Ushbu tadqiqot geliy sharining ostida osilgan relsli uchirgichdan raketa yoqib uchiriladigan “rockoon” tizimida azimut yo‘nalishini Control Moment Gyroscope (CMG) yordamida boshqarish mumkin-mumkin emasligini va erkin ko‘tarilish paytida uchirgichning holat dinamikasi qanday o‘zgarishini tajribaviy o‘rganadi. Tadqiqotchilar uchta fizik model raketa uchirilishini amalga oshirgan, sharning tether bog‘lanishlarini vaqtincha bo‘shatib taxminan yetti soniyalik erkin ko‘tarilish hosil qilgan va raketani shu jarayon davomida 60° qiyalikdagi uch metrlik relsdan yoqqan. Uch uchirishda yoqish onidagi azimut xatolari nishonga nisbatan mos ravishda −3,2°, +6,6° va −2,0° bo‘lgan; shu sababli yoqish onidagi mutlaq xato barcha tajribalarda 7° dan past qolgan. Biroq N2 uchirishida bo‘shatishdan relsdan ajralishgacha bo‘lgan oraliqda maksimal azimut xatosi 8,3° ga yetgan.

Tajriba haqiqiy stratosferik rockoon vazifasi emas. Ishlatilgan plastik geliy sharining diametri 4,5 m va u taxminan 493 N sof ko‘tarish kuchi beradi. Tizim bo‘shatilganda taxminan 1,3 m/s tezlikda ko‘tarilgan, ammo 36,9 m tether tizimi sababli erkin ko‘tarilish taxminan yetti soniya bilan cheklangan. Shar va raketaning maksimal balandligi tajriba davomida 150 metrdan pastda ushlab turilgan. Tadqiqotning maqsadi yuqori balandlik ishlashini ko‘rsatishdan ko‘ra, yer bog‘lanishi vaqtincha olib tashlangan real shar osmasida uchirgich holati va CMG azimut boshqaruvi xatti-harakatini o‘lchashdir.

Uchirgichda roll va yaw o‘qlarida bir vaqtdagi tebranishlar kuzatilgan. Koordinata tizimi uchirish relsining asosiy inertsiya o‘qlariga o‘tkazilganda bu xatti-harakat haqiqiy azimut og‘ishidan ko‘ra rels o‘qi atrofidagi aylanish tebranishi ekani ko‘ringan. Shu sababli tadqiqotchilar roll–yaw bog‘lanishi raketaning uchirish yo‘nalishiga muhim hissa qo‘shmaydi, deb baholaydi. Bunga qarshi, raketa rels ustida harakatlanayotganida ishqalanish bilan bog‘liq pitch-up ta’siri o‘lchangan; N2 uchirishida 3,2°, N3 da taxminan 1° pitch-up qayd etilgan.

Ikki mayatnik modelining chastota tahlili bog‘langan holatda o‘lchangan birinchi modni taxminan %2 aniqlik bilan qayta hosil qilgan. Ikkinchi modda esa bevosita o‘lchangan geometriyadan foydalangan model tethered holatda o‘lchangan chastotani taxminan %29, erkin ko‘tarilishda esa taxminan %18 past baholagan. Samarali \(l_2\) uzunligi fitting parametri sifatida kattalashtirilganda ikkinchi mod taxminan %1 ichida qayta hosil qilina olgan. Mualliflar bu samarali uzunlik ortishini shar ostida ishlatilgan to‘rtta osma simning ulanish nuqtalari kran ilgagiga nisbatan yumshoqroq cheklov hosil qilishi bilan bog‘laydi.

Turkiya nuqtayi nazaridan: Tadqiqot Turkiyadagi universitetlar va tadqiqot guruhlari shar asosidagi atmosferik tajriba platformalari, kichik raketalar, osma yuk boshqaruvi yoki yuqori balandlik uchirish texnologiyalari bo‘yicha amalga oshirishi mumkin bo‘lgan tadqiqotlar uchun foydali tajribaviy metod namunasi beradi. Ayniqsa shar–uchirgich mexanik bog‘lanishini azimut boshqaruvi bilan pitch va mayatnik harakatlaridan alohida baholash kerakligini ko‘rsatadi. Ammo ushbu maqoladagi uchta past balandlik tajribasi Turkiyadagi haqiqiy yuqori balandlik rockoon operatsiyasining parvoz xavfsizligi, trayektoriya aniqligi, havo hududi mosligi yoki sertifikatsiya talablarini tasdiqlamaydi; bular alohida real vazifa miqyosida o‘rganilishi kerak.

Rockoon nima va nega raketa shardan uchiriladi?

“Rockoon” inglizcha rocket va balloon so‘zlarining birikmasidan hosil bo‘lgan va raketa shardan uchiriladigan tizimni bildiruvchi atamadir. Tadqiqotning kirish qismiga ko‘ra, rockoon yondashuvining asosiy maqsadi raketani atmosfera siyrakroq va bosim pastroq bo‘lgan yuqori balandlikka olib chiqib, aerodinamik qarshilikni, atmosferik bosim yo‘qotishini va yerdan uchirishdagi ayrim gravitatsion yo‘qotishlarni kamaytirishdir.

