home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Frostbyte's 1980s DOS Shareware Collection / floppyshareware.zip / floppyshareware / GLEN / AMS.ZIP / PHYSICS.DOC < prev    next >
Text File  |  1989-03-24  |  9KB  |  202 lines
  1. 2
  2. Physics
  3.  
  4. This document contains brief tutorials on some physical and mathematical
  5. concepts you may find helpful in understanding the AMS.    A more general and
  6. complete source of information on these topics can be found in any elementary
  7. physics text.    Topics include:
  8.  
  9. Vectors
  10. Newton's Law
  11. Orbital Parameters
  12. Perilune/Apolune Adjustments
  13. Plane Change Maneuvers
  14. Vectors
  15.  
  16. A vector is a shorthand way to represent a quantity that     ┌──────────────────┐
  17. has both a magnitude and a direction, e.g., a velocity of    │VECTOR NOTATION:    │
  18. 5m/s toward the north.    A vector is written as a symbol        │ v    <=>    {i,j,k}    │
  19. with a "~" underneath and corresponds to an ordered                │ ~                                │
  20. triplet of real numbers, each of which gives the magnitude │ w    <=>    {x,y,z}    │
  21. of the vector in one of three orthogonal directions,             │ ~                                │
  22. e.g., {east,north,up}.                                                                         └──────────────────┘
  23.  
  24. Operations involving vectors include addition and     ┌─────────────────────────┐
  25. subtraction, multiplication by a scalar, the dot        │VECTOR ADDITION                    │
  26. product, and the cross product.                                         │                     /SUBTRACTION: │
  27.                                                                                                         │ v ± w    =    {i±x,j±y,k±z} │
  28. Addition/Subtraction:    The sum (difference) of two    │ ~     ~                                     │
  29. vectors is the sum (difference) of their                        └─────────────────────────┘
  30. components.                                                                                     ┌───────────────────────┐
  31.                                                                                                             │SCALAR MULTIPLICATION: │
  32. Scalar Multiplication:    Multiplication of a vector by │ b·v    =    {bi,bj,bk}        │
  33. a scalar changes its magnitude by multiplying each of │     ~                                     │
  34. its components.                                                                             └───────────────────────┘
  35. Vectors (continued)
  36.  
  37. Dot Product:    The dot (or scalar) product is found by    ┌──────────────────────┐
  38. summing the products of corresponding components.    The │DOT (SCALAR) PRODUCT: │
  39. result can also be written as the product of the             │ v · w    =    ix+jy+kz     │
  40. magnitudes of the two vectors times the cosine of the    │ ~     ~    =    v·w·cos(Θ) │
  41. angle between them.    Two vectors at right angles to        └──────────────────────┘
  42. one another have a dot product of zero, since                    ┌──────────────────────┐
  43. cos(90°) = 0.    The magnitude of a vector is equal to     │VECTOR MAGNITUDE:         │
  44. the square root of the dot product of a vector with        │ v    =    sqrt(v·v)            │
  45. itself.    A unit vector has a magnitude of one.    Body     │                        ~ ~             │
  46. axes are sets of three orthogonal unit vectors                 │        =    sqrt(i²+j²+k²) │
  47. {face,left,up} used to define the orientation of the     └──────────────────────┘
  48. OL, LV, UN, HB, MB, RV, and PLSS.    The OL up axis points north, ┌─────────────┐
  49. the left axis points toward the Earth, and the face axis is         │UNIT VECTOR: │
  50. perpendicular to the other two.    Body axes for the LV, UN, MB,    │ u · u    =    1 │
  51. RV, and PLSS are referenced to the pilot.    The HB faces east        │ ~     ~             │
  52. with the left axis pointing north.    The LV main engines are         └─────────────┘
  53. located below the pilot in the LV so that, when ignited, the LV is accelerated
  54. in the direction of the pilot's head.
  55. Vectors (continued)
  56.  
  57. Cross Product:    The cross product of two            ┌───────────────────────────────┐
  58. vectors is another vector perpendicular to        │CROSS PRODUCT:                                 │
  59. the plane formed by the two vectors.    The         │ v x w    =    {jz-ky,kx-iz,iy-jx} │
  60. result can also be written as the product of    │ ~     ~    =    v·w·sin(Θ) u                │
  61. the magnitudes of the two vectors times the     │                                            ~                │
  62. sine of the angle between them.    The                    └───────────────────────────────┘
  63. direction of the resulting vector can be established using a right-hand rule.
  64.  
  65. The orthogonality of the cross product to one of its constituents is
  66. demonstrated as an example of vector manipulation:
  67.  
  68. v · ( v x w )    =    {i,j,k} · {jz-ky,kx-iz,iy-jx}
  69. ~         ~     ~        =    ijz - iyk + xjk - ijz + iyk - xjk
  70.                              =    0 .
  71. Newton's Law
  72.  
  73. Newton's Law states that the acceleration of an object "a" is    ┌──────────────┐
  74. proportional to the applied force "F" and inversely                        │NEWTON'S LAW: │
  75. proportional to its mass "m".    Forces acting on the LV include │ a    =    F / m    │
  76. gravity, main engines, and RCS thrusters.    For example, a            │ ~         ~            │
  77. fully loaded LV has a mass of 17,744kg and the RCS thrusters     └──────────────┘
  78. at medium throttle have a thrust of 197nt.    The resulting acceleration is
  79. 0.0111 m/s².
  80.  
