عرض مصدر ديناميكا طيران المركبات الفضائية

{{يتيمة|تاريخ =ديسمبر 2024}}
[[ملف:Apollo-Moon-mission-profile.png|يسار|تصغير| مسار رحلة هبوط الإنسان على سطح القمر بمركبة [[أبولو 11]]، يوليو 1969م.]]
'''ديناميكا طيران المركبات الفضائية''' هي تطبيق [[ميكانيكا تقليدية|الميكانيكا التقليدية]] [[نمذجة علمية|لنَمذجة]] كيفية تحديد القُوى الخارجية المؤثرة على [[مركبة فضائية]] لمسار رحلتها. تتكون هذه القُوى بشكل أساسي من ثلاثة أنواع: القوة [[قوة دفع المركبة الفضائية|الدافعة]] التي توفرها محركات المركبة، وقوة [[جاذبية|الجاذبية]] التي تمارسها الأرض والأجرام السماوية الأخرى، [[القوة الديناميكية الهوائية|والرفع والسحب الديناميكي الهوائي]] (عند الطيران في [[غلاف الأرض الجوي|الغلاف الجوي للأرض]] أو أي جسم آخر، مثل [[المريخ]] أو [[الزهرة|الزُهرة]]).

تُستخدم مبادئ ديناميكيات الطيران لنمذجة مسار مركبة أثناء الإطلاق من الأرض؛ والرحلة المدارية للمركبة الفضائية؛ والمناورات لتغيير المدار؛ والرحلة للقمر والكواكب؛ والإطلاق من والهبوط على جرم سماوي - بغلاف جوي أو بدونه؛ والدخول عبر الغلاف الجوي للأرض أو أي جرم سماوي آخر؛ [[التحكم بالوضعية|والتحكم بالوضعية]]. يتم برمجت ديناميكا الطيران عمومًا في [[نظام ملاحة قصوري|أنظمة الملاحة بالقصور الذاتي]] للمركبة، ويتم مراقبتها على الأرض بواسطة أحد أعضاء فريق مراقبي الطيران المعروف في [[ناسا|وكالة ناسا]] باسم ضابط ديناميكيات الطيران، أو في [[وكالة الفضاء الأوروبية]] باسم ملاح المركبة الفضائية.

تعتمد ديناميكيات الطيران على تخصصات الدفع و[[ديناميكا هوائية|الديناميكا الهوائية]] والديناميكا الفلكية ([[ميكانيكا مدارية|ميكانيكا المدارات]] [[ميكانيكا سماوية|وميكانيكا السماوات]]). لا يمكن اختصار الأمر في مجرد [[التحكم بالوضعية]]؛ فالمركبات الفضائية الحقيقية لا تحتوي على عجلات قيادة أو مقود مثل الطائرات أو السفن. على عكس الطريقة التي يتم بها تصوير المركبات الفضائية الخيالية، فإن المركبة الفضائية في الواقع لا تميل لتدور في الفضاء الخارجي، حيث يعتمد مسار رحلتها بشكل أساسي على قوى الجاذبية المؤثرة عليها [[مناورة مدارية|والمناورات المدارية]] المُطبقة.

== المبادئ الأساسية ==
يُحدد مسار المركبة الفضائية بتطبيق قانون [[إسحاق نيوتن|نيوتن]] [[قوانين نيوتن للحركة|الثاني للحركة]]:<math display="block">\mathbf{F} = m\mathbf{a},</math> حيث '''F''' هو مجموع [[متجه|مُتجهات]] جميع القوى المؤثرة على المركبة، وm هي كتلتها الحالية، و '''a''' هو متجه [[التسارع]]، ومعدل التغير اللحظي للسرعة ( '''v''' )، والذي بدوره هو معدل التغير اللحظي للإزاحة. عند حل '''المعادلة''' ، فإن التسارع يساوي مجموع القوة مقسومًا على الكتلة. يُدمج [[التسارع]] مع الزمن للحصول على السرعة، وتُدمج السرعة بدورها للحصول على الموضع (المكان).