Manba taxminan 20 km balandlikda atmosfera zichligi dengiz sathining taxminan %7 qismi ekanini bildiradi. Bu fizik ustunlik haqiqiy rockoon tizimlarining motivatsiyasini tushuntiradi; ammo mavjud tajriba 20 km da bajarilmagan. Tadqiqotdagi fizik uchirishlar 150 metrdan pastda qilingan dinamika va boshqaruv tasdig‘idir.

Bu tadqiqot oldingi kran tajribasidan qanday farq qiladi?

Tadqiqot guruhi avval xuddi shu asosiy CMG boshqaruvli relsli uchirgichni shar o‘rniga krandan osib sinagan edi. Kran tajribasida yuqori osma nuqtasi taxminan sobit bo‘lgani uchun tizim klassik mayatnik kabi harakat qilgan. Haqiqiy rockoon tizimida esa sharning o‘zi harakatlanishi mumkin va osma nuqtaning dinamik cheklovi o‘zgaradi.

Yangi tadqiqotning asosiy hissasi to‘rtta tether simining vaqtincha bo‘shatilishi orqali shar va uchirgichning haqiqatan erkin ko‘tarilishiga ruxsat berilishi va raketaning aynan shu sharoitda yoqilishidir. Shu tariqa sobit kran ilgagi yoki yerga bog‘langan shar ta’minlay olmaydigan yumshoqroq osma chegaraviy sharti tajribaviy o‘rganilgan.

CMG azimut boshqaruvi qanday ishlaydi?

Control Moment Gyroscope — aylanayotgan momentum g‘ildiragining burchak impulsi yo‘nalishini o‘zgartirish orqali tuzilishga moment uzata oladigan giroskopik tizim. Tadqiqotning 4-sahifasidagi Shakl 1 da ishlatilgan qurilmada gorizontal qo‘lning ikki uchida bir-biriga qarama-qarshi yo‘nalishda aylanadigan ikki momentum g‘ildiragi bor. G‘ildirak o‘qlari gimbal mexanizmi bilan qiyshaytirilganda vertikal burchak impulsi komponentlari bir xil yo‘nalishda jamlanadi va uchirgich buning teskari yo‘nalishida azimut harakati qiladi.

Manbada uchirgichning burchak tezligi:

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

shaklida ifodalanadi. Bu yerda \(I_d\) bitta CMG rotorining inertsiya momentini, \(I_L\) uchirgichning vertikal o‘q atrofidagi inertsiya momentini, \(\omega\) momentum g‘ildiragining aylanish tezligini va \(\theta\) gimbal qiyalik burchagini bildiradi.

Uchirgichga qo‘llanadigan azimut momenti esa:

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

munosabati bilan beriladi. Tenglama \(\theta=90^\circ\) bo‘lganda \(\cos\theta=0\) sababli gimbal harakati qo‘shimcha azimut momenti hosil qila olmasligini ko‘rsatadi. Manba bu holatni CMG saturation deb ta’riflaydi.

Tajribada CMG g‘ildiraklarining burchak tezligi 135 rad/s, ya’ni taxminan 1290 rpm. Har bir rotorning inertsiya momenti \(3,286\times10^{-3}\) kg·m², uchirgichning vertikal o‘q inertsiya momenti esa 1,223 kg·m² sifatida berilgan.

“Faol azimut boshqaruvi” avtonom boshqaruv deganimi?

Yo‘q. Tadqiqotda mexanik jihatdan faol CMG boshqaruv tizimi ishlatilgan bo‘lsa-da, azimut buyrug‘i yopiq konturli avtonom parvoz kompyuteri tomonidan berilmagan. Uchirgich operatorning radio boshqaruvi orqali CMGni qo‘lda yo‘naltirishi bilan nishon azimutiga burilgan.

N1 uchirishining nishoni magnit 265°, N2 va N3 nishoni magnit 180° sifatida belgilangan. Tether simlari bo‘shatilgandan keyin ham operator yoqishgacha CMG tizimini yo‘naltirishda davom etgan.

Shar va osma tizim qanday tuzilgan?

Tadqiqotning 5-sahifasidagi Shakl 3 tajribada ishlatilgan real rockoon tartibini ko‘rsatadi. Geliy bilan to‘ldirilgan plastik sharning diametri 4,5 m. Sharning ostida kvadrat shaklli qattiq ramka, uning ostida to‘rtta osma sim va undan pastroqda CMG bilan relsli uchirgich joylashgan.

CMGning yuqori ulanishida swivel ishlatilgan; shu tariqa azimut yo‘nalishida sharning o‘zini aylantirmasdan uchirgichning aylanishiga ruxsat berilgan.

Uchirish qanday amalga oshirildi?

Shar dastlab to‘rtta tether simi bilan yerga bog‘lab turilgan. Operator CMG tizimidan foydalanib uchirgichni nishon azimutiga yo‘naltirgan, havo va yer xavfsizligi vizual tasdiqlangandan so‘ng to‘rtta tether bir vaqtda bo‘shatilgan.

Shar va uchirgich erkin ko‘tarila boshlaganidan taxminan uch soniya keyin raketa motorining yoqish tizimi masofadan ishga tushirilgan. Rocket relsdan chiqqach tether simlari qayta ushlanib, sharning ko‘tarilishi to‘xtatilgan. Shu sababli real erkin ko‘tarilish faqat taxminan yetti soniya davom etgan.

