд.

Дар таҷрибаҳои 100 Hz, хатои боқимондаи ҳамоҳангсозии вақт тақрибан як фосилаи намунагирӣ, яъне дар ҳудуди 0,01 сония, тахмин карда мешавад. Ин муддат нисбат ба давраҳои маятникии 1,5 сония ё бештар, ки таҳқиқот арзёбӣ кардааст, хурд аст.

Оё сифати маълумоти се партоб яксон буд?

Не. Дар таҷрибаи якум N1 ҳама сенсорҳо бо 10 Hz кор карданд. Манбаъ баъдан муайян кард, ки ин суръати намунагирӣ барои ҳал кардани муфассали раванди тақрибан 0,4 сонияи ҳаракат дар рӯи релс кофӣ нест.

Аз ин рӯ таҳлили муфассали миқдории динамикии мақола ба сабтҳои 100 Hz-и N2 ва N3 такя мекунад. N1 бештар барои тасдиқи сифатии рафтори умумӣ истифода шудааст.

Назорати азимут дар се партоб то чӣ андоза муваффақ буд?

Хатои азимути ҳадаф дар лаҳзаи оташдиҳӣ дар ҳамаи се таҷриба ба таври мутлақ аз 7° камтар монд. Дар N1 хато −3,2°, дар N2 +6,6° ва дар N3 −2,0° аст.

Бо вуҷуди ин, ибораи “дар ҳудуди 7°” набояд ба тамоми фосилаи болоравии озод умумӣ карда шавад. Хатои максималии ҳисобшудаи N2 аз озодшавии tether то ҷудошавӣ аз релс 8,3° аст.

Хатоҳои максималӣ ва RMS-и азимут чӣ буданд?

Кунҷи pitch-up-и N1 ба сабаби намунагирии 10 Hz арзёбӣ нашудааст. Ин ҳолат дар Table 3 ба таври равшан ҳамчун N/A нишон дода шудааст.

Чаро roll ва yaw якҷоя меларзанд?

Дар ченкуниҳои N2 ва N3 кунҷҳои roll ва yaw ларзишҳои синхронеро нишон доданд, ки дар як вақт ба қулла мерасиданд. Дар аввал ин тағйири yaw метавонад ҳамчун ларзиши самти воқеии азимут тафсир шавад.

Вақте ки муҳаққиқон ченкуниҳои сенсори релсро ба системаи координатаи бо релс ҳамоҳангшудаи \(x_r y z_r\) табдил доданд, нишон доданд, ки ларзиш дар \(x_r\), яъне дар самти roll дар гирди меҳвари релс ҷойгир аст; дар самти yaw-и воқеии \(z_r\) ҳамин ларзиш дида намешавад.

Манбаъ инро ҳамчун ҳаракати гардишии ҷисми сахт тафсир мекунад, ки аз он ба вуҷуд омадааст, ки меҳвари асосии дорои хурдтарин моменти инерсияи партобгар тақрибан бо самти релс ҳаммеҳвар аст. Аз ин рӯ ба хулоса меояд, ки coupling-и мушоҳидашудаи roll–yaw ларзиши воқеии азимут нест, ки самти партоби ракетаҳоро бо ҳамон бузургӣ тағйир диҳад.

Оё сохтори партобгар хам шуда метавонад?

Дар партоби сеюм сабтҳои pitch, yaw ва roll-и сенсори релс бо сенсори болои CMG муқоиса шуданд. Хатҳои ду сенсор умуман ба ҳамдигар параллел ва наздик пеш рафтанд.

Вақте ки ракета дар тақрибан 0,4 сония аз релс ҷудо шуд, дар кунҷи интегралшудаи сенсори релс, махсусан дар меҳвари yaw, offset-и собити тақрибан 7° пайдо шуд. Муаллифон изҳор мекунанд, ки ин на деформатсияи физикии сохтор, балки хатое мебошад, ки ҳангоми озодшавии ногаҳонии бор дар интегратсияи суръати кунҷӣ ба вуҷуд омадааст. Параллел мондани суръатҳои кунҷии релс ва CMG баъдан ва набудани деформатсияи доимӣ дар сохтор пас аз таҷриба ин тафсирро дастгирӣ мекунад.

Чаро ҳангоми оташдиҳӣ pitch-up ба вуҷуд меояд?

