Політ на Марс: не-Гомановская траєкторія, аэроторможение та складності посадки в розрідженій атмосфері


Осінь, сум, ностальгія. Саме час розвіятися, влаштувати собі освітній квест, полетівши на Марс. Віртуально, звичайно, в Orbiter'е. А щоб було цікавіше, гальмувати біля Марса ми будемо не двигунами, а тертям об атмосферу.

План польоту

Для найбільшої зрозумілості та зручності, наш політ буде розбитий на прості етапи:
  1. Старт з Землі.
  2. Совмещещение площин орбіт.
  3. Розгін до Марса.
  4. Корекції траєкторії на шляху до Марса.
  5. Коридор входу.
  6. Гальмування в атмосфері.
  7. Підготовка до посадки.
  8. Політ в атмосфері і посадка

Підготовка до польоту

Крім самого Orbiter'а нам буде потрібно тільки AerobrakeMFD (архів просто розпакувати в папку встановленого симулятора).

Використовувані визначення

Якщо ви не читали попередні публікації серії, варто розгорнути.Апоцентр — найвища точка орбіти. Для орбіти навколо Землі також використовується назва «апогей».
Перицентр — найнижча точка орбіти. Для орбіти навколо Землі також використовується назва «перигей».
Нахилення орбіти — кут між площиною орбіти та іншою площиною (площиною, що проходить через екватор Землі або площиною орбіти іншого тіла)
Висхідний вузол — точка, в якій орбіта перетинає площину екватора Землі або площина орбіти іншого тіла, опиняючись «вище» неї. «Вище» і «нижче» визначаються умовними північним і південним полюсами.
Спадний вузол — точка, в якій орбіта перетинає площину екватора Землі або площина орбіти іншого тіла, опиняючись «нижче» неї. «Вище» і «нижче» визначаються умовними північним і південним полюсами.
Наприклад, якщо ми говоримо про орбіті Місяця навколо Землі, картинка буде наступною:



Етап 1. Старт з Землі

Насамперед необхідно включити в розділі «Параметри» режим «нескінченного палива», знявши галочку:


Потрібний нам сценарій — «DG-S ready for takeoff» в папці Delta-glider. У ньому наш корабель вже стоїть на злітно-посадковою смугою на мисі Канаверал, готовий до зльоту.




Дельта-глайдер — робоча конячка Orbiter'а

Натиснувши F1 перейдемо в режим «вид з кабіни». Натискаючи F8 перемкнемо вид в режим «скляного кокпіта».



Ліворуч і праворуч розташовані багатофункціональні дисплеї (МФД, MFD). На ці дисплеї ми будемо виводити різні прилади, які будуть потрібні нам в польоті. Гарячі клавіші роботи з МФД використовуються з попередньо натиснутим лівим і правим Shift для лівого і правого МФД відповідно. Меню вибору МФД викликається натисканням Shift-F1 або клацанням мишки на кнопці MNU під МФД. Кокпіт інтерактивний, якщо вам лінь запам'ятовувати гарячі клавіші, можна натискати кнопки кліками миші. Перемкнемо лівий МФД в режим «Поверхню» натисканням Shift — F1, Shift — S, а правий в режим «Орбіта» натисканням Shift — O. Для зручності відображення змінимо режим проекції на правому МФД з екліптичній на корабельну натисканням Shift — P (МФД замінить ECL на SHP у своїй правій верхній частині) і змінимо режим відліку висоти з центру небесного тіла на висоту від поверхні комбінацією Shift — D (МФД замінить відстань перицентра і апоцентра PeR і ApR на висоти перицентра і апоцентра PeA і ApA).
Рекомендую запам'ятати одну комбінацію клавіш Ctrl — P. З нею ви завжди зможете поставити симулятор на паузу.
Другий дуже корисний набір гарячих клавіш управляє часом — R — уповільнює час в 10 разів, T — прискорює в 10 разів.
Перед зльотом необхідно включити двигуни системи орієнтації (Ctrl — / на цифровій клавіатурі) і встановити тример до упору вгору, утримуючи кнопку Delete над блоком курсорних клавіш.
Включаємо і фіксуємо маршові двигуни (натиснути Num +, потім Ctrl, відпустити Num +, відпустити Ctrl). Починаємо розбіг. При правильно встановленому тримери корабель почне відриватися від смуги самостійно:



Прибираємо шасі (кнопка G) і, управляючи з цифрового блоку клавіатури, розгортаємо корабель на курс 90°. Керуючи тримером (Insert вниз Delete вгору) і режимом зупинки обертання KillRot (Num 5) починаємо розгін, витримуючи кут тангажа 20-30°.



Починаючи з висоти ~30 км тримери і режим KillRot перестануть справлятися. Можна не втручатися в управління (в цьому випадку будуть ділянки невеликого зниження), можна переключитися в режим 2D кокпіта (натискаючи F8) і змінювати вектор тяги маршових двигунів, вийти на орбіту це не завадить. Розганяємося до тих пір, поки апоцентр орбіти не досягне 200 км.



Вимикаємо маршовий двигун кнопкою Num *. Займаємо положення по вектору орбітальної швидкості (режим PROGRD [) і чекаємо апоцентра. В районі апоцентра знову включаємо маршовий двигун і піднімаємо перицентр до ~200 км.



Отже, ми на круговій опорній орбіті ~200 км. Для зручності подальшого польоту відкриємо стулки гальмівних двигунів (Ctrl — Пробіл, Retro Doors — Open). Переведемо індикатор на лобовому склі (ІЛС) орбітальний режим натисненням кнопки H.
Етап 1 успішно виконаний. Сохранимся натисканням Ctlr-S. Збережена гра буде лежати в папці Quicksave і її можна буде завантажити абсолютно так само, як і сценарій на початку:



Не знаю, як вам, а мені здається, що псі-ембієнт відмінно підходить до таких польотів:


Етап 2. Суміщення площин орбіт

Для того, щоб ми могли нормально розганятися до Марса, необхідно сумістити площину нашої орбіти з площиною орбіти Марса. Для цього нам потрібен МФД «Суміщення площин орбіт» (Shift — A). Виберемо метою Марс (Shift — T, вибрати в меню Celestial Bodies — Mars):



Наступний вузол висхідний (Ascend Node, AN), тому необхідно зайняти положення «вниз» від площини орбіти. Для цього є режим NML- (кнопка ' або клік на кнопці NML — внизу екрану). Дочекаємося точки, в якій час до вузла (Tn на МФД) буде складати приблизно половину від часу маневру у вузлі (Est Thrust T), і включимо маршовий двигун в ній:



Чому половина часу до сайту? Справа в тому, що при маневрі лінія вузлів зміщується, тому якщо почати корекцію орбіти за час, рівний часу маневру у вузол, вузол «поїде». Це ж зсув лінії вузлів є критерієм зупинки двигуна. Коли лінія вузлів майже перпендикулярна зеленої лінії подальша корекція сенсу не має.



Завдяки цій простій формулі ми практично поєднали площини орбіт з одного маневру. Але варто повторити маневр для максимального суміщення площин:



Ми закінчили другий етап. Не забудьте зберегтися.

Етап 3. Розгін до Марса



Для підготовки маневру включимо МФД «Перехід» (Shift — X). Наша мета — Марс, який звертається навколо Сонця, тому в якості центрального тіла вкажемо Сонце (Shift — R, вибрати Sun в меню). Ми звертаємося навколо Землі, тому вкажемо Землю як початкове тіло (Shift — S, вибрати Earth в меню). Виберемо Марс метою (Shift — T, вибрати Mars в меню). МФД буде виглядати так (додані пояснення для зрозумілості):