Tajriba haqiqiy yuqori balandlik rockoon uchirishimi edi?

Yo‘q. Tadqiqot savoli yuqori balandlikdagi motor ishlashini emas, erkin shar osmasining uchirgich holatiga ta’sirini o‘rganadi.

Tajriba maydonida tether tizimi sharning balandligini 150 metrdan pastda cheklagan va raketaning apogeyi ham 150 metrdan pastda qolgan. Manba bu sharoitlarda tajriba uchun Yaponiya aviatsiya idorasidan alohida ruxsat yoki bildirish talab qilinmaganini bildiradi.

Shu sababli tadqiqot kirishida bayon qilingan taxminan 20 km balandlikka xos zichlik va motor afzalliklari tajribaning o‘zida tasdiqlangan ishlash natijalari emas; haqiqiy rockoon tizimlarining nazariy/amaliy motivatsiyasidir.

Qaysi raketa ishlatildi?

Tajribada uchta alohida Spitfire PML 30385 model raketa korpusi ishlatilgan. Raketaning diametri 76 mm, balandligi 1288 mm va massasi 1,16 kg. G69N-P motorining o‘rtacha tortish kuchi manbada 80 N sifatida berilgan. Raketada uchta sobit dum qanoti bor va motor tortish yo‘nalishi sozlanmaydi.

Holat o‘lchovi qanday qilindi?

Uch nuqtaga olti o‘qli inertsiya sensori joylashtirilgan: raketa korpusi, uchirish relsining uchi va CMGning yuqori qismi. Sensorlar uch o‘qda chiziqli tezlanish va uch o‘qda burchak tezligini o‘lchaydi.

Tajriba uchun chiziqli tezlanish o‘lchash oralig‘i ±4 g, ya’ni taxminan ±40 m/s²; giroskop oralig‘i ±500°/s tanlangan. Raketa motorining yonishi paytida chiziqli tezlanish sensori yuqori chegaraga yetgan, ammo holat burchaklari chiziqli tezlanishdan emas, giroskop burchak tezligining integralidan hosil qilingani uchun tadqiqotchilar bu saturation holat rekonstruksiyasiga ta’sir qilmaganini bildiradi.

Holat burchagi manbada:

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

shaklida hisoblangan. Bu yerda \(\omega\) giroskop o‘lchagan burchak tezligini, \(b\) esa sensor offsetiga bog‘liq driftni bartaraf etish uchun belgilangan bias tuzatish hadini bildiradi.

Bias qiymati uchirishdan oldingi 60 soniyalik oynada integrallangan burchak sof drift ko‘rsatmasligini ta’minlaydigan tarzda hisoblangan. Sensor va o‘qqa qarab baholangan bias 0,01–0,5°/s oralig‘ida. Manba tuzatishdan keyin qolgan bias taxminan 0,05°/s dan past va 30 soniyalik tahlil davridagi yig‘ilgan holat burchagi xatosi taxminan 1,5° dan kichik deb taxmin qiladi.

Sensor soatlari qanday moslashtirildi?

Uch sensor mustaqil soatlarga ega bo‘lgani uchun ma’lumotlar tajribadan keyin sinxronlashtirilgan. Uchirishdan oldingi umumiy mayatnik harakati va raketaning relsdan chiqqan onidagi keskin signal o‘zgarishlari vaqtni moslashtirish uchun ishlatilgan.

100 Hz tajribalarida qolgan vaqt sinxronizatsiya xatosi taxminan bir namuna olish oralig‘i, ya’ni 0,01 soniya ichida deb baholanadi. Bu muddat tadqiqot baholagan 1,5 soniya yoki undan uzoq mayatnik davrlariga nisbatan kichikdir.

Uch uchirishning ma’lumot sifati bir xil edimi?

Yo‘q. Birinchi tajriba N1 da barcha sensorlar 10 Hz bilan ishlagan. Manba keyin bu namuna olish tezligi taxminan 0,4 soniyalik rels ustida harakatlanish jarayonini batafsil yechish uchun yetarli emasligini aniqlagan.

Shu sababli maqolaning batafsil miqdoriy dinamik tahlili N2 va N3 ning 100 Hz yozuvlariga asoslanadi. N1 ko‘proq umumiy xatti-harakatning sifat jihatdan tasdig‘i uchun ishlatilgan.

Azimut boshqaruvi uch uchirishda qanchalik muvaffaqiyatli bo‘ldi?

Yoqish onidagi nishon azimut xatosi uch tajribaning hammasida mutlaq qiymatda 7° dan past qolgan. N1 da xato −3,2°, N2 da +6,6° va N3 da −2,0°.

Biroq “7° ichida” ifodasi butun erkin ko‘tarilish oralig‘iga umumlashtirilmasligi kerak. N2 ning tether bo‘shatilishidan relsdan ajralishgacha hisoblangan maksimal xatosi 8,3°.

Maksimal va RMS azimut xatolari qanday edi?

N1 ning pitch-up burchagi 10 Hz namuna olish sababli baholanmagan. Bu holat Table 3 da aniq N/A sifatida ko‘rsatilgan.

Roll va yaw nega birga tebranadi?

N2 va N3 o‘lchovlarida roll va yaw burchaklari bir vaqtda cho‘qqiga chiqadigan sinxron tebranishlar ko‘rsatgan. Birinchi qarashda yaw dagi bu o‘zgarish haqiqiy azimut yo‘nalishining tebranishi sifatida talqin qilinishi mumkin.