تُدار حسابات ديناميكيات الطيران بواسطة [[نظام التوجيه|أنظمة التوجيه]] المُحَوسبة على متن المركبة، وتُراقب حالة ديناميكيات الطيران على الأرض أثناء المناورات الآلية بواسطة أحد أعضاء فريق مراقبي الطيران المعروف في [[مركز لندون بي جونسون للفضاء|مركز رحلات الفضاء البشرية]] التابع لوكالة [[ناسا]] باسم ضابط ديناميكيات الطيران، وفي [[وكالة الفضاء الأوروبية]] باسم ملاح المركبة الفضائية. <ref>{{استشهاد ويب|عنوان=ESA - Flight Dynamics|مسار= https://www.esa.int/Enabling_Support/Operations/gse/Flight_Dynamics|ناشر=European Space Agency|تاريخ-الوصول=June 22, 2020|مسار أرشيف= http://web.archive.org/web/20200809234338/https://www.esa.int/Enabling_Support/Operations/gse/Flight_Dynamics|تاريخ أرشيف=2020-08-09}}</ref>

بالنسبة للطيران الجوي، فإن القوى الرئيسية الثلاث التي تؤثر على المركبة هي [[دسر|القوة الدافعة]] ، [[القوة الديناميكية الهوائية|وقوة المقاومة الديناميكية الهوائية]] ، [[جاذبية|والجاذبية]]. القوى الخارجية الأخرى مثل [[قوة طرد مركزي|قوة الطرد المركزي]] [[تأثير كوريوليس|وقوة كوريوليس]] [[ضغط إشعاع|وضغط الإشعاع الشمسي]] تكون غير مهمة بشكل عام بسبب الوقت القصير نسبيًا للطيران والحجم الصغير للمركبة الفضائية، وقد يتم إهمالها بشكل عام في حسابات الأداء المبسطة. {{Sfnp|Bate|Mueller|White|1971|pp=11-12}}

=== الدفع ===
تُقرَّب قوة دفع [[محرك صاروخي|محرك الصاروخ]]، في الحالة العامة للتشغيل في الغلاف الجوي، من خلال: <ref name="Sutton">{{استشهاد بكتاب|مؤلف=George P. Sutton|عنوان=Rocket Propulsion Elements|تاريخ=2001|ناشر=Wiley Interscience|طبعة=7th|name-list-style=amp|مؤلف2=Oscar Biblarz|isbn=0-471-32642-9}} See Equation 2-14.</ref>

<math display="block">F = \dot{m}\;v_{e} = \dot{m}\;v_\text{e-opt} + A_{e}(p_{e} - p_\text{amb})</math>حيث أن:

* <math>\dot{m}</math> هو تدفق كتلة غاز العادم
* <math>v_{e}</math> هي سرعة العادم الفعالة (يشار إليها أحيانًا باسم ''c'' في الأوراق العلمية)
* <math>v_\text{e-opt}</math> هي سرعة المركبة النفاثة الفعالة عندما يكون ''p'' <sub>amb</sub> = ''p'' <sub>e</sub>
* <math>A_{e}</math> هي مساحة التدفق عند مستوى خروج الفوهة (أو المستوى الذي يغادر فيه النفاثة الفوهة إذا كان التدفق منفصلًا)
* <math>p_{e}</math> هو الضغط الثابت عند مستوى خروج الفوهة
* <math>p_\text{amb}</math> هو الضغط المحيط (أو الضغط الجوي)

إن سرعة العادم الفعالة للوقود الصاروخي تتناسب طرديًا مع [[اندفاع نوعي|الدفع النوعي]] للفراغ وتتأثر بالضغط الجوي: <ref name="RPE7">{{استشهاد بكتاب|مؤلف=Sutton|الأول=George P.|مسار=https://books.google.com/books?id=LQbDOxg3XZcC|عنوان=Rocket Propulsion Elements|تاريخ=2001|ناشر=John Wiley & Sons|تاريخ الوصول=28 May 2016|مسار أرشيف=https://web.archive.org/web/20140112033956/http://books.google.com/books?id=LQbDOxg3XZcC|تاريخ أرشيف=12 January 2014|حالة المسار=live|مؤلف2=Biblarz|الأول2=Oscar|isbn=978-0-471-32642-7}}</ref> <math display="block">v_e = g_0 \left(I_\text{sp-vac} - \frac{A_{e}\, p_\text{amb}}{\dot{m}}\right) </math>

حيث أن:

* <math>I_\text{sp-vac}</math> هو الدفع نوعي ووحدتها ثانية
* <math>g_0</math> هي تسارع الجاذبية على سطح الأرض

