Astronomie

Roulis, tangage et lacet des plans orbitaux

Roulis, tangage et lacet des plans orbitaux

J'ai lu sur la mécanique céleste et en particulier sur les orbites planétaires. Je comprends que l'orbite d'une planète peut être inclinée (inclinée) par rapport à l'écliptique de la Terre et qu'elle pourrait précéder (lacet) au fil du temps. Mais je n'ai rencontré aucune indication que le plan orbital d'une autre planète pourrait être roulé par rapport à celui de la Terre.

J'ai également trouvé des références à des éléments orbitaux képlériens, mais je ne vois pas qu'aucun d'entre eux n'indique un roulis. Est-ce que je comprends mal la situation ? Sinon, est-ce que quelqu'un pourrait m'indiquer une ressource élémentaire où je peux en apprendre davantage à ce sujet ?


Vous utilisez les mauvais termes. Les ingénieurs utilisent le lacet, le tangage et le roulis pour décrire l'orientation d'un véhicule. Certains appellent à tort ces rotations des angles d'Euler. Les astronomes et les physiciens utilisent de vrais angles d'Euler, une rotation autour de l'axe Z d'un plan de référence, suivie d'une deuxième rotation autour de l'axe X une fois tourné, suivie d'une troisième rotation autour de l'axe Z deux fois tourné. Notez que les angles de Tait-Bryan (alias les angles de Cardano) utilisent une séquence de rotations autour de trois axes distincts. Les angles d'Euler n'utilisent que deux axes.

La première rotation est l'angle de précession axiale de la planète. La deuxième rotation est l'inclinaison axiale ou l'obliquité de la planète. La troisième rotation représente la rotation quotidienne de la planète. Les vitesses auxquelles la précession et l'obliquité changent sont beaucoup plus petites que le troisième angle qui change rapidement.


Tangage, lacet et roulis

Terrain, embardée et rouleau sont les trois dimensions du mouvement lorsqu'un objet se déplace à travers un milieu.

Les termes peuvent être utilisés pour décrire les mouvements d'un avion dans les airs. Ils s'appliquent également aux poissons se déplaçant dans l'eau et aux engins spatiaux se déplaçant dans l'espace.

Il existe en fait six degrés de liberté d'un corps rigide se déplaçant dans l'espace tridimensionnel. [1]

Comme le mouvement le long de chacun des trois axes est indépendant les uns des autres et indépendant de la rotation autour de l'un de ces axes, le mouvement a six degrés de liberté (voir schéma).

cabrer le nez ou la queue vers le haut. le nez de lacet se déplace d'un côté à l'autre du roulis un mouvement circulaire (dans le sens des aiguilles d'une montre ou dans le sens inverse) du corps lorsqu'il avance

Les surfaces d'un avion et les nageoires d'un poisson ont une fonction similaire. Ils servent à ajuster l'attitude de l'objet lorsqu'il se déplace dans le fluide. [2] Les sous-marins sont confrontés aux mêmes problèmes de contrôle dynamique que les poissons.

La matière est souvent enseignée sous degrés de liberté (mécanique). C'est le nombre de mouvements indépendants qui sont autorisés au corps.


Avions de vol comment les avions volent Ascenseur Drag Thrust Pitch Roll Yaw Rocket Science

Pendant des millions d'années, les humains ont regardé des créatures ailées planer haut dans les airs, et comme beaucoup ont eux-mêmes rêvé d'échapper un jour au lien de la gravité pour égaler cet exploit aérien séduisant. Beaucoup avec une fascination douteuse, attachant des plumes à leurs appendices, ont tenté le destin de flotter au-dessus du précipice seulement ensuite pour retrouver leurs corps dans une profusion enchevêtrée et brisée au fond, s'ils avaient eu la chance d'avoir survécu à l'événement. Après des siècles de rêve et le processus d'essais et d'erreurs douloureuses, deux frères Orville et Wilbur Wright ont réussi là où d'autres avant eux avaient échoué. Ils se sont envolés pour la première fois avec des engins ailés en 1903, mais comment ?