Tadqiqotchilar rels sensori o‘lchovlarini rels bilan mos \(x_r y z_r\) koordinata tizimiga o‘tkazganida tebranish \(x_r\), ya’ni rels o‘qi atrofidagi roll yo‘nalishida ekanini; haqiqiy \(z_r\) yaw yo‘nalishida xuddi shu tebranish ko‘rinmaganini ko‘rsatgan.

Manba buni uchirgichning eng kichik inertsiya momentiga ega asosiy o‘qi taxminan rels yo‘nalishi bilan ustma-ust kelishi sababli hosil bo‘lgan qattiq jism aylanish harakati sifatida talqin qiladi. Shuning uchun kuzatilgan roll–yaw coupling raketaning uchirish yo‘nalishini xuddi shu kattalikda o‘zgartiradigan haqiqiy azimut tebranishi emas, degan xulosaga kelinadi.

Uchirgich tuzilmasi egilgan bo‘lishi mumkinmi?

Uchinchi uchirishda rels sensori bilan CMG ustidagi sensorning pitch, yaw va roll yozuvlari taqqoslangan. Ikki sensor egri chiziqlari umuman bir-biriga parallel va yaqin kechgan.

Raketa relsdan taxminan 0,4 soniyada ajralganda rels sensorining integrallangan burchagida, ayniqsa yaw o‘qida taxminan 7° lik sobit offset paydo bo‘lgan. Mualliflar buni fizik tuzilma deformatsiyasi emas, yukning to‘satdan bo‘shashi vaqtida burchak tezligi integratsiyasida yuzaga kelgan xato deb bildiradi. Rels va CMG burchak tezliklarining keyin ham bir-biriga parallel qolishi va tajribadan keyin tuzilmada doimiy deformatsiya topilmasligi bu talqinni qo‘llab-quvvatlaydi.

Yoqish paytida pitch-up nega paydo bo‘ladi?

Raketa motori yoqilgandan keyin qurilma taxminan 0,4 soniya davomida uchirish relsi ustida sirpanadi. Bu vaqtda raketa bilan rels orasidagi ishqalanish, ayniqsa motor tortish o‘qi rels yo‘nalishi bilan to‘liq mos bo‘lmasa, uchirgichda pitch momenti hosil qilishi mumkin.

N2 da 3,2° pitch-up, N3 da taxminan 1° o‘lchangan. Tadqiqotchilar avvalgi mexanik modellariga tayanib N2 dagi 3,2° pitch-up ni taxminan 1,9° lik motor tortish o‘qi mos kelmasligi bilan izohlaydi.

Bu 1,9° qiymat bevosita o‘lchangan motor mos kelmasligi emas. Bu o‘lchangan pitch-up harakati va avvalgi modeldan chiqarilgan xulosadir.

Nega ikki mayatnik modeli ishlatiladi?

Shardan pastga osilgan tizim bitta nuqtaviy massadan iborat emas. Yuqori osma sim birinchi harakat erkinligini, o‘z massa taqsimoti va inertsiya momentiga ega uzun uchirgich korpusi esa ikkinchi harakat erkinligini yaratadi. Shu sababli tizim bitta mayatnik o‘rniga ikki modli ikki mayatniksimon tuzilma ko‘rsatadi.

Manbaning 4-sahifasidagi Shakl 2 vaznsiz osma sim va qattiq sterjen bilan soddalashtirilgan modelni ko‘rsatadi. Euler–Lagrange tenglamalaridan ikki xos chastota olinadi.

Modelning xos chastotalari manbada:

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

shaklida ifodalangan. Ikki yechim \(\omega_1\) va \(\omega_2\), mos ravishda birinchi va ikkinchi mod xos chastotalarini bildiradi.

Mod shaklining ikki burchak amplitudasi orasidagi nisbati:

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

bilan ta’riflangan.

Bog‘langan holatda FFT nimani ko‘rsatdi?

Ikkinchi uchirishdan oldin shar tether bilan sobit holatda turganida 10 soniyalik holat yozuvi ustida FFT qo‘llangan. Pitch va rels o‘qlarining ikkalasida ham ikki aniq chastota cho‘qqisi ko‘ringan; bu natija tizim ikki mayatnik modeli bilan ifodalanishini qo‘llab-quvvatlagan.

Figure 13 da tethered holatda tajribaviy birinchi mod chastotasi 0,197 Hz, ikkinchi mod chastotasi 0,886 Hz sifatida berilgan.

Erkin ko‘tarilishda birinchi mod haqiqatan yo‘qoldimi?

Mavjud ma’lumot buni qat’iy ko‘rsatmaydi. Erkin ko‘tarilish faqat taxminan yetti soniya davom etgani va FFT tahlili taxminan besh soniyalik oyna ishlatgani uchun taxminan 0,2 Hz ostidagi chastotalar yechilmaydi.

Erkin ko‘tarilishda o‘lchanadigan diapazonda birinchi mod ko‘rinmagan; ammo manba buning ikki ehtimoliy izohini ajratadi: mod haqiqatan yo‘qolgan bo‘lishi mumkin yoki butun shar–uchirgich tizimining uzoqroq davrli harakatiga aylanib 0,2 Hz dan pastga siljigan bo‘lishi mumkin.