يربط الدافع النوعي بين فرق السرعة ([[دلتا v]]) وكمية الوقود المستهلك وفقًا [[معادلة تسالكوفسكي الصاروخية|لمعادلة تسالكوفسكي الصاروخية]]: <ref>{{استشهاد بكتاب|مؤلف=George P. Sutton|عنوان=Rocket Propulsion Elements|تاريخ=2001|ناشر=Wiley Interscience|طبعة=7th|name-list-style=amp|مؤلف2=Oscar Biblarz|isbn=0-471-32642-9}} See Equation 3-33.</ref> <math display="block">\Delta v\ = v_e \ln \frac {m_0} {m_1}</math>حيث أن:

* <math>m_0</math> هي الكتلة الكلية الأولية، بما في ذلك الوقود، بالكيلوجرام.
* <math>m_1</math> هي الكتلة الكلية النهائية بالكيلوجرام
* <math>v_e</math> هي سرعة العادم الفعالة بوحدة م/ث
* <math>\Delta v </math> هل فرق السرعة( دلتا-v) بوحدة م/ث

[[ملف:Space_launch_flight_diagram_improved.png|يسار|تصغير| متجهات السرعة والموقع والقوة المؤثرة على مركبة فضائية أثناء الإطلاق]]
[[ملف:Gravity_turn_-_landing_-_phase_2.svg|يسار|تصغير| متجهات السرعة والقوة المؤثرة على مركبة فضائية أثناء الهبوط والنزول]]

== الرحلة المدارية ==
{{معلومات أكثر|ميكانيكا مدارية}}
تُستخدم ميكانيكا المدار لحساب الرحلة في مدار حول جسم مركزي. بالنسبة للمدارات المرتفعة بما يكفي (عادةً ما 190 كم في حالة الأرض)، يُفترض أن القوة الديناميكية الهوائية يمكن إهمالها للمهام القصيرة الأمد نسبيًا (على الرغم من إمكانية وجود كمية صغيرة من السَحب تؤدي إلى تدهور الطاقة المدارية على مدى فترات زمنية أطول). وعندما تكون كتلة الجسم المركزي أكبر بكثير من المركبة الفضائية، وتكون الأجسام الأخرى بعيدة بما يكفي، يُمكن التعامل مع حل المسارات المدارية كمشكلة جسمين. {{Sfnp|Perry|1967}}

تتميز المدارات الإهليلجية بثلاثة عناصر. {{Sfnp|Perry|1967}} المحور شبه الرئيسي a وهو متوسط نصف القطر عند [[قبا|'''القَبَا''' (الأوج والحضيض)]] : <math display="block">a = \frac{r_a + r_p} 2 </math>

يمكن بعد ذلك حساب [[انحراف مداري|الانحراف المداري]] ''e'' للقطع الناقص، مع معرفة الزوايا: <math display="block">e = \frac{r_a} a - 1 </math>

تعتمد [[دور مداري|الفترة الزمنية للمدار الكامل]] فقط على المحور شبه الرئيسي، وهي مستقلة عن الانحراف: {{Sfnp|Bate|Mueller|White|1971}} <math display="block"> T = 2 \pi \sqrt{\frac{a^3} \mu}</math> حيث أن <math>\mu</math> هو [[معامل الجاذبية القياسي]] للجسم المركزي.
[[ملف:Orbit1-ar.svg|يسار|تصغير|200x200بك| [[عناصر مدارية|العناصر المدارية]] الزاوية للمركبة الفضائية التي تدور حول جسم مركزي، والتي تحدد اتجاه المدار بالنسبة إلي مستوى مرجعي.]]

=== أنواع المدارات ===

==== دائري ====
بالنسبة للمدار الدائري، ''r'' <sub>''a''</sub> = ''r'' <sub>''p''</sub> = ''a'' ، والانحراف يساوي 0. السرعة الدائرية عند نصف قطر معين هي: <math display="block">v_c = \sqrt{\frac\mu r}</math>

==== إهْلِيلَجي ====
بالنسبة للمدار الإهليلجي، ''e'' أكبر من 0 ولكن أقل من 1. سرعة الحضيض هي: <math display="block">v_p = \sqrt{\frac{\mu(1+e)}{a(1-e)}}</math> وسرعة الأوج هي: <math display="block">v_a = \sqrt{\frac{\mu(1-e)}{a(1+e)}}\,</math>

== المراجع ==
{{مراجع}}

{{شريط بوابات|رحلات فضائية}}

[[تصنيف:مفاهيم رحلات الفضاء]]
[[تصنيف:ميكانيكا مدارية]]