Включимо режим планування маневру (кнопка HTO МФД). З'явиться пунктирний радіус точки початку маневру. Його можна переміщати натисканнями Shift — < та >. Планований імпульс регулюється кнопкамиShift — - та +. Прицілимося по Марсу:



Зверніть увагу, що точка перехоплення Марса знаходиться не на протилежній стороні орбіти. Це означає, що наша траєкторія не буде Гомановской, ми витратимо більше палива, але зате долетимо швидше.
МФД пише, що нам треба розігнатися на 2,8 км/с. Наша поточна орбітальна швидкість 7,6 км/с. Начебто все просто: 7,6+2,8=10,4 км/с. Але це невірно! Наш корабель знаходиться на орбіті Землі. А Земля в свою чергу обертається навколо Сонця. Виходить така цікава картинка:



2,8 км/с, які нам пропонує МФД, треба додавати до орбітальної швидкості Землі, а не нас. Ситуацію ще сильніше ускладнюють наступні фактори:
  • Для того, щоб покинути орбіту Землі треба розігнатися до другої космічної швидкості (11,2 км/с).
  • Орбітальна швидкість нелінійно залежить від висоти орбіти.
  • При видаленні від Землі наша швидкість буде падати з-за переходу кінетичної енергії в потенційну.
  • Розгін здійснюється не миттєво, за час розгону частина швидкості вже буде втрачена на перехід в потенційну енергію.
В принципі, є спеціальні МФД для розрахунку потрібної швидкості, але у них досить високий поріг входження. Тому ми розрубаємо цей Гордіїв вузол дуже просто: разгонимся до другої космічної швидкості, додавши до неї «на око» 500-1000 м/с, а, вже віддалившись від Землі, виконаємо корекцію траєкторії. Починаємо розгін на нічній стороні орбіти, щоб наша орбітальна швидкість додалася до орбітальної швидкості Землі:



Відстежуємо параметри орбіти на правому МФД «Орбіта»:



Є друга космічна! Зверніть увагу на те, що швидкість таки не 11,2 км/с. Припинимо розгін при швидкості в районі 11,5 км/з, щоб не розігнатися занадто сильно.



Стабілізуємо корабель в просторі, включивши режим KillRot. Прискорюючи час проматываем його до того моменту, коли гравітаційне вплив Землі практично зійде нанівець. Виберемо себе в якості вихідного тіла (Shift — S, набрати в текстовому полі наше ім'я GL-01S). Непогано розігналися:



Тепер наше завдання — скорегувати орбіту так, щоб ми прицілилися приблизно в точку зустрічі з Марсом. Візуально це можна представити так:


В точному прицілюванні нам допоможе МФД синхронізації орбіти (Shift — Y, вибрати Марс як мета з Shift — T). Наше завдання — імпульсами вправо, вліво, вгору, вниз, вперед, назад, зменшувати значення параметра DTmin:



Здоровий глузд підказує, що при корекції варто давати імпульси направо. Займаємо становище 90° вправо і, утримуючи його вручну (автоматичного режиму немає), включаємо маршовий двигун. Помітно зменшення DTmin:


Алгоритм подальших дій простий. Коли DTmin перестає зменшуватися, не досягнувши околонулевого значення, міняємо вісь — перевіряємо, зменшить його зміщення вгору/вниз і вперед/назад. Якщо ми добре поєднали орбіти на етапі 2 такого, швидше за все, не буде. Результат правильних дій:



Етап 3 завершений. Не забудьте зберегтися.