Shuning uchun “erkin parvoz birinchi modni yo‘q qildi” tarzidagi qat’iy xulosa manba tomonidan qo‘llab-quvvatlanmaydi. Uzoqroq erkin shar tajribasi zarur.

Ikki mayatnik modeli chastotalarni qanchalik to‘g‘ri bashorat qildi?

Tadqiqotning 14-sahifasidagi Figure 13 tajribaviy chastotalarni bevosita o‘lchangan geometriyadan foydalangan model va fitted-\(l_2\) modeli bilan taqqoslaydi.

Birinchi tethered mod uchun 0,197 va 0,201 Hz qiymatlari taxminan %2 farq ichida. Ikkinchi modda esa bevosita geometrik model ancha past qoladi.

Nega l₂ qiymatini kattalashtirish kerak?

Modelda \(l_2\) uchirgichning osma nuqtasidan massa markazigacha bo‘lgan geometrik masofadir. O‘lchangan qiymat raketa uchirilishidan oldin 0,483 m, raketa ajralgandan keyin 0,378 m.

Ikkinchi modni tajribaviy chastotaga yaqinlashtirish uchun fitted \(l_2\) tethered holatda 0,90 m, erkin ko‘tarilishda 0,55 m sifatida ishlatilgan. Bular o‘lchangan uzunliklarning taxminan 1,9 va 1,5 baravari.

Tadqiqotchilar bu ortishni real uchirgich fizik jihatdan uzaydi deb talqin qilmaydi. Fitted \(l_2\), shar ostidagi to‘rtta osma sim ulanishlarining ideal sobit pivot kabi qattiq emasligining dinamik ta’sirini bildiruvchi samarali parametrdir.

Tadqiqot qo‘llab-quvvatlaydigan xulosalar

• CMG asosidagi azimut boshqaruv tizimi taxminan yetti soniyalik erkin shar ko‘tarilishi paytida ishlatilgan.
• Uch fizik raketa uchirilishining hammasida yoqish onidagi azimut xatosining mutlaq qiymati 7° dan past qolgan.
• N2 va N3 da 100 Hz holat ma’lumotlari bilan sharning erkin ko‘tarilishi va relsdan ajralish dinamikasi o‘lchangan.
• Roll va yaw yozuvlarida ko‘ringan bir vaqtdagi tebranish rels o‘qiga o‘tkazilgan koordinata tizimida asosan rels atrofidagi roll harakati bilan izohlangan.
• Raketaning rels ustida harakatlanishi paytida pitch-up xatti-harakati qayta kuzatilgan.
• Tethered holatda ikki mayatnik modelining birinchi mod chastotasi tajribaviy qiymatni taxminan %2 ichida qayta hosil qilgan.
• Ikkinchi modning tajribaviy chastotasiga yetishish uchun shar osmasining yumshoq chegaraviy shartlarini bildiruvchi kattaroq samarali \(l_2\) qiymatlari kerak bo‘lgan.
• Erkin ko‘tarilishda birinchi mod 0,2 Hz va undan yuqoridagi o‘lchanadigan FFT diapazonida ko‘rinmagan.

Tadqiqot qo‘llab-quvvatlamaydigan yoki sinamagan xulosalar

• Tajriba stratosferik balandlikdan operatsion rockoon uchirilishini tasdiqlamagan.
• 20 km balandlikda aerodinamik qarshilik yoki raketa motori ishlashi ortishi bu tajribada o‘lchanmagan.
• CMG azimut boshqaruvi yopiq konturli avtonom boshqaruv algoritmi sifatida sinovdan o‘tkazilmagan; tizim radio boshqaruvi bilan qo‘lda yo‘naltirilgan.
• Uch tajribadan barcha ob-havo sharoitlari yoki to‘liq miqyosli rockoon tizimlari uchun umumiy azimut aniqligi chiqarib bo‘lmaydi.
• Azimut xatosi butun bo‘shatish–relsdan ajralish oralig‘ida har doim 7° dan past bo‘lgani ko‘rsatilmagan; N2 ning maksimal xatosi 8,3°.
• Erkin ko‘tarilish paytida birinchi mayatnik modining fizik jihatdan butunlay yo‘qolgani isbotlanmagan; mod 0,2 Hz dan pastga siljigan bo‘lishi mumkin.
• Fitted \(l_2\) qiymatlari real sim yoki tuzilma uzunligining fizik o‘lchovi emas.
• N2 uchun chiqarilgan taxminan 1,9° motor tortish mos kelmasligi bevosita o‘lchangan motor xususiyati emas.
• Orbitaga yuk joylashtirish, orbital injection accuracy yoki haqiqiy operatsion parvoz xavfsizligi bu uch past balandlik tajribasi bilan tasdiqlanmagan.
• Uzoq muddatli erkin shar parvozida past chastotali mayatnik harakati o‘lchanmagan.

Tadqiqot Usuli va Natijalari

Tajriba dizaynining asosiy mantiqi

Tajriba uchirgichning avval yerga bog‘langan, keyin qisqa muddatli erkin shar osmasida bo‘lishini ta’minlab, chegaraviy shartdagi o‘zgarishni bevosita xuddi shu tizim ustida hosil qilgan. Shu tariqa kran tajribasidagi sobit yuqori pivot bilan haqiqiy shar osmasidagi harakatlanuvchi yuqori chegara orasidagi farq o‘rganilgan.