Пас аз оташ гирифтани муҳаррики ракета, дастгоҳ тақрибан 0,4 сония дар рӯи релси партоб меғеҷад. Дар ин вақт соиши байни ракета ва релс, махсусан агар меҳвари тягаи муҳаррик пурра бо самти релс ҳамхати набошад, метавонад дар партобгар моменти pitch ба вуҷуд оварад.

Дар N2 3,2° pitch-up ва дар N3 тақрибан 1° чен карда шуд. Муҳаққиқон бар асоси моделҳои механикии пешинаи худ pitch-up-и 3,2°-и N2-ро бо thrust misalignment-и тақрибан 1,9° шарҳ медиҳанд.

Ин арзиши 1,9° thrust misalignment-и мустақим ченшуда нест. Ин хулоса аз ҳаракати ченшудаи pitch-up ва модели пешина бароварда шудааст.

Чаро модели думаятникӣ истифода мешавад?

Системае, ки аз балон ба поён овезон аст, аз як массаи нуқтавӣ иборат нест. Сими болоии овезон дараҷаи якуми озодии ҳаракатро ба вуҷуд меорад, дар ҳоле ки ҷисми дарози партобгар бо тақсимоти масса ва моменти инерсияи худ дараҷаи дуюми озодии ҳаракатро ташкил медиҳад. Аз ин рӯ система ба ҷои як маятник сохтори думаятникии думодалӣ нишон медиҳад.

Шакли 2-и саҳифаи 4-и манбаъ модели содашударо бо сими овезони беван ва чӯби сахт нишон медиҳад. Аз муодилаҳои Euler–Lagrange ду басомади хусусӣ ба даст оварда мешаванд.

Басомадҳои хусусии модел дар манбаъ чунин ифода шудаанд:

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

Ду ҳал \(\omega_1\) ва \(\omega_2\) мутаносибан басомадҳои хусусии модули якум ва дуюмро ифода мекунанд.

Нисбати байни ду амплитудаи кунҷии шакли мод чунин таъриф шудааст:

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

Дар ҳолати баста FFT чӣ нишон дод?

Пеш аз партоби дуюм, вақте ки балон бо tether дар ҳолати собит буд, ба сабти 10-сонияии вазъ FFT татбиқ шуд. Дар ҳар ду меҳвари pitch ва релс ду қуллаи басомади равшан дида шуд; ин натиҷа ифода шудани системаро бо модели думаятникӣ дастгирӣ кард.

Дар Figure 13 дар ҳолати tethered басомади таҷрибавии модули якум 0,197 Hz ва басомади модули дуюм 0,886 Hz дода шудааст.

Оё дар болоравии озод модули якум воқеан аз байн рафт?

Маълумоти мавҷуда инро қатъӣ нишон намедиҳад. Азбаски болоравии озод танҳо тақрибан ҳафт сония давом кард ва таҳлили FFT равзанаи тақрибан панҷсонияиро истифода кард, басомадҳои зери тақрибан 0,2 Hz ҳал карда намешаванд.

Дар болоравии озод дар банди ченшаванда модули якум дида нашуд; аммо манбаъ ду тавзеҳи эҳтимолии онро ҷудо мекунад: мод воқеан гум шуда бошад ё ба ҳаракати дароздаврии тамоми системаи балон–партобгар табдил ёфта, ба зери 0,2 Hz кӯчида бошад.

Аз ин рӯ хулосаи қатъии “парвози озод модули якумро аз байн бурд” аз ҷониби манбаъ дастгирӣ намешавад. Таҷрибаи дарозмуддати балони озод зарур аст.

Модели думаятникӣ басомадҳоро то чӣ андоза дуруст пешбинӣ кард?

Figure 13-и саҳифаи 14-и таҳқиқот басомадҳои таҷрибавиро бо модели истифодакунандаи геометрияи мустақим ченшуда ва модели fitted-\(l_2\) муқоиса мекунад.

Барои модули якуми tethered арзишҳои 0,197 ва 0,201 Hz дар ҳудуди фарқи тақрибан %2 мебошанд. Дар модули дуюм бошад модели геометрии мустақим ба таври равшан паст мемонад.

Чаро бояд арзиши l₂ калон карда шавад?