Les Wright expérimentaient depuis plusieurs années et, en 1902, ont fait une découverte clé. Ils ont découvert qu'un profil aérodynamique offrait une plus grande portance qu'une surface, dans ce cas une aile, qui est plate en haut et en bas. Un profil aérodynamique est essentiellement un plan géométrique plat d'un côté et incurvé ou convexe de l'autre. L'air passant au-dessus du côté convexe supérieur de la voilure, devant voyager plus loin pour atteindre le bord de fuite de l'avion ou de l'aile, doit voyager plus loin pour y arriver. L'air circulant sous l'aile -sur le côté plat- atteint l'arrière de l'aile plus rapidement que l'air circulant au-dessus. Ce différentiel relatif de vitesse de l'air représente également une différence de pression d'air étant plus faible sur le dessus de l'aile et plus grande sur le dessous. Ce différentiel de pression produit une dynamique appelée « portance » par les ingénieurs aéronautiques, et c'est la façon dont les plaines aériennes volent, mais il y a un peu plus. Monter là-haut est une chose, rester là-haut est un scénario entièrement différent comme l'apprendraient les frères Wright.

Comme la portance est générée par l'air passant au-dessus et sous l'aile, la force de gravité est surmontée et l'aile commence à monter. Mais comment faire pour que le vent se déplace au-dessus de l'aile ou que l'aile se déplace dans l'air en premier lieu. Eh bien, d'une part, c'est pourquoi les avions décollent toujours face au vent. D'autre part, cela rappelle une deuxième dynamique de vol qui s'appelle la traînée. La traînée est essentiellement la force globale de la gravité et de la résistance de l'air qui essaie toujours de ralentir un avion et de le ramener sur terre. . La force de gravité est bien sûr surmontée par la dynamique de portance. En fait, dans le cas d'un planeur, la gravité crée en fait une portance en augmentant le mouvement descendant des planeurs et en accélérant ainsi la vitesse de l'air passant sur la surface de l'aile, générant une portance. Cependant, même un planeur doit s'y rendre avant de pouvoir utiliser la gravité et les courants d'air pour générer de la portance, et il existe un autre aspect du vol que les Wright ont appris qui résout ce problème.

La dernière dynamique nécessaire au vol est appelée “thrust.” La poussée peut être fournie de plusieurs manières. Un planeur utilise un avion remorqueur pour le hisser à une altitude où le planeur peut voler tout seul. Dans ce cas, l'avion remorqueur fournit la poussée. Les avions propulsés utilisent des hélices ou des moteurs à réaction pour forcer l'air au-dessus et sous l'aile de l'avion. Les fusées sont un autre type de propulsion qui fournit une poussée et qui sont utilisées pour favoriser le vol. La poussée surmonte la traînée sur une plaine aérienne et fournit également une portance en déplaçant l'aile de la plaine dans les airs.

En décembre 1903, Wilbur et Orville Wright avaient développé une compréhension fondamentale de la dynamique du vol et sont retournés à Kitty Hawk en Caroline du Nord pour tenter à nouveau de planer avec les oiseaux. À cette occasion, ils ont parfaitement ajusté les coefficients de portance, de traînée et de poussée, et ont effectivement pris leur envol et volé. Le vol habité n'était plus un rêve mais une réalité.

Une fois qu'un avion est en vol, il existe un certain nombre de variables qui influenceront sa direction (cap) vitesse et ainsi de suite. Il y a trois dynamiques supplémentaires à considérer ici et elles sont “roll,” “pitch,” et “yaw,” et elles ont toutes à voir avec l'attitude de l'avion pendant qu'il vole. La façon la plus simple de comprendre chacune de ces dynamiques est de penser à une ligne passant par le centre du fuselage d'un avion d'avant en arrière. Le roulis se rapporte à la rotation des extrémités des ailes de l'avion en mouvement circulaire autour de cette ligne médiane. Le tangage fait référence au nez vers le haut ou vers le bas par rapport à la ligne médiane par rapport à la surface terrestre. Le lacet se rapporte à un décalage entre l'axe de l'avion et le cap réel de la boussole de son mouvement vers l'avant. Le roulis, le tangage et le lacet sont mesurés en degrés, et un paramètre de zéro degré pour chacune de ces dynamiques représente un avion en vol en palier.

Le contrôle du roulis, du tangage et du lacet maintient la stabilité de l'avion pour un vol en palier, mais ces dynamiques sont également exploitées pour modifier le cap et l'altitude de l'avion. La plupart des conceptions d'avions utilisent une section de queue qui comprend des stabilisateurs horizontaux et verticaux pour effectuer le tangage et le lacet. Le stabilisateur vertical contrôle le lacet et le stabilisateur horizontal effectue le tangage. Pour contrôler cette dynamique, le stabilisateur vertical est équipé d'une surface mobile appelée gouvernail, et le stabilisateur horizontal est équipé d'une surface similaire appelée ascenseur. Enfin, près de l'extrémité et du côté arrière des ailes, il y a des surfaces mobiles appelées ailerons qui contrôlent l'attitude de roulis de l'avion. À l'aide du gouvernail, des gouvernes de profondeur et des ailerons, le pilote peut faire pivoter et incliner l'avion, ainsi que le faire monter et descendre. Dans le cas de la montée et de la descente, le pilote accélère également les moteurs vers le haut ou vers le bas pour contrôler la quantité de portance générée par l'aile.