Етап 4. Корекції траєкторії на шляху до Марса

Марс — відносно легка планета. Це не Юпітер, який не вимагав проміжних корекцій при польоті. Тому ми кілька разів будемо коригувати нашу траєкторію, щоб не пролетіти повз. Першим кроком буде повне суміщення площин орбіт і перша корекція траєкторії. Якщо ви подивитеся на МФД синхронізації орбіти, він показує кут площин орбіт майже в два градуси. Його треба обов'язково виправити, тому що МФД не може нормально працювати в таких умовах. Тому перемикаємо лівий МФД в режим суміщення площин орбіт. Він «пам'ятає» попереднє тіло звернення — Землю, тому треба переключити його на Сонці (Shift — R, вибрати Sun в меню). Наступний вузол висхідне, до нього майже п'ять мегасекунд (мимоволі згадується «Глибина в небі» Винджа, де час вимірювали такими одиницями):



Поєднуємо площини орбіт:



Потім зменшуємо DTmin. Рекомендую міняти його розганяючись/гальмуючи, і ні в якому разі не зміщуватися вгору/вниз — площини орбіт ми вже поєднали. Коли DTmin буде близький до нуля, невеликі рухи краще виконувати не маршовими, а маневровими двигунами:



Після точного прицілювання DTmin буде майже дорівнює нулю:


До точки зустрічі 9,5 мегасекунд. Пропоную проводити корекції методом дихотомії — за п'ять, два з половиною і одну мегасекунду.







Етап 4 вважаємо закінченим за 1 мегасекунду від точки зустрічі. Не забудьте зберегтися.

Етап 5. Коридор входу.

Що таке «коридор входу»? Нам потрібно підійти до Марса так, щоб, з одного боку, не врізатися в нього, а з іншого боку — не пролетіти повз. Наша мета — перицентр 20 км, щоб ми надійно увійшли в атмосферу і могли гальмувати. Перемкнемо лівий МФД в режим «Орбіта» (Shift — O) і виберемо в якості тіла звернення Марс (Shift — T, вибрати Марс в меню). Промотаем час до тих пір, поки гравітація Марса не почне відчуватися (20-30 килосекунд до точки зустрічі):



Апоцентр від'ємний, ми повинні будемо врізатися в Марс. Потрібно підняти апоцентр до 20 км. Для цього повернемося носом до планеті, збільшимо Марс (кнопка Z зменшує поле зору, кнопка X — збільшує).



Я вибираю гальмування на денній стороні. Вночі в умовах дефіциту часу можна втратити орієнтацію в просторі, що потенційно небезпечно.



Перицентр 20 км. Етап 5 завершений. Обов'язково збережетеся!

Етап 6. Гальмування в атмосфері.

Встановимо на правому МФД режим «Поверхню», повернемо нормальне поле зору, розгорнемо корабель по напрямку руху і морально приготуймося до важкого етапу.



Нашими основними органами управління будуть тример, яким ми користувалися на зльоті з Землі, і аеродинамічні гальма (випускаються і прибираються натисканням Ctrl — B). Встановимо тример до упору вгору і випустимо гальма. Перемкнемо ІЛС в режим «поверхню» натисканням H і займемо положення з нахилом 90°:



Досягнувши перицентра, управляємо креном так, щоб тримати околонулевую вертикальну швидкість і продовжувати гальмування:



При висоті апоцентра нижче 1000 км прибираємо повітряні гальма і починаємо вибиратися з атмосфери:



По досягненні апоцентра піднімаємо перицентр вище 100 км:



Все, ми на стабільній орбіті навколо Марса. Обов'язково збережетеся.

В теорії можна побудувати захід так, щоб зайти на посадку відразу з цього етапу. Але це, по-перше, важко, а по-друге, вимагає дуже швидкої роботи з декількома МФД паралельно пілотуванню корабля, що підвищує шанси на помилку. Я волів піти більш довгим, але простим і безпечним шляхом.
Історично аэроторможение використовувалося марсіанськими апаратами. Наприклад, апарат MRO на аеродинамічному гальмуванні заощадив приблизно половину палива, яке б знадобилося для звичайного гальмування. Звичайно ж, апарат гальмував не так по-гусарськи, як ми. MRO знижував висоту апоцентра поступово, багаторазово гальмуючи у верхніх шарах атмосфери.

Етап 7. Підготовка до посадки

Наша мета — база Olympus, яка, як випливає з назви, розташована неподалік від Олімпу, найвищої гори на Марсі і другий по висоті в Сонячній системі:



Цей етап складається з декількох частин.