Дар модел \(l_2\) масофаи геометрӣ аз нуқтаи овезиши партобгар то маркази массаи он аст. Арзиши ченшуда пеш аз партоби ракета 0,483 m ва пас аз ҷудошавии ракета 0,378 m аст.

Барои наздик кардани модули дуюм ба басомади таҷрибавӣ fitted \(l_2\) дар ҳолати tethered 0,90 m ва дар болоравии озод 0,55 m истифода шуд. Инҳо тақрибан 1,9 ва 1,5 маротибаи дарозиҳои ченшуда мебошанд.

Муҳаққиқон ин афзоишро ҳамчун дароз шудани физикии партобгари воқеӣ тафсир намекунанд. Fitted \(l_2\) параметри самаранок аст, ки таъсири динамикии он чизро ифода мекунад, ки пайвастҳои чор сими овезон дар зери балон мисли pivot-и идеалии собит сахт нестанд.

Натиҷаҳое, ки таҳқиқот дастгирӣ мекунад

• Системаи назорати азимут дар асоси CMG ҳангоми болоравии озоди тақрибан ҳафтсонияии балон кор карда тавонист.
• Дар ҳамаи се партоби физикии ракета арзиши мутлақи хатои азимут дар лаҳзаи оташдиҳӣ аз 7° камтар монд.
• Дар N2 ва N3 бо маълумоти вазъи 100 Hz болоравии озоди балон ва динамикаи ҷудошавӣ аз релс чен карда шуд.
• Ларзиши ҳамзамоне, ки дар сабтҳои roll ва yaw дида шуд, дар системаи координатаи ба меҳвари релс табдилёфта асосан бо ҳаракати roll дар гирди релс шарҳ дода шуд.
• Ҳангоми ҳаракати ракета дар рӯи релс рафтори pitch-up дубора мушоҳида шуд.
• Дар ҳолати tethered басомади модули якуми модели думаятникӣ арзиши таҷрибавиро дар ҳудуди тақрибан %2 дубора ҳосил кард.
• Барои расидан ба басомади таҷрибавии модули дуюм арзишҳои самараноки калонтарини \(l_2\), ки шарти ҳаддии нарми овезиши балонро ифода мекунанд, лозим шуданд.
• Дар болоравии озод модули якум дар банди FFT-и ченшавандаи 0,2 Hz ва боло дида нашуд.

Натиҷаҳое, ки таҳқиқот дастгирӣ ё санҷиш намекунад

• Таҷриба партоби амалиётии rockoon-ро аз баландии стратосферӣ тасдиқ накардааст.
• Кашиши аэродинамикӣ ё афзоиши иҷрои муҳаррики ракета дар баландии 20 km дар ин таҷриба чен нашудааст.
• Назорати азимути CMG ҳамчун алгоритми назорати автономии ҳалқаи баста санҷида нашудааст; система бо идоракунии радиоӣ дастӣ самт дода шудааст.
• Аз се таҷриба барои ҳама шароити обу ҳаво ё системаҳои пуррамиқёси rockoon дақиқии умумии азимут бароварда намешавад.
• Нишон дода нашудааст, ки хатои азимут дар тамоми фосилаи озодкунӣ–ҷудошавӣ аз релс ҳамеша аз 7° камтар монд; хатои максималии N2 8,3° аст.
• Исбот нашудааст, ки ҳангоми болоравии озод модули якуми маятник аз ҷиҳати физикӣ комилан аз байн рафтааст; мод метавонад ба зери 0,2 Hz кӯчида бошад.
• Арзишҳои fitted \(l_2\) ченкунии физикии дарозии воқеии сим ё сохтор нестанд.
• Thrust misalignment-и тақрибан 1,9°, ки барои N2 бароварда шудааст, хусусияти мустақим ченшудаи муҳаррик нест.
• Ҷойгир кардани бор ба мадор, orbital injection accuracy ё амнияти воқеии амалиётии парвоз бо ин се таҷрибаи пастбаландӣ тасдиқ нашудааст.
• Ҳаракати маятникии пастбасомад дар парвози дарозмуддати балони озод чен нашудааст.

Усул ва Натиҷаҳои Таҳқиқот

Мантиқи асосии тарҳи таҷриба

Таҷриба бо он ки партобгар аввал ба замин баста ва баъдан дар овезиши кӯтоҳмуддати балони озод қарор гирад, тағйири шарти ҳаддиро мустақиман дар ҳамон система ба вуҷуд овард. Ҳамин тавр фарқи байни pivot-и болоии собит дар таҷрибаи кран ва ҳадди болоии ҳаракаткунанда дар овезиши воқеии балон баррасӣ шуд.