Raketa yoqilishi tether simlari bo‘shatilganidan taxminan uch soniya keyin qilingan, uchirishdan keyin simlar qayta ushlangan va erkin ko‘tarilish taxminan yetti soniya bilan cheklangan.

CMG parametrlari va boshqaruv chegarasi

Har bir CMG momentum g‘ildiragining inertsiya momenti \(3,286\times10^{-3}\) kg·m² va nominal tezligi taxminan 1290 rpm. Gimbal harakati ±90° gacha mumkin. Nazariy moment tenglamasidagi \(\cos\theta\) hadi sababli 90° gimbal burchagida tizim saturation holatiga yetadi.

Ushbu tadqiqot CMGning yopiq kontur boshqaruv koeffitsiyentlari yoki avtomatik nishon kuzatish algoritmini baholamagan; inson operator radio boshqaruvi bilan yo‘naltirgan mexanik boshqaruv vakolatini tajribaviy sinagan.

Sensor koordinata o‘zgartirishi

Rels va raketa sensorlari gorizontalga nisbatan 60° qiyalikda bo‘lgani uchun o‘lchangan \(x_r\) va \(z_r\) komponentlari CMG sensorining koordinata tizimiga o‘tkazilgan:

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

Bu yerda \(\theta_e=60^\circ\) uchirish relsining ko‘tarilish burchagidir. O‘zgartirilgan burchak tezliklari keyin bias tuzatishi bilan integrallanib holat burchaklari olingan.

Ikkinchi uchirishda raketa xatti-harakati

N2 raketasining translatsion tezlanishi motor yonishi paytida ±40 m/s² sensor chegarasidan oshgan. Motor yonishidan keyin tezlanish yana o‘lchash oralig‘iga qaytgan va raketa taxminan 7,9–8,0 soniya atrofida yerga yetgan.

Holat yozuvlari raketa relsdan ajralgandan keyin taxminan sobit roll tezligi bilan aylanganini va manba kuzatuviga ko‘ra muhim yo‘nalish og‘ishini ko‘rsatmasdan uchganini bildiradi. Bu natija faqat past balandlikdagi model raketa parvozi bilan cheklangan.

Relsdan ajralish oni

N2 da raketa yoqishdan taxminan 0,4 soniya keyin rels uchidan ajralgan. Rels ustida harakatlanayotganda pitch-up kuzatilgan; ajralish onida massaning to‘satdan yo‘qolishi uchirgich holatida vaqtinchalik buzilish hosil qilgan.

Taxminan yettinchi soniyada tether simlarining shar ko‘tarilishini qayta to‘xtatishi uchirgich holatida ikkinchi aniq buzuvchi ta’sirni yaratgan. Bu bo‘lim haqiqiy erkin shar dinamikasi bilan yer bog‘lanishining qayta o‘rnatilishi orasidagi farqni o‘lchovlarda ko‘rinadigan qiladi.

Azimut boshqaruvining miqdoriy natijasi

N1 ning bo‘shatish, yoqish va relsdan ajralish xatolari mos ravishda −5,4°, −3,2° va −4,8°. N2 uchun xuddi shu qiymatlar +0,2°, +6,6° va +2,7°; N3 uchun +1,4°, −2,0° va +0,2°.

Uch yoqish qiymatining hammasining mutlaq kattaligi 7° dan past. N2 ning yoqishdan oldingi azimut o‘zgarishi boshqa ikki testga nisbatan kattaroq bo‘lishi tizim butun vaqt davomida sobit ±7° koridor ichida bo‘lmaganini ko‘rsatadi.

Pitch-up o‘lchovining talqini

Manba rels ishqalanishining pitch-up ustidagi ta’sirini motorning thrust misalignment burchagi bilan bog‘laydi. Oldingi ishda ±1,5° thrust misalignment uchun taxminan −0,5° dan +2,5° gacha pitch-up oralig‘i kutilgan.

N2 da o‘lchangan 3,2° pitch-up natijasidan taxminan 1,9° thrust misalignment chiqarimi qilingan. Bu qiymat ishlab chiqarish toleransiga doir ehtimoliy izohdir; motorning haqiqiy tortish o‘qi mustaqil o‘lchash tizimi bilan o‘lchanmagan.

FFT va o‘lchash oynasining yechim chegarasi

Tethered tahlil 10 soniyalik oyna ishlatgani uchun taxminan 0,1 Hz darajasidagi chastota komponentlarini ajratish mumkin. Erkin parvoz oynasi faqat besh soniya bo‘lgani uchun asosiy chastota yechimi taxminan 0,2 Hz.

Shu sababli erkin parvoz modeli bashorat qilgan taxminan 0,15 Hz birinchi mod tajribaning FFT oynasi bevosita yecha oladigan diapazondan pastda. Manbaning “birinchi mod o‘lchanadigan diapazonda ko‘rinmadi” ifodasining asosiy sababi shu.

Ikkinchi moddagi model farqi

Tethered holatda tajribaviy ikkinchi mod 0,886 Hz bo‘lganida o‘lchangan geometriyaga asoslangan model 0,628 Hz beradi. Manba bu farqni taxminan %29 sifatida ifodalaydi.

