Цікаво і пізнавально: керована посадка на ПТК НП

  
Наступний етап великої і, сподіваюся, цікавою серії навчальних постів про польоти в Orbiter. Після того, як в попередньому пості ми успішно зістикувався з МКС, очевидна наступне завдання — повернутися назад на Землю, зробивши точну посадку з прийнятними перевантаженнями.
Цей піст має мету:
 
     
  • Розповісти про кораблі ПТК НП.
  •  
  • Дати уявлення про фізику маневрів гальмування і посадки.
  •  
  • Уявити просте керівництво для точної посадки в Orbiter.
  •  
 
 

Попередні пости

Цей цикл постів про Orbiter виходить з ідеї послідовного збільшення складності. Перед польотом по цій інструкції рекомендую ознайомитися з попередніми постами:
 Історія космонавтики . Спостереження за польотами без активної участі.
 «Бриз-М» . Базові маневри, вихід на ДСО.
 Політ до МКС . Маневри для зближення і стикування.
 
 

Трохи історії та теорії

Великий «бабах» челябінського метеорита дуже наочно показує, що відбувається з непідготовленим космічним тілом, що входять в атмосферу з великою швидкістю. Рух в атмосфері викликає тертя, яке, в свою чергу, призводить до нагрівання. Якщо апарат, що входить в атмосферу, не захищений спеціальними інженерними рішеннями, він зруйнується.
Історично, повернення апаратів з орбіти пов'язано з пілотованими польотами і супутниками фоторозвідки (поверталася відзнята плівка). Першим об'єктом, повернутим з орбіти, стала порожня капсула для плівки (відпрацьовувалася технологія) «Діскаверер-13», приземлилася 10 серпня 1960. 18 серпня повернулася капсула з відзнятої плівкою «Діскаверер-14»:
 
а 19 серпня приземлилися Білка і Стрілка:
 
 
 
Гальмування в космосі
Перше завдання, яке треба вирішити — визначення часу видачі гальмівного імпульсу. Земля обертається навколо своєї осі, і місце посадки обертається разом з нею. Супутник же обертається по своїй орбіті, площина якої зазвичай нахилена відносно осі обертання Землі:
 
Якщо провести на карті лінію руху супутника над Землею, то вийдуть синусоїди, які з часом зсуваються вліво по карті через обертання Землі:
 
Тому, якщо ми хочемо приземлитися в район посадки, це можна зробити далеко не на кожному витку. Але, знаючи орбіту корабля, можна передбачити, коли місце посадки опиниться в площині орбіти.
Друге завдання — видати необхідний гальмівний імпульс. У кожного реального космічного апарата є допустимий діапазон кутів входу в атмосферу. Якщо кут занадто великий, то щільність атмосфери наростатиме занадто швидко, і це викличе неприпустимі перевантаження або неприпустиму теплове навантаження на теплозахист. Якщо кут занадто маленький, то атмосфера не зможе «захопити» апарат, і він відлетить назад у космос.
 
 
 
Гальмування в атмосфері
Третє завдання — пережити гальмування в атмосфері. Для цього апарати оснащують спеціальної теплозахистом. Абляціонная теплозахист зроблена з безлічі шарів асбестотекстоліта, просоченого обмазкой з фенолформальдегідних смол. Вона повільно згорає, як книга, по шарах, втрачаючи зі згорілим шаром принесену ззовні температуру. Така теплозахист одноразова, вона використовувалася з початку космонавтики, широко використовується і зараз. Другий варіант — композитні матеріали і кераміка, з яких робляться багаторазові плитки, що покривають апарат. «Спейс-Шаттл» і «Буран» використовували цей варіант.
Четверте завдання — управління спуском. Спочатку спуск був некерованим. Радянські апарати були круглі, вони автоматично орієнтувалися в потоці як іван-встанька і спускалися по балістичній траєкторії. Така схема дуже надійна, вона використовується і зараз у наукових та біологічних супутниках «Фотон» і «Біон». Американські апарати використовували маневрові двигуни і закрутку для підтримки режиму польоту теплозахисним екраном вперед. Балістичний спуск має серйозні недоліки — перевантаження досягає 9 g при поверненні з кругової орбіти, 12 g при поверненні з Місяця, а район посадки вимірюється в сотнях або навіть тисячах квадратних кілометрів. Тому розробники космічної техніки стали розробляти апарати з керованою посадкою — «Аполлон» і «Союз». Ідея, реалізована в них, однакова. Розміщення центру мас поза осі симетрії призводить до того, що апарат летить під сталим кутом атаки, що створює підйомну силу:
 
Ця підйомна сила витрачається на наступні дії:
 
     
  • Уповільнення зниження апарату, що розтягує гальмування, зменшуючи перевантаження.
  •  
  • Управління зниженням, що дозволяє приземлятися більш точно.
  •  
При керованому спуску у «Союзів» і «Аполлонов» перевантаження досягає 3-4 g, і відхилення від точки прицілювання зазвичай становить кілька кілометрів.
 