Enfin, la plupart des avions ont aujourd'hui des surfaces mobiles à l'arrière des ailes, et parfois à l'avant des ailes également, appelées volets. Les volets sont utilisés pour ajuster la dynamique de portance des ailes, et aussi pour augmenter la traînée pour ralentir l'avion. De plus, certains aéronefs à hélice peuvent ajuster le pas des pales de l'hélice, pour les amener à changer ou à inverser la direction du flux d'air, une capacité qui est également utilisée pour ralentir l'avion pendant l'atterrissage. Les avions à réaction accomplissent la même chose avec des inverseurs de poussée qui redirigent l'échappement du moteur vers l'avant.

Donc, comme vous pouvez le voir, et comme les frères Wright l'ont sûrement découvert, il y a un peu plus dans la façon dont un avion vole qu'il n'y paraît. Mais en même temps, ce n'est pas sorcier bien que ce soit assez proche.


1 réponse 1

tldr Pendant l'assemblage de l'ISS, la station a manoeuvré plus qu'elle ne le fait de nos jours.

Vous avez raison de dire que la pile Shuttle / ISS amarrée a été manœuvrée pendant la mission STS-115.

Les attitudes prévues pour les dernières missions de la navette sont disponibles dans les sections Attitude Timeline de leurs plans de vol, publiées sur la page JSC FDF. Le plan de vol STS-115 est ici.

En se référant à cela (pp 4-5 et 4-6), nous pouvons voir que pour la majorité de la phase amarrée, la pile a volé dans un Biais -XLV -ZVV attitude, mais manœuvré à quelques XPOP attitudes pour le déploiement des panneaux solaires installés par la mission.

L'ISS manœuvrera jusqu'à l'attitude de déploiement du réseau solaire 4A. Lors de la première isolation [sic] période après le sommeil, l'équipage devrait déployer le mât 4A Solar Array à 15,5 baies (49 %) puis à 31,5 baies (100 %). Une fois que 4A est déployé et que les vérifications visuelles sont terminées, le SSRMS sera configuré en vue du déploiement de 2A Solar Array. L'ISS manœuvrera jusqu'à l'attitude de déploiement du réseau solaire 2A et remettra le contrôle d'attitude à la navette. La navette maintiendra le contrôle d'attitude pendant le déploiement 2A et pour une isolation supplémentaire [sic] période. Le mât 2A Solar Array est déployé sur 15,5 baies (49 %), maintenu pendant 30 minutes pour le conditionnement thermique, puis le déploiement complet sur 31,5 baies (100 %). La chronologie protège pour 1 isolation [sic] période par Solar Array et une isolation supplémentaire [sic] période pour un déploiement d'urgence. Après ces trois périodes d'ensoleillement, en raison de l'ISS thermique a 6 h. période de récupération dans l'assiette nominale est nécessaire avant une nouvelle tentative de déploiement. La navette retournera à l'attitude nominale TEA avant de remettre le contrôle d'attitude à l'ISS.

  • -XLV -ZVV signifie que l'axe X négatif de l'ISS est pointé vers la verticale locale et l'axe Z négatif est pointé vers le vecteur vitesse. Cette attitude "biaisée -XLV -ZVV" était une attitude d'équilibre de couple pour la cheminée à ce stade de la construction de l'ISS lorsque la station était asymétrique. Les attitudes d'équilibre de couple sont expliquées ici.
  • XPOP ​​signifie que l'axe X de l'ISS est perpendiculaire au plan orbital.

Le cadre de référence de l'axe X perpendiculaire au plan d'orbite (XPOP) est illustré à la Figure C-3. XPOP ​​est un référentiel quasi-inertiel qui peut être visualisé par un lacet de 90° du référentiel LVLH à midi orbital. L'axe X pointe hors du plan, tandis que les axes Y et Z se trouvent dans le plan orbital. Notez que contrairement à LVLH, qui tourne avec la Station lorsque la Station tourne autour de la Terre, XPOP reste fixe avec l'axe X de la Station pointant hors du plan et l'axe Z est aligné avec le vecteur orbite midi. XPOP ​​est un cadre de référence «quasi-inertiel», car à mesure que le plan orbital régresse lentement, le cadre de référence XPOP régresse également pour maintenir l'axe X pointant en dehors du plan orbital.