Erkin ko‘tarilishda ikkinchi mod 0,787 Hz o‘lchangan; geometriyaga asoslangan model 0,649 Hz bergan. Bu farq taxminan %18.

Fitted samarali uzunlik ishlatilganda mos ravishda 0,885 Hz va 0,789 Hz olinib, tajribaviy ikkinchi mod taxminan %1 ichida qayta hosil qilingan.

Nega bu natija muhim?

Chastota farqi krandan yoki ideal bitta nuqtadan osilgan mexanik modelni haqiqiy shar tizimiga bevosita qo‘llash yetarli bo‘lmasligi mumkinligini ko‘rsatadi. Shar ostidagi to‘rtta sim, ramka va ulanish nuqtalarining cheklangan harakat erkinligi tizimning samarali chegaraviy shartlarini o‘zgartirishi mumkin.

Shu sababli kelajakdagi rockoon tizimlarida faqat uchirgich massasi va geometrik osma uzunliklarini ishlatish o‘rniga shar–ramka–osma bog‘lanishining dinamik elastikligi va samarali pivot xatti-harakati ham modellashtirilishi kerak bo‘lishi mumkin. Tadqiqot bu ehtiyojga tajribaviy ma’lumot beradi; to‘liq miqyosli dizayn modeli hali tasdiqlanmagan.

Tadqiqotning asosiy kuchli tomonlari

Tadqiqot oldin kranda sinangan CMG uchirgichni haqiqiy erkin ko‘tariluvchi shar osmasiga ko‘chirib, boshqaruv va mayatnik dinamikasini fizik uchirishlarda baholagan. Uch xil nuqtadagi inertsiya sensorlari uchirgichning qattiq jism xatti-harakati va raketa harakatini taqqoslash imkonini bergan. O‘lchangan xos chastotalarning analitik ikki mayatnik modeli bilan bevosita taqqoslanishi ham shunchaki kuzatuvchi parvoz hisobotidan tashqari miqdoriy dinamik tasdiq beradi.

Tadqiqotning asosiy cheklovlari

Eng katta cheklov faqat uchta uchirish amalga oshirilganidir. Erkin ko‘tarilish har bir tajribada taxminan yetti soniya va N2 hamda N3 da sensor ma’lumotlarining bir qismi yo‘qolgan. N1 ning 10 Hz namuna olish tezligi batafsil launch-rail dinamikasini yechish uchun yetarli emas. Erkin parvoz FFT oynasining besh soniya bo‘lishi 0,2 Hz ostidagi birinchi mod xatti-harakatini baholashga to‘sqinlik qilgan.

Tajriba past balandlikda amalga oshirilgan; stratosferik shamollar, juda past atmosfera zichligi, uzoq muddatli shar harakatlari, yuqori balandlik haroratlari, to‘liq miqyosli raketa massasi va orbital vazifa dinamikasi ushbu tadqiqot doirasiga kirmaydi.

Kelajak tadqiqotda nima qilish kerak?

Manbaning eng aniq kelajak ish ehtiyoji erkin shar parvozi vaqtini uzaytirishdir. Uzoqroq yozuv 0,2 Hz ostidagi birinchi mod aslida qaysi chastotaga siljishini aniqlash va butun shar–uchirgich tizimining past chastotali harakatini ajratish imkonini beradi.

Ko‘proq uchirish soni, to‘liq sensor telemetriyasi va uzoqroq erkin parvoz azimut xatosining statistik taqsimotini aniqlash uchun ham zarur. Mavjud uch tajriba operatsion rockoon tizimining nishon aniqligi yoki ishonchliligini statistik jihatdan isbotlash uchun yetarli emas.

Manba va Usul Haqida Izoh

To‘liq asl ish nomi: Rockoon Launch Experiment with Azimuth Angle Control

Mualliflar: Tadayoshi Shoyama; Yutaka Wada; Shobu Oda.

Mualliflar tartibi: Manbadagi asl tartib aynan saqlangan.

Teng hissa/teng birinchi muallif: Manbada ko‘rsatilmagan.

Mas’ul muallif: Tadayoshi Shoyama.

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

Manba turi: Taqrizdan o‘tgan tajribaviy tadqiqot maqolasi. Uch fizik model raketa uchirilishi, erkin ko‘tariluvchi shar osmasi, CMG azimut boshqaruvi, giroskop asosidagi holat rekonstruksiyasi va ikki mayatnik dinamik modeli taqqoslashini o‘z ichiga oladi.

Jurnal: Aerospace

Nashriyot: MDPI

Jild / son / maqola raqami: 13(8), 709

Nashr sanasi: 7 Avgust 2026

DOI: 10.3390/aerospace13080709

Rasmiy nashr havolasi: https://www.mdpi.com/2226-4310/13/8/709

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

Taqriz holati: Tadqiqot taqrizdan o‘tgan Aerospace jurnalida chop etilgan tadqiqot maqolasidir.

Litsenziya: Creative Commons Attribution (CC BY) ochiq kirish litsenziyasi.

Moliyalashtirish: Tadqiqot Fukushima Innovation Coast Framework Promotion Organization tomonidan yuritilgan Innovation Creation Platform Program (“Fukushima Tech Create”) doirasida “Demonstration experiment of air-launching a micro rocket using a plastic balloon” loyihasi bilan qo‘llab-quvvatlangan; bildirish raqami 4-Fuku-I-333.