Оташдиҳии ракета тақрибан се сония баъд аз озод шудани симҳои tether анҷом дода шуд; пас аз партоб симҳо дубора нигоҳ дошта шуданд ва болоравии озод бо тақрибан ҳафт сония маҳдуд гардид.

Параметрҳои CMG ва ҳадди назорат

Моменти инерсияи ҳар чархи momentum-и CMG \(3,286\times10^{-3}\) kg·m² ва суръати номиналии он тақрибан 1290 rpm аст. Ҳаракати gimbal то ±90° имконпазир аст. Ба сабаби узви \(\cos\theta\) дар муодилаи назариявии момент, дар кунҷи gimbal-и 90° система ба ҳолати saturation мерасад.

Ин таҳқиқот коэффициентҳои назорати ҳалқаи баста ё алгоритми худкори пайгирии ҳадафи CMG-ро арзёбӣ накардааст; он салоҳияти назорати механикиеро, ки оператори инсон тавассути радио идора мекунад, ба таври таҷрибавӣ санҷидааст.

Табдили координатаи сенсор

Азбаски сенсорҳои релс ва ракета нисбат ба уфуқ 60° моил буданд, ҷузъҳои ченшудаи \(x_r\) ва \(z_r\) ба системаи координатаи сенсори CMG табдил дода шуданд:

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

Дар ин ҷо \(\theta_e=60^\circ\) кунҷи болоравии релси партоб аст. Суръатҳои кунҷии табдилшуда баъд бо ислоҳи bias интеграл карда шуда, кунҷҳои вазъ ба даст оварда шуданд.

Рафтори ракета дар партоби дуюм

Шитоби транслатсионии ракетаи N2 ҳангоми сӯхтани муҳаррик аз ҳадди сенсори ±40 m/s² гузашт. Пас аз сӯхтани муҳаррик шитоб дубора ба доираи ченкунӣ баргашт ва ракета тақрибан дар 7,9–8,0 сония ба замин расид.

Сабтҳои вазъ нишон медиҳанд, ки ракета пас аз ҷудошавӣ аз релс бо суръати roll-и тақрибан собит давр зад ва мувофиқи мушоҳидаи манбаъ бе инҳирофи муҳими самт парвоз кард. Ин натиҷа танҳо бо парвози ракетаи моделии пастбаландӣ маҳдуд аст.

Лаҳзаи ҷудошавӣ аз релс

Дар N2 ракета тақрибан 0,4 сония пас аз оташдиҳӣ аз нӯги релс ҷудо шуд. Ҳангоми ҳаракат дар рӯи релс pitch-up мушоҳида гардид; дар лаҳзаи ҷудошавӣ гум шудани ногаҳонии масса дар вазъи партобгар халали муваққатӣ ба вуҷуд овард.

Дар тақрибан сонияи ҳафтум дубора боздоштани болоравии балон аз тарафи симҳои tether дар вазъи партобгар таъсири дуюми халалдори равшан эҷод кард. Ин бахш фарқи байни динамикаи воқеии балони озод ва дубора барқарор шудани пайвасти заминиро дар ченкунӣ намоён мекунад.

Натиҷаи миқдории назорати азимут

Хатоҳои N1 дар озодкунӣ, оташдиҳӣ ва ҷудошавӣ аз релс мутаносибан −5,4°, −3,2° ва −4,8° мебошанд. Барои N2 ҳамин арзишҳо +0,2°, +6,6° ва +2,7°; барои N3 +1,4°, −2,0° ва +0,2° мебошанд.

Бузургии мутлақи ҳамаи се арзиши оташдиҳӣ аз 7° камтар аст. Бузургтар будани тағйири азимути N2 пеш аз оташдиҳӣ нисбат ба ду санҷиши дигар нишон медиҳад, ки система дар тамоми вақт дар долони собити ±7° набуд.

Тафсири ченкунии pitch-up

Манбаъ таъсири соиши релсро ба pitch-up бо кунҷи thrust misalignment-и муҳаррик мепайвандад. Дар кори пешина барои thrust misalignment-и ±1,5° диапазони pitch-up тақрибан аз −0,5° то +2,5° интизор шуда буд.