 
Посадка
П'яте завдання — м'яка посадка. У США всі кораблі крім шатлів сідали на воду. Вода «м'якше» землі при посадці на невеликій швидкості, а великий флот США дозволяв швидко і ефективно піднімати на борт приводнився апарати. У СРСР на кораблях «Восток» космонавт катапультувався на висоті кількох кілометрів, щоб, замість удару об землю в апараті, амортизувати удар ногами. «Восходи» і «Союзи» використовували парашутно-реактивну систему: парашут дає сталу невелику швидкість зниження, а перед самим торканням землі реактивні двигуни зменшують її, в ідеалі, до нуля.
 
 

ПТК НП

Розробляється зараз Перспективна Пілотована Транспортна Система (ППТС), вона ж Пілотований транспортний корабель нового покоління (ПТК НП) — це корабель з досить довгою і цікавою історією. І необхідно розповісти і пояснити, навіщо він потрібний, і чому він використовує вибрані технічні рішення.
 
 
Навіщо він потрібен?
Це не просте запитання. Справа в тому, що корабель «Союз» спочатку створювався для польотів до Місяця і, теоретично, може впоратися із завданнями, які ставляться перед ПТК НП. За вже скоро п'ятдесят років експлуатації «Союз» отримав репутацію отакої космічної «Газелі» — не дуже комфортного, тісної, але витривалого і надійного корабля. Навіщо його міняти на щось нове? Однак, такі причини є. Незважаючи на всі свої достоїнства, «Союз» має недоліки, які не можна виправити модернізацією:
 
     
  1. Економіка. Одноразові і повністю багаторазові кораблі виявилися не дуже вдалими крайностями. Частково-багаторазовий корабель, в якому замінюються тільки витратні вузли типу теплозахисного щита, повинен виявитися дешевше і простіше в експлуатації. «Союз» зробити частково-багаторазовим не можна — удар об землю при посадці порушує гарантію на міцність корпусу. Можна (і так робиться) знімати вузли з літав корабля і ставити на новий, але, оскільки це не передбачено конструкцією, виходить не дуже ефективно.
  2.  
  3. Великий розмір зон посадки. Зараз зони посадки «Союзу» стали вже сприйматися як великі. Можливості маневрування при спуску обмежені конструкцією апарату, що спускається — висока «фара» не може вийти на великі кути атаки. Точна посадка не сумісна з розкриттям парашутів на висоті 10 км — за кілька хвилин спуску вітер може понести корабель на велику відстань.
  4.  
  5. Балістичний спуск. Режим балістичного спуску вимагає резервування окремого району посадки: перший район для керованої посадки, другий — на випадок зриву в балістичний спуск. Перевантаження в 9 g не сподобається космічним туристам, а при поверненні з Місяця перевантаження в 12 g вже стає небезпечною для здоров'я. Гірше того, зрив у балістичний спуск при поверненні з Місяця у «Союзу» означає аварійне приводнення в Індійському океані, що зараз вже нікуди не годиться.
  6.  
  7. Тіснота. Союз — досить тісний корабель. Звичайно, космонавтам не звикати долати тяготи і позбавлення космічного польоту, але, чому б не прибрати їх, якщо це можливо? А якщо ми збираємося возити космічних туристів, то і завантажити їх краще побільше, і умови їм надати прийнятні.
  8.  
  9. Маленький вага повертається вантажу. Спусковий апарат "Союзу» може повернути всього 50 кг вантажу разом з астронавтами, що доставляє незручності.
  10.  
  11. Невеликий запас характеристичної швидкості. Якщо ми збираємося летіти до Місяця, то хочеться мати більший, ніж зараз, запас характеристичної швидкості (delta-V). Радянська місячна програма була вкрай, на рівні ризику безпекою польоту, обмежена за запасами палива через недостатню вантажопідйомності ракети Н-1, а просте збільшення приладно-агрегатного відсіку «Союзу» неможливо без, фактично, створення нового корабля.
  12.  
  13. Обмеження носія. Корабель «Союз» міцно прив'язаний до ракети-носія «Союз», яка зараз виводить його без резерву щодо збільшення вантажопідйомності. Пересадити корабель на «Протон», як це робилося в 60-і роки для місячної програми теоретично можливо, але вкрай нераціонально, тому що «Протон» поступово сходить зі сцени через своїх недоліків.
  14.  
 