Ma’lumotlar mavjudligi: Tadqiqot ma’lumotlari tijoriy cheklovlar sababli ochiq ma’lumot omborida chop etilmagan. Manba ma’lumotlar mas’ul muallifdan so‘ralib va non-disclosure agreement sharti bilan ulashilishi mumkinligini bildiradi.

Qo‘shimcha material: Manba uchinchi rockoon uchirilishining xatti-harakatini ko‘rsatuvchi Video S1 qo‘shimcha materialini bildiradi.

Manfaatlar to‘qnashuvi: Tadayoshi Shoyama va Yutaka Wada rockoon launch services ishlab chiqadigan AstroX Inc. bilan aloqador. Manba bu tijoriy aloqani ochiq e’lon qiladi. Boshqa muallif uchun ishga ta’sir qilishi mumkin bo‘lgan tijoriy yoki moliyaviy munosabat bildirilmagan.

Muallif hissalari: Konseptualizatsiya Tadayoshi Shoyama va Yutaka Wada; metodologiya Yutaka Wada va Tadayoshi Shoyama; tadqiqot, formal tahlil va ma’lumot kuratsiyasi Tadayoshi Shoyama; birinchi qoralama Tadayoshi Shoyama; ko‘rib chiqish va tahrir Yutaka Wada; nazorat va loyiha boshqaruvi Yutaka Wada hamda Shobu Oda; moliya jalb qilish Shobu Oda tomonidan amalga oshirilgan.

Past balandlik tajribasi chegarasi: Maqola kirishida stratosferik rockoon tizimlari taxminan 20 km balandlikda bera oladigan atmosferik afzalliklar muhokama qilinadi. Mavjud tajriba esa 150 m dan pastda amalga oshirilgan va erkin ko‘tarilish taxminan yetti soniya. Verianla bu ikki miqyosni bir-biriga aralashtirmaydi.

Boshqaruv tizimi chegarasi: Manba CMG asosidagi tizimni “active azimuth control” deb ta’riflaydi; biroq CMG tajribada radio boshqaruvi bilan qo‘lda ishlatilgan. Tadqiqot avtonom yoki yopiq konturli azimut boshqaruv algoritmi tasdig‘i emas.

7° azimut natijasi uchun qamrov izohi: Uch tajribada yoqish onidagi xatolar −3,2°, +6,6° va −2,0° bo‘lib, ularning mutlaq qiymatlari 7° dan past. Bo‘shatishdan relsdan ajralishgacha bo‘lgan maksimal xato esa N2 da 8,3°. Shu sababli 7° natijasi faqat yoqish onining natijasi sifatida taqdim etilgan.

Namuna olish va ma’lumot yo‘qotilishi chegarasi: N1 10 Hz bilan o‘lchangan va manba buni batafsil holat xatti-harakati uchun yetarli emas deb topgan. N2 va N3 100 Hz o‘lchovlardan foydalangan; biroq N2 da CMG sensori, N3 da raketa sensori nosozlik sababli ma’lumot yo‘qotgan. Miqdoriy dinamik xulosalarning namuna hajmi shu sababli cheklangan.

Birinchi mod chastota chegarasi: Erkin ko‘tarilish FFT tahlili besh soniyalik oyna bilan bajarilgan. Shu sababli taxminan 0,2 Hz ostidagi chastotalar yechilmaydi. Tadqiqot birinchi mod o‘lchanadigan diapazonda ko‘rinmaganini ko‘rsatadi; mod fizik jihatdan butunlay yo‘qolganini isbotlamaydi.

Samarali l₂ talqini: Ikkinchi mod chastotasini qayta hosil qilish uchun tethered holatda 0,90 m, erkin ko‘tarilishda 0,55 m fitted \(l_2\) ishlatilgan. Bular fizik osma uzunligining yangi o‘lchovlari emas, yumshoq shar osmasi cheklovining ta’sirini bildiruvchi model parametrlaridir.

Pitch-up talqini: N2 da o‘lchangan 3,2° pitch-up orqali taklif qilingan taxminan 1,9° thrust misalignment qiymati modelga asoslangan chiqarimdir; motor o‘qi bevosita o‘lchanmagan.

Ilmiy chegara: Tadqiqot uch past balandlik model raketa uchirilishida erkin shar osmasining dinamik xatti-harakatini va qo‘lda CMG azimut boshqaruvini o‘rganadi. Natijalar to‘liq miqyosli stratosferik rockoon, orbital uchirish, operatsion trajectory accuracy yoki uzoq muddatli parvoz ishonchliligining tasdig‘i emas.

Kontent ishlab chiqarish usuli: Ushbu Verianla izohidagi tajriba sharoitlari, tenglamalar, uchirish parametrlari, sensor natijalari, azimut xatolari, chastota qiymatlari va ilmiy chegaralar ko‘rib chiqilgan manba tadqiqotiga asoslanadi. Tashqi bibliografik tekshiruv faqat tadqiqot identifikatsiyasi, rasmiy nashr qaydi va taqriz holatini tasdiqlash uchun ishlatilgan; tashqi manbalardan yangi parvoz ko‘rsatkichi yoki manbada bo‘lmagan rockoon natijasi asosiy matnga qo‘shilmagan.