  81. The acceleration due to gravity is independent of the            ┌──────────────────┐
  82. mass of the object.    It is directed toward the center of     │GRAVITATION:            │
  83. the moon and inversely proportional to the square of the     │ g    = - G r / r^3 │
  84. distance to the center of the moon.    The magnitude of the    │ ~                ~             │
  85. gravitational acceleration at the surface of the moon is     │ G = 4.9075x10^12 │
  86. given by                                                                                                     └──────────────────┘
  87.  
  88. g    =    - G / R²    =    - (4.9075x10^12) / (1738300)²    =    -1.624 m/s² .
  89.  
  90. where "R" is the lunar radius and the symbol "^" means "raised to the power".
  91. Orbital Parameters
  92.  
  93. Important orbital parameters include angular momentum, energy, perilune,
  94. apolune, and orbit period.
  95.  
  96. Angular Momentum:    The angular momentum "L" is a constant of motion, given by
  97.  
  98. L / m    =    v x r ,
  99. ~                 ~     ~
  100. where "m" is the mass, "v" is the velocity, and "r" is the position relative
  101. to the moon of the spacecraft.    The direction of the angular momentum vector
  102. can be displayed on the INS display.
  103.  
  104. Energy:    The total energy of a spacecraft "E", another constant of motion, is
  105. the sum of kinetic and potential energies:
  106.  
  107. E / m    =    v² / 2    -    G / r .
  108.  
  109. If the total energy is less than zero, the spacecraft is in a closed,
  110. elliptical orbit.    If the energy is greater than zero, the spacecraft is in a
  111. hyperbolic orbit and will eventually escape the moon.    If the energy equals
  112. zero, the spacecraft is in a parabolic escape trajectory.
  113. Orbital Parameters (continued)
  114.  
  115. Perilune/Apolune:    Assuming that the spacecraft is in a closed elliptical
  116. orbit, the eccentricity and semimajor axis of the ellipse are
  117.  
  118. e    =    sqrt [ 1 + 2 (E/m) (L/m)² / G² ]    and
  119.  
  120. s    =    - G / (2E/m) ,
  121.  
  122. respectively.    The perilune and apolune are given by
  123.  
  124. { perilune / apolune }     =     s ( 1 ± e ) - R ,
  125.  
  126. where "+" gives the apolune and "-" gives the perilune.
  127.  
  128. Period:    The orbital period is found from
  129.                                         
  130. T    =    sqrt [ 4 π² s^3 / G ] .
  131. Orbital Parameters (continued)
  132.  
  133. Circular Orbits:    For the case of a circular orbit, the magnitude of the
  134. velocity is related to the distance to the center of the moon.    In order to
  135. maintain constant altitude, the    gravitational force must exactly balance the
  136. centrifugal acceleration, i.e.,
  137.  
  138. G / s²    =    v² / s     =>     v    = sqrt [ G / s ] .
  139.  
  140. For example, a 150km circular orbit implies a velocity magnitude of 1612.1m/s.
  141. The orbital period is 7360s for the same orbit.
  142. Perilune/Apolune Adjustments
  143.  
  144. The velocity change required to raise or lower the perilune or apolune can be
  145. approximated using the Orbital Parameters discussion.    Using the equation
  146.  
  147. s    =    - G / (2E/m)    =    R + P/2 + A/2 ,
  148.  
  149. where "P" is the perilune and "A" is the apolune, perilune and apolune changes
  150. can be found by differentiation:
  151.  
  152. ds         1 dP         1 dA             G    d     1                    G        d(E/m)             Gv
  153. ──    =    ─ ──    =    ─ ──    =    - ─ ── (───)    =    ─────── ──────    =    ────── .
  154. dv         2 dv         2 dv             2 dv    E/m            2(E/m)²     dv             2(E/m)²
  155.  
  156. Therefore,
  157.  
  158. dP        dA             Gv
  159. ──    = ──    =    ─────    .
  160. dv        dv         (E/m)²
  161.  
  162. For example, at DOI in a 150km circular orbit, v = 1612.1m/s and
  163. E/m = -1334223(m/s)² so that dP/dv = 4444s.    A 1m/s velocity change results
  164. in a 4.4km change in perilune.    A 130km change requires about 30m/s.
  165. Plane Change Maneuvers
  166.  
  167. The velocity change required to modify the orbital plane can also be
  168. approximated using the Orbital Parameters discussion.    The magnitude of the
  169. angular momentum for a spacecraft in a circular orbit is
  170.  
  171. L / m    =    v r    = sqrt [ G r ] .
  172.  
  173. The torque "N" applied by a main engine or RCS burn with thrust "T" at right
  174. angles to the orbital plane adds a component perpendicular to the angular
  175. momentum vector with magnitude
  176.  
  177. d(L/m)     
  178. ──────    =    (N/m)    =    (T/m) r    =    a r ,
  179.     dt
  180.  
  181. where "a" is the acceleration of the spacecraft due to the applied thrust.
  182. Both sides can be divided by the acceleration, and the expression "a dt" can
  183. be replaced by "dv" so that
  184.  
  185. d(L/m)     
  186. ──────    =    r .
  187.     dv
  188. Plane Change Maneuvers (continued)
  189.  
  190. The angular change (in radians) can be approximated by dividing both sides by
  191. (L/m) = sqrt[Gr],
  192.  
  193. dΦ                                                1 
  194. ──    =    sqrt [ r / G ]    =    ─ .
  195. dv                                                v
  196.  
  197. where "v" is the circular orbit velocity magnitude.    For example, a 1m/s
  198. velocity change in a 150km orbit results in an angular change of 0.62
  199. milliradians or 0.036°.    A 1° angle change requires a velocity change of about
  200. 28m/s.
  201.  
  202.