Аз натиҷаи pitch-up-и 3,2° дар N2 thrust misalignment-и тақрибан 1,9° бароварда шудааст. Ин арзиш тавзеҳи эҳтимолии марбут ба таҳаммулпазирии истеҳсол аст; меҳвари воқеии тягаи муҳаррик бо системаи мустақили ченкунӣ чен нашудааст.

FFT ва ҳадди ҳалли равзанаи ченкунӣ

Азбаски таҳлили tethered равзанаи 10-сонияиро истифода кард, ҷузъҳои басомад дар сатҳи тақрибан 0,1 Hz фарқ карда мешаванд. Равзанаи парвози озод танҳо панҷ сония аст; аз ин рӯ ҳалли асосии басомад тақрибан 0,2 Hz мебошад.

Бинобар ин модули якуми тақрибан 0,15 Hz, ки модели парвози озод пешбинӣ мекунад, аз банде пасттар аст, ки равзанаи FFT-и таҷриба мустақиман ҳал карда метавонад. Сабаби асосии ибораи манбаъ, ки “модули якум дар банди ченшаванда дида нашуд”, ҳамин аст.

Фарқи модел дар модули дуюм

Дар ҳолати tethered, вақте ки модули дуюми таҷрибавӣ 0,886 Hz буд, модели асосёфта ба геометрияи ченшуда 0,628 Hz истеҳсол кард. Манбаъ ин фарқро тақрибан %29 ифода мекунад.

Дар болоравии озод модули дуюм 0,787 Hz чен шуд; модели геометриябунёд 0,649 Hz дод. Ин фарқ тақрибан %18 аст.

Ҳангоми истифодаи дарозии самараноки fitted мутаносибан 0,885 Hz ва 0,789 Hz ба даст омад ва модули дуюми таҷрибавӣ дар ҳудуди тақрибан %1 дубора ҳосил шуд.

Чаро ин натиҷа муҳим аст?

Фарқи басомад нишон медиҳад, ки татбиқи мустақими модели механикии аз кран ё аз як нуқтаи идеалӣ овезон ба системаи воқеии балон метавонад кофӣ набошад. Чор сим, чорчӯба ва нуқтаҳои пайваст дар зери балон бо озодии ҳаракати маҳдуди худ метавонанд шартҳои ҳаддии самараноки системаро тағйир диҳанд.

Аз ин рӯ дар системаҳои ояндаи rockoon мумкин аст ба ҷои истифодаи танҳо массаи партобгар ва дарозиҳои геометрии овезиш, чандирии динамикии пайвасти балон–чорчӯба–овезиш ва рафтори pivot-и самаранок низ модел карда шавад. Таҳқиқот барои ин ниёз маълумоти таҷрибавӣ медиҳад; модели пуррамиқёси тарҳ ҳанӯз тасдиқ нашудааст.

Қувватҳои асосии таҳқиқот

Таҳқиқот партобгари CMG-ро, ки қаблан дар кран санҷида шуда буд, ба овезиши воқеии балони озодболораванда гузаронда, назорат ва динамикаи маятникро дар партобҳои физикӣ арзёбӣ кард. Сенсорҳои инерсия дар се нуқтаи гуногун имкони муқоисаи рафтори ҷисми сахти партобгар ва ҳаракати ракетаро фароҳам оварданд. Муқоисаи мустақими басомадҳои хусусии ченшуда бо модели аналитикии думаятникӣ низ берун аз як гузориши танҳо мушоҳидавии парвоз тасдиқи миқдории динамикӣ медиҳад.

Маҳдудиятҳои асосии таҳқиқот

Бузургтарин маҳдудият ин аст, ки танҳо се партоб анҷом дода шудааст. Болоравии озод дар ҳар таҷриба тақрибан ҳафт сония буд ва дар N2 ва N3 як қисми маълумоти сенсор гум шуд. Суръати намунагирии 10 Hz-и N1 барои ҳал кардани динамикаи муфассали launch-rail кофӣ нест. Панҷсонияӣ будани равзанаи FFT-и парвози озод арзёбии рафтори модули якумро дар зери 0,2 Hz номумкин кард.