 
Прощай, крила
Одним з помітних технічних рішень, які прийняті на ПТК НП, стала відмова від крил (порівняйте з «Кліпер» і «Максим» ). ПТК НП — це капсула, трохи схожа на американський «Аполлон». Справа в тому, що крила несумісні з універсальністю. Вони допомагають здійснювати точну посадку, але ця вигода не порівнянна з втратами, які виникнуть, якщо розганяти марну в космосі масу крил і аеродинамічних поверхонь до Місяця, базі в точці Лагранжа, астероїдам або Марсу.
 
 
Особлива посадка
Другим помітним технічним рішенням стала система посадки ПТК НП. Спочатку вона замислювалася повністю реактивної, тому що така схема дає найбільшу точність посадки. Однак, повністю реактивна посадка викликає питання безпеки, тому парашути повернулися. У нинішньому вигляді система посадки складається з наступних етапів:
 
     
  1. На висоті кількох кілометрів скидається теплозахисний щит (як на Союзі).
  2.  
  3. Три парашута розкриваються на висоті 1,5 км. Оскільки використовується три купола, запасний парашут не потрібен (відмова одного купола дає припустиме збільшення швидкості зниження).
     
  4.  
  5. Розкриваються посадочні амортизуючі опори.
     
  6.  
  7. Безпосередньо перед торканням землі спрацьовує складна реактивна система посадки. Вона парирує бічний знос вітром (якщо він є) для вертикального зниження капсули і зменшує швидкість зниження до м'якого дотику.
  8.  
  9. Енергія торкання про землю амортизується посадочними опорами і амортизуючими кріслами екіпажу (в якості запобіжного заходу).
  10.  
Така схема посадки, як очікується, забезпечить потрапляння в квадрат 5х5 км при штатній посадці.
 
 
Історія розробки
Починалося все, напевно, з ідеї ACTS — спільного з ЄКА корабля для польотів до Місяця, приблизно в середині нульових. Спочатку планувався, судячи з усього, модифікований «Союз» з розгінним блоком «Фрегат» і спільним російсько-європейським обладнанням:
 
До кінця нульових ідея спільного з ЄКА корабля померла, корабель став розроблятися як тільки російський, і, замість модифікації «Союзу», став створюватися з чистого аркуша. Характерним для кінця нульових став спусковий апарат з напливом маневрових двигунів збоку:
 
З початком десятих років наплив зник:
 
Саме ця модель реалізована в Orbiter. Вона вже застаріла і не дуже реалістична (навіщо 8 маршових двигунів?).
Останнє за часом поява корабля на публіці — МАКС 2013:
 Роботи вельми активно ведуться, про них регулярно розповідає ТВ Роскосмосу. Останній ролик — програма «Космонавтика», показана минулої суботи:
  
 
Джерела новин
Відслідковувати прогрес по ПТК НП можна по:
  
 

Підготовка до польоту

Для цього польоту нам необхідні:
  
 

План польоту

Цей політ можна розділити на наступні етапи:
 
     
  1. Поєднання площини орбіти з місцем посадки.
  2.  
  3. Гальмування для сходу з орбіти.
  4.  
  5. Кероване гальмування в атмосфері.
  6.  
  7. Посадка.
  8.  
 
 

Етап 1. Поєднання площини орбіти з місцем посадки

Завантажуємо сценарій. Я вибрав збережений у минулому пості політ, так мені здалося цікавіше, ви ж можете скористатися вашими збереженнями або ж завантажити сценарій PTK NP — Docked to ISS :
 
Отже, ми пристиковані до МКС.
 
Ми хочемо повернутися на космодром «Східний», тому в МФД карти вибираємо його як мету (правий Shift — T , Spaceports — Vostochny ). Також, переведемо лівий МФД в режим Aerobrake (лівий Shift — F1 , лівий Shift — E , вибір мети лівий Shift-T , набрати Vostochny у вікні). Прискорюючи час, почекаємо, поки на наступному витку ми не будемо пролітати над «Східним». Розстиковує з МКС по Ctrl-D і дамо невеликий імпульс для розбіжності:
 
До побачення, МКС!
 
 

Етап 2. Гальмування для сходу з орбіти

Після розбіжності з МКС ми чекаємо, коли до Східного залишиться 18 000 км, орієнтуємо корабель на гальмування кормою вперед і даємо імпульс для сходу з орбіти в момент, коли до Східного залишиться 17000 км.
 