(Description XPOP et image d'ici)

Au cours des premières étapes asymétriques de la construction de l'ISS, diverses attitudes ont été utilisées. D'autres sont discutés ici. Je ne trouve pas l'attitude dans laquelle le proto-ISS volait avant l'amarrage de STS-115, mais c'était encore une autre attitude - le plan de vol indique "La navette manœuvrera la pile dans l'attitude Bias -XLV + ZVV" après l'amarrage .


Quadcopter Roll Pitch et Yaw

Pexels / Pixabay

Maintenant que vous êtes familiarisé avec les axes de direction, voyons à quoi cela ressemble lorsqu'il est utilisé sur un drone.

Terrain

Lorsque vous utilisez le pitch, il déplace votre quadcopter ou drone sur son axe latéral. Pour cette raison, le drone s'incline par l'avant et s'abaisse par l'arrière.

Ceci est similaire à l'avion de lancement!

En conséquence, le quadcopter se déplacera vers l'avant ou vers l'arrière, selon la façon dont il est incliné. Considérez-le comme votre tête hochant la tête de haut en bas pour faire un geste « oui ». Ceci est similaire à l'avion de lancement!

Il « s'inclinerait » soit vers la droite, soit vers la gauche, se déplaçant d'un côté.

Le rouleau déplace votre drone quadricoptère sur un axe long, en s'inclinant d'un côté à l'autre. En conséquence, le drone se déplace d'un côté à l'autre, en fonction de son inclinaison. Il « s'inclinerait » soit vers la droite, soit vers la gauche, se déplaçant d'un côté.

Pensez-y comme à déplacer vos oreilles vers vos épaules, en inclinant votre tête d'un côté.

Pensez-y comme vous faites un geste de non, en secouant la tête d'un côté à l'autre.

Le lacet déplace votre drone quadricoptère dans le sens des aiguilles d'une montre ou dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, en restant au niveau de la surface. Cela changerait la direction du drone en fonction de sa rotation. Pensez-y comme vous faites un geste de non, en secouant la tête d'un côté à l'autre.

Manette de Gaz

C'est aussi un élément extrêmement important car, sans lui, vous ne pourrez pas vous déplacer dans les airs à la vitesse dont vous avez besoin pour courir.

C'est là que je veux mentionner la manette des gaz, qui n'est pas une rotation directionnelle mais contrôle l'altitude du drone. La manette des gaz est ce qui fait que votre drone décolle et contrôle la vitesse. C'est aussi un élément extrêmement important car, sans lui, vous ne pourrez pas vous déplacer dans les airs à la vitesse dont vous avez besoin pour courir.


Roulis, tangage, lacet

Aperçu: Dans cette leçon pratique, les élèves explorent les termes de vol « rouler », « tangage » et « lacet » et jouent à un jeu amusant où ils « survolent » à travers la pièce.

Notes : Préscolaire et K-2

Durée de la leçon : 30 – 45 minutes

Après avoir terminé cette leçon, les étudiants seront capables de :

  • Expliquez les différentes façons dont un avion peut se déplacer.
  • Donnez les définitions de « roulis », « tangage » et « lacet ».
Objectifs connexes du programme Space Racers TM :

Faits clés sur l'espace et l'exploration spatiale – Vol spatial/Aéronautique :

Matériaux:
  • Imprimez l'affiche « Roll, Pitch, Yaw ».
  • Trouvez un espace (à l'intérieur ou à l'extérieur) où les élèves peuvent « voler » comme des avions.
Activités de cours :