Підготовка МФД карти. Відкриємо МФД карти (Shift — M) і виберемо нашою метою марсіанську базу Olympus (Shift — T, вибрати Spaceports — Olympus)
Підготовка МФД Aerobrake. Відкриємо МФД (Shift — E), встановимо метою базу Olympus (Shift — T, ввести Olympus з клавіатури), перемкнемо МФД в режим карти натисканнями кнопок PG і PRJ.



Підготовка МФД зв'язку. Відкриємо МФД (Shift — C). Відкриємо меню з даними радіомаяків (Ctlr — I). База Olympus має три посадочні майданчики (на жаль, ніяких злітно-посадочних смуг), перша з яких має маяк, що працює на частоті 129.70 МГц. Встановимо цю частоту в МФД натисканнями кнопок МФД <, <<, > >>.



Потім потрібно спланувати посадку. Наше ненульове нахил орбіти означає, що наша траєкторія буде зміщуватися по поверхні. Також зараз база «Олімп» знаходиться на нічній стороні. Тому, перебуваючи на орбіті, чекаємо збігу двох факторів — база на денній стороні і наша траєкторія проходить поруч з нею. При необхідності можна трохи змінити нахил орбіти. В моєму випадку чекати довелося недовго, витків десять:



Коли до бази залишиться 4-5 тисяч кілометрів, виконуємо маневр гальмування так, щоб до бази залишалося тисяча-дві кілометрів недолета і орієнтуємо корабель носом вперед:



Етап закінчений, обов'язково збережетеся!

Етап 7. Політ в атмосфері і посадка



МФД карти можна перевести в режим центрування на кораблі (кнопка TRK МФД). Нашими головними органами управління знову будуть тріммер і аеродинамічні гальма. Керуючи ними підтримуємо траєкторію в район бази на Aerobrake MFD.



Продовжуємо активну управління.



Проблема марсіанської атмосфери в тому, що вона занадто слабка. Вона не здатна швидко і ефективно нас загальмувати. Тому базу ви напевно перелетіть:



В цьому немає нічого страшного. Через атмосфери ми, в будь-якому випадку, не зможемо розвернутися і гальмувати маршовими двигунами, як на Місяці, тому залишки швидкості доведеться скидати в розвороті. Слідкуйте за висотою — не воткнитесь у Марс. В розвороті можна допомагати собі піднімальними двигунами (Num 0 збільшити тягу, Num . — зменшити):



Розвертаємося в сторону бази, до неї ще ~50 км. Підтримуючи корабель в повітрі піднімальними двигунами продовжуємо зближення



Включаємо автоматичний режим підтримки горизонтальної орієнтації (L). Перемикаємося на МФД посадки (Shift — L). Він хороший тим, що показує напрямок і відстань досить точно.
Гальмівні двигуни дуже слабкі. Намагайтеся дотримуватися правила: горизонтальна швидкість у сотнях метрів на секунду не повинна бути вище відстані в десятки кілометрів. В іншому випадку є ризик пролетіти базу вдруге:



Наше завдання — остаточно зупинитися, розвернутися носом на базу і почати повільне зближення. Не забувайте стежити за вертикальною швидкістю!



Випускаємо шасі, залишилося небагато:



Останні метри:



Є посадка!



Взагалі, посадка на Марс складніше, ніж на тіло без атмосфери типу Місяця. Атмосфера не дозволяє займати довільне положення, доводиться летіти носом вперед. А з іншого боку, її не вистачає для повноцінної роботи крил.

Висновок

Не забудьте зберегтися. Раптом захочеться злітати на Фобос, або повернутися назад, на Землю?
Для допитливих є перекладений на російську мову мануал. А ще можна почитати інші пости серії Orbiter.

Джерело: Хабрахабр

0 коментарів

Тільки зареєстровані та авторизовані користувачі можуть залишати коментарі.