Гальмуємо доти, поки МФД Aerobrake не покаже недоліт 1000 км:
 
Недоліт нам потрібен для утилізації аеродинамічного якості.
 
 

Етап 3. Кероване гальмування в атмосфері

Перед входом в атмосферу необхідно ще зробити поділ відсіків. Зорієнтуємо корабель в положення проти вектора орбітальної швидкості (кормою вперед) і з нульовим креном. Є хороший автоматичний режим підтримки орієнтації «за рівнем горизонту» — L :
 
Дочекаємося висоти 150 км і відстріл кабель-щоглу натисканням K , скинемо приладно-агрегатний відсік натисканням J . На жаль, після поділу відсіків скинуться параметри МФД. Виберемо знову «Східний» як мета на Aerobrake MFD. Зверніть увагу на зміну недольоту — МФД, на жаль, вважає тільки реальні дані, без прогнозу. Натисканням кнопок PRJ і PG переведемо його в режим карти. Переведемо правий МФД в режим атмосферного польоту (правий Shift — F1 , правий Shift — S ). Результат на зображенні:
 
Двома нашими способами управління будуть тріммер і крен. Тример встановлюється кнопками Ins і Del блоку над клавішами курсора і імітує положення центру мас:
 
У реальності цей кут фіксований, але тут, на щастя, ми можемо його міняти, це додає гнучкості.
Змінюючи кут крену ми можемо створювати бічну складову підйомної сили для зміщення на північ або південь. Якби апарат був більш маневрений, можна було б витрачати надлишкову енергію, рухаючись «змійкою», але у мене це не вийшло.
На висоті 130 км, де з'являються перші сліди атмосфери, встановимо кут тангажу 10 градусів і встановимо триммер по максимуму вгору.
 
 На 100 км саме час включити музику в тему
У процесі зниження з початком дії атмосфери капсула встановиться на кут тангажу приблизно 12 градусів. Можливі коливання, але не допускайте сильної розкачки, парируйте її режимом KILLROT (Num 5 ).
Висота 65 км, зверніть увагу на зменшення недольоту на лівому МФД та індикацію помітною підйомної сили на правому МФД:
 
Висота 61 км. Капсула вже втратила один кілометр в секунду і переходить в набір висоти за рахунок підйомної сили:
 
Висота 50 км. На лівому МФД зверху з'являється трек нашого польоту:
 
Судячи по треку, ми пройдемо трохи південніше. Для того, щоб зміститися на північ, нам треба нахилити корабель вправо. У цьому випадку, підйомна сила отримає бічну складову, отклоняющую нас на північ. Необхідно дотримуватися балансу між збереженням підйомної сили та зміщенням вбік, щоб не сісти з недольотом.
 
На висоті нижче 40 км повертаємо корабель в більш вертикальне положення — швидкість падає, підйомна сила падає. Зверніть увагу на перевантаження — 3,3 G — цілком комфортно, і вона вже знижується. Таку перевантаження можна і в громадському транспорті випробувати.
 
Нижче 15 км Обнуляємо триммер, нам він уже не допоможе. Помилка 12 км, шкода, більше, ніж мені б хотілося.
 
 
 

Посадка

На висоті не нижче 5 км скидаємо люк парашутного відсіку натисканням J . На висоті не нижче 3 км запускаємо процедуру розкриття парашутів натисканням K . На висоті 1 км скидаємо теплозахисний екран натисканням J і розкриваємо посадочні опори натисканням G . Йдемо на посадку:
 
На висоті 30 м включаємо гальмівні двигуни (звичайним способом — натискаємо Num + і фіксуємо активацію кнопкою Ctrl )
 
За торкання землі (якщо встигнете) відключаємо двигуни. Складаємо парашути (лівий Shift — Num 1 ) і відкриваємо люк (лівий Shift — Num 2 ). Є посадка!
 
 
 

Висновок

Специфіка керованої посадки в тому, що доводиться діяти швидко, і немає можливості виправити помилку. Тому хороші результати прийдуть з практикою. Мій особистий рекорд — 550 метрів від точки прицілювання. Успіхів у керованої посадки!
На всякий випадок — російськомовний мануал . Для ПТК НП та інших аддонов зазвичай є документація, вона знаходиться в папках Doc або Add-on Docs.
 
За КДПВ спасибі сайту з картинами Леонова і Соколова .
Джерело зображень ПТК НП — RussianSpaceWeb .
  
Джерело: Хабрахабр

0 коментарів

Тільки зареєстровані та авторизовані користувачі можуть залишати коментарі.