Activité 1 : Voler

  1. Dites à vos élèves qu'aujourd'hui vous allez parler de vol et de la façon dont les avions se déplacent dans les airs.
  2. Allez dans une zone de votre chambre ou de votre école (à l'intérieur ou à l'extérieur), où vous avez un espace ouvert.
  3. Demandez aux élèves d'écarter les bras, allant de gauche à droite, comme s'il s'agissait d'avions. Demandez aux élèves de faire semblant d'être des avions et de « voler » dans la salle.
  4. Demandez aux élèves d'expérimenter différentes façons de voler.
  5. Demandez aux élèves de s'aligner derrière vous et, en suivant le style du leader, dirigez-les dans la pièce, les bras écartés comme un avion et demandez à vos élèves de vous suivre pendant que vous «volez».
  6. Maintenant, inclinez votre corps d'un côté à l'autre, en inclinant votre bras droit vers le sol, puis faites de même avec votre bras gauche, en inclinant votre corps vers la gauche. Ensuite, levez la tête haute, puis abaissez la tête et les bras vers le bas. Volez vers la gauche puis volez vers la droite.
  7. Demandez à un volontaire d'être l'avion de tête et demandez à tout le monde (y compris vous) de le suivre pendant qu'il continue de voler. Demandez à quelques élèves supplémentaires d'être l'avion de tête à tour de rôle.
  8. Faites asseoir tout le monde au rez-de-chaussée. Demandez aux élèves de discuter de certaines des différentes façons dont ils se déplacent lorsqu'ils « volent » dans les airs. (Haut, bas, côte à côte, droit, etc.)

Activité 2 : Présentation du roulis, du tangage et du lacet

  1. Tenez un avion jouet. Demandez à un volontaire de décrire et de démontrer une façon dont un avion peut se déplacer. (De haut en bas, d'un côté à l'autre, etc.) Ensuite, demandez à un volontaire de décrire et de démontrer une autre façon dont un avion peut se déplacer.
  2. Montrez à vos élèves l'affiche « Rouler, tanger, lacet ». Tenez l'avion jouet et déplacez son aile gauche vers le bas, puis son aile droite vers le bas. Expliquez que ce mouvement en vol est appelé « roulis ». Pointez sur la colonne « rouleau » de l'affiche.
  3. Déplacez ensuite le nez de l'avion vers le haut puis vers le bas. Répétez cette action plusieurs fois, en demandant aux élèves de décrire le mouvement pendant que vous le faites (de haut en bas). Expliquez que ce mouvement de haut en bas en vol est appelé « tangage ». Pointez sur la colonne « hauteur » de l'affiche.
  4. Déplacez ensuite le nez de l'avion vers la gauche puis vers la droite et expliquez que ce mouvement en vol s'appelle « lacet ». Pointez sur la colonne « lacet » de l'affiche.

Conseil : Pour illustrer les concepts de « roulis », « tangage » et « lacet », montrez et discutez des images animées sur le site Web du National Air and Space Museum : http://howthingsfly.si.edu/flight-dynamics/roll-pitch-and-yaw

Activité 3 : Roll, Pitch, Yaw Rap (facultatif)

    Pour aider vos élèves à apprendre les termes « rouler », « tangage » et « lacet », enseignez-leur le rap suivant :


Contenu

Le vol d'un véhicule spatial est déterminé par l'application de la deuxième loi du mouvement de Newton :

F est la somme vectorielle de toutes les forces exercées sur le véhicule, m est sa masse actuelle, et une est le vecteur d'accélération, le taux instantané de changement de vitesse (v), qui à son tour est le taux instantané de changement de déplacement. Résoudre pour une, l'accélération est égale à la somme des forces divisée par la masse. L'accélération est intégrée dans le temps pour obtenir la vitesse, et la vitesse est à son tour intégrée pour obtenir la position.

Les calculs de la dynamique de vol sont gérés par des systèmes de guidage informatisés à bord du véhicule. L'état de la dynamique de vol est surveillé au sol pendant les manœuvres motorisées par un membre de l'équipe des contrôleurs de vol connu au Human Spaceflight Center de la NASA en tant qu'officier de la dynamique de vol, ou dans l'European Agence spatiale en tant que navigateur du vaisseau spatial. [1]

Pour le vol atmosphérique propulsé, les trois forces principales qui agissent sur un véhicule sont la force de propulsion, la force aérodynamique et la gravitation. D'autres forces externes telles que la force centrifuge, la force de Coriolis et la pression de rayonnement solaire sont généralement insignifiantes en raison de la durée relativement courte du vol motorisé et de la petite taille de l'engin spatial, et peuvent généralement être négligées dans les calculs de performances simplifiés. [2]

Propulsion Modifier

La poussée d'un moteur-fusée, dans le cas général de fonctionnement dans une atmosphère, est approximée par : [3]

F n = m ˙ v e = m ˙ v e − op t + A e ( p e − p a m b ) =>v_=>v_+A_(p_-p_)>

où:
m ˙ >> = débit massique des gaz d'échappement
v e