Таҷриба дар баландии паст анҷом дода шудааст; бодҳои стратосферӣ, зичии бисёр пасти атмосфера, ҳаракатҳои дарозмуддати балон, ҳароратҳои баландбаландӣ, массаи ракетаи пуррамиқёс ва динамикаи миссияи мадорӣ дар доираи ин таҳқиқот нестанд.

Дар таҳқиқоти оянда чӣ бояд анҷом дода шавад?

Равшантарин ниёзи кори оянда дар манбаъ дароз кардани муддати парвози озоди балон аст. Сабти дарозтар имкон медиҳад муайян шавад, ки модули якуми зери 0,2 Hz воқеан ба кадом басомад кӯчидааст ва ҳаракати пастбасомади тамоми системаи балон–партобгар ҷудо карда шавад.

Шумораи бештари партобҳо, телеметрияи пурраи сенсор ва парвози озоди дарозтар барои муайян кардани тақсимоти омории хатои азимут низ заруранд. Се таҷрибаи мавҷуда барои аз ҷиҳати оморӣ исбот кардани дақиқии ҳадаф ё эътимоднокии як системаи амалиётии rockoon кофӣ нест.

Ёддошт оид ба Манбаъ ва Усул

Номи пурраи кори аслӣ: Rockoon Launch Experiment with Azimuth Angle Control

Муаллифон: Tadayoshi Shoyama; Yutaka Wada; Shobu Oda.

Тартиби муаллифон: Тартиби аслӣ дар манбаъ ҳамон тавр нигоҳ дошта шудааст.

Саҳми баробар/муаллифи аввали баробар: Дар манбаъ зикр нашудааст.

Муаллифи масъул: Tadayoshi Shoyama.

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

Навъи манбаъ: Мақолаи таҳқиқотии таҷрибавии рецензияшуда. Он се партоби физикии ракетаи моделӣ, овезиши балони озодболораванда, назорати азимути CMG, бозсозии вазъ дар асоси гироскоп ва муқоисаи модели динамикии думаятникиро дар бар мегирад.

Маҷалла: Aerospace

Ношир: MDPI

Ҷилд / шумора / рақами мақола: 13(8), 709

Санаи нашр: 7 Август 2026

DOI: 10.3390/aerospace13080709

Пайванди расмии нашр: https://www.mdpi.com/2226-4310/13/8/709

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

Вазъи рецензия: Таҳқиқот мақолаи таҳқиқотиест, ки дар маҷаллаи рецензияшудаи Aerospace нашр шудааст.

Литсензия: Литсензияи дастрасии кушоди Creative Commons Attribution (CC BY).

Маблағгузорӣ: Таҳқиқот дар доираи Innovation Creation Platform Program (“Fukushima Tech Create”), ки аз ҷониби Fukushima Innovation Coast Framework Promotion Organization иҷро мешавад, бо лоиҳаи “Demonstration experiment of air-launching a micro rocket using a plastic balloon” дастгирӣ шудааст; рақами огоҳӣ 4-Fuku-I-333 мебошад.

Дастрасии маълумот: Маълумоти таҳқиқот ба сабаби маҳдудиятҳои тиҷоратӣ дар анбори маълумоти кушод нашр нашудааст. Манбаъ қайд мекунад, ки маълумот метавонад аз муаллифи масъул бо дархост ва бо шарти non-disclosure agreement мубодила шавад.

Маводи иловагӣ: Манбаъ Video S1-ро ҳамчун маводи иловагӣ, ки рафтори партоби сеюми rockoon-ро нишон медиҳад, зикр мекунад.

Ихтилофи манфиатҳо: Tadayoshi Shoyama ва Yutaka Wada бо AstroX Inc., ки rockoon launch services таҳия мекунад, вобастаанд. Манбаъ ин робитаи тиҷоратиро ошкоро изҳор мекунад. Барои муаллифи дигар робитаи тиҷоратӣ ё молиявие, ки метавонад ба таҳқиқот таъсир расонад, гузориш нашудааст.

Саҳмҳои муаллифон: Консептуализатсия Tadayoshi Shoyama ва Yutaka Wada; методология Yutaka Wada ва Tadayoshi Shoyama; таҳқиқ, таҳлили расмӣ ва курасияи маълумот Tadayoshi Shoyama; нусхаи аввал Tadayoshi Shoyama; бозбинӣ ва таҳрир Yutaka Wada; назорат ва идоракунии лоиҳа Yutaka Wada ва Shobu Oda; дарёфти маблағгузорӣ аз ҷониби Shobu Oda анҷом дода шудааст.

Ҳадди таҷрибаи пастбаландӣ: Дар муқаддимаи мақола бартариҳои атмосферие баррасӣ мешаванд, ки системаҳои stratospheric rockoon дар баландии тақрибан 20 km дода метавонанд. Аммо таҷрибаи мавҷуда зери 150 m анҷом дода шудааст ва болоравии озод тақрибан ҳафт сония аст. Verianla ин ду миқёсро бо ҳам омехта намекунад.

Ҳадди системаи назорат: Манбаъ системаи асосёфта ба CMG-ро “active azimuth control” меномад; аммо CMG дар таҷриба бо идоракунии радиоӣ дастӣ кор карда шудааст. Таҳқиқот тасдиқи алгоритми назорати азимути автономӣ ё ҳалқаи баста нест.

Ёддошти фарогирӣ барои натиҷаи азимути 7°: Дар се таҷриба хатоҳо дар лаҳзаи оташдиҳӣ −3,2°, +6,6° ва −2,0° мебошанд ва арзишҳои мутлақи онҳо аз 7° камтаранд. Хатои максималӣ аз озодкунӣ то ҷудошавӣ аз релс бошад дар N2 8,3° аст. Аз ин рӯ натиҷаи 7° танҳо ҳамчун натиҷаи лаҳзаи оташдиҳӣ пешниҳод шудааст.

Ҳадди намунагирӣ ва гум шудани маълумот: N1 бо 10 Hz чен карда шуд ва манбаъ онро барои рафтори муфассали вазъ нокофӣ донист. N2 ва N3 аз ченкуниҳои 100 Hz истифода карданд; аммо дар N2 сенсори CMG ва дар N3 сенсори ракета ба сабаби вайронӣ маълумотро аз даст доданд. Аз ин рӯ андозаи намунаи хулосаҳои динамикии миқдорӣ маҳдуд аст.

Ҳадди басомади модули якум: Таҳлили FFT-и болоравии озод бо равзанаи панҷсонияӣ анҷом дода шуд. Аз ин рӯ басомадҳои зери тақрибан 0,2 Hz ҳал карда намешаванд. Таҳқиқот нишон медиҳад, ки модули якум дар банди ченшаванда дида нашуд; он исбот намекунад, ки мод аз ҷиҳати физикӣ комилан аз байн рафтааст.

Тафсири l₂-и самаранок: Барои дубора ҳосил кардани басомади модули дуюм дар ҳолати tethered 0,90 m ва дар болоравии озод 0,55 m fitted \(l_2\) истифода шуд. Инҳо ченкуниҳои нави дарозии физикии овезиш нестанд, балки параметрҳои моделие мебошанд, ки таъсири маҳдудияти овезиши нарми балонро ифода мекунанд.

Тафсири pitch-up: Арзиши thrust misalignment-и тақрибан 1,9°, ки аз pitch-up-и 3,2° дар N2 пешниҳод шудааст, хулосаи моделбунёд аст; меҳвари муҳаррик мустақиман чен нашудааст.

Ҳадди илмӣ: Таҳқиқот рафтори динамикии овезиши балони озод ва назорати дастии азимути CMG-ро дар се партоби пастбаландии ракетаи моделӣ меомӯзад. Натиҷаҳо тасдиқи rockoon-и стратосферии пуррамиқёс, партоби мадорӣ, trajectory accuracy-и амалиётӣ ё эътимоднокии дарозмуддати парвоз нестанд.

Усули истеҳсоли муҳтаво: Шароити таҷриба, муодилаҳо, параметрҳои партоб, натиҷаҳои сенсор, хатоҳои азимут, арзишҳои басомад ва ҳадҳои илмӣ дар ин шарҳи Verianla ба таҳқиқоти манбаъи баррасишуда асос ёфтаанд. Санҷиши берунаи библиографӣ танҳо барои тасдиқи ҳувияти таҳқиқот, сабти расмии нашр ва вазъи рецензия истифода шудааст; аз манбаъҳои беруна иҷрои нави парвоз ё натиҷаи rockoon, ки дар манбаъ вуҷуд надорад, ба матни асосӣ илова нашудааст.