Продолжаем цикл постов про Orbiter. Что меня очень порадовало, по статистике orbithangar.com после публикации второй статьи скачивали материалы и к ней и к первой статье. А сегодня мы, постепенно увеличивая сложность заданий, отправимся к МКС на перспективном транспортном корабле нового поколения (он же ПТС и ПТК НП).
Этот пост имеет следующие задачи:
- Рассказать о РН «Ангара» и космодроме «Восточный».
- Дать представление о физике маневров для осуществления стыковки.
- Представить простое руководство для осуществления виртуального полёта к МКС и стыковки с ней.
Предупреждение
Этот цикл постов про Orbiter исходит из идеи последовательного увеличения сложности. Перед действиями по этой инструкции рекомендую ознакомиться с предыдущими постами: история космонавтики, «Бриз-М».
Введение
Про сам корабль ПТК НП мы поговорим в следующем посте, в котором будем учиться возвращаться с МКС. А здесь мы поговорим о ракете «Ангара» и космодроме «Восточный», потому что именно с «Восточного» и на «Ангаре» мы будем стартовать.
Немного истории и теории
Стыковка — достаточно сложный маневр, первые стыковки произошли спустя пять лет после первого полёта человека в космос и спустя девять лет после начала космической эры: первую стыковку в ручном режиме произвели американцы 16 марта 1966 года («Джемини-8» — мишень «Аджена»), первую полностью автоматическую стыковку провёл СССР 30 октября 1967 года (два беспилотных «Союза»).
Почему это так сложно? С точки зрения баллистики краткое описание процесса стыковки кажется простым: надо попасть в точку близко от цели, обнулить взаимную скорость, затем подойти и состыковаться. Однако реализация этого — сложная штука. Земля вращается, поэтому стартовать надо в очень коротком промежутке (часто меньше секунды). Ракета-носитель должна вывести корабль очень точно на орбиту с заданными параметрами. Стыкующиеся корабли должны иметь запас delta-V для маневров и стыковки, а также должен иметься развитый математический аппарат для расчетов и оборудование для изменений относительных параметров.
Именно стыковка сделала доступными полёты на Луну без монструозных кораблей прямой посадки — достаточно легкий лунный модуль отделялся от командного на орбите Луны, садился, взлетал и стыковался снова.
Из интересного стоит отметить две истории:
В 1962 году СССР, используя высокую квалификацию баллистиков и высокую точность ракеты-носителя, вывел на очень близкие орбиты «Восток-3» и «Восток-4». Максимальное сближение между кораблями составило всего 6,5 км. На «Востоках» не было двигателей орбитального маневрирования, они не могли состыковаться, но такая точность выведения произвела в то время фурор.
В 1966 году при полёте «Джемини-12» отказал радар, который использовался для измерения расстояния и относительной скорости. Но в экипаже был Базз Олдрин, который крайне интересовался вопросами орбитального маневрирования и незадолго до этого защитил диссертацию по теме ручного сближения. Используя всего лишь секстант, Олдрин успешно состыковался.
РН «Ангара»
У «Ангары» достаточно сложная история. Первый проект был создан в начале 90-х годов, когда Байконур оказался в независимом государстве, и перспективы пусков ракет с него были неясными. Кооперация заводов также была нарушена. В условиях отсутствия денег была выбрана очень необычная схема, которая бы позволила использовать почти готовый старт в «Плесецке»:
Однако, спустя некоторое время, острота проблем несколько сгладилась. С Казахстаном удалось более-менее договориться, ракеты, даже токсичные «Протоны», можно было запускать. Но денег на создание новой ракеты не появлялось. Поэтому проектирование в районе 1997 года началось фактически заново. С одной стороны, отсутствие спешки дало возможность подумать, как сделать хорошую ракету. С другой стороны, отсутствие денег означало, что ещё много лет ракета не покинет уровень чертежей, картинок и макетов. Концепция ракеты сместилась в сторону т.н. универсальных ракетных модулей (УРМ), из которых можно сделать легкую, среднюю, или тяжелую ракету.
До середины нулевых годов денег на полноценную разработку не было, и работы велись по инициативе разработчика (ГКНПЦ им. Хруничева), естественно, весьма медленно и опять же не выходя за рамки эскизов и макетов. Дела в экономике постепенно налаживались, государство стало сильнее, решило первостепенные проблемы, стали появляться деньги и на космонавтику. Полноценные работы по ракете начались где-то со второй половины нулевых годов.
Разработке также помог контракт с Южной Кореей, для которой делалась первая ступень ракеты KSLV-1, фактически являющаяся УРМ будущей «Ангары». Испытания у корейцев прошли удачно, во всех трех пусках первая ступень работала нормально. В первом пуске в 2009 году произошла авария из-за неполного отделения обтекателя головной части корейского производства. Во втором пуске произошло ложное срабатывание корейской системы подрыва ракеты при аварии, которая взорвала «здоровую» ракету. Третий пуск в декабре 2012 года прошёл полностью успешно. Я смотрел тот пуск в прямом эфире, помню, сильно испугался — ракета очень активно маневрировала, уходя от старта, казалось, что она потеряла стабилизацию.
В настоящее время активно ведутся работы — построены цеха, построен старт в «Плесецке», ведутся испытания. Первый пуск легкой «Ангары» будет почти наверняка в этом году. Если всё будет идти без сбоев, то, возможно, и тяжелая ракета впервые полетит в этом году. О состоянии дел можно посмотреть передачи ТВ Роскосмос и канала «Звезда»:
И свежие новости с фотографиями с сайта «Сделано у нас».
Необходимость «Ангары»
Новая ракета нужна по следующим причинам:
- Стратегически необходимо иметь возможность запускать полезные нагрузки со своей территории.
- «Протон» использует токсичные компоненты топлива, что неудобно и дорого, в т.ч. приходится платить Казахстану за дезактивацию полей падения.
- Новая ракета может реализовать новые технологии на том уровне, который недоступен для модернизации старых ракет, и позволит запускать в космос грузы дешевле, надежней и, в целом, эффективней. Например, для новой ракеты проще сделать водородную верхнюю ступень, чем пытаться ставить такую ступень на «Протон».
- Новая ракета может стать более мощной, чем «Протон» (варианты А7), что сделает доступными качественно новые типы полезных нагрузок.
Космодром «Восточный»
История космодрома «Восточный» в чем-то сильно напоминает историю ракеты «Ангара». Совершенно так же в начале девяностых возникает необходимость своего космодрома, на базе позиционного района МБР создается космодром «Свободный», который производит пять пусков с 1996 года по 2006, и в 2007 году фактически прекращает своё существование. Но уже в 2009 году в этом же районе начинает строиться космодром «Восточный». Положительный опыт реализации больших проектов (мост на остров Русский, Олимпиада) говорит о том, что космодром будет успешно построен, тем более, что это сейчас это приоритетное направление развития страны:
Необходимость «Восточного»
- Стратегическая необходимость иметь космодром на своей территории. «Плесецк» из-за своего очень северного расположения пригоден, главным образом, для пусков на полярную орбиту.
- Поля падения будут находиться на, во-первых, своей, а во-вторых, ненаселенной территории, что должно повысить эффективность ракет-носителей, ограниченных существующими полями падения.
- Побочная цель — развитие экономики Дальнего Востока.
Подготовка к полёту
Для того, чтобы отправиться в этот полёт, нам необходимы:
- Сам Orbiter, если вы всё ещё его не скачали.
- Аддон РН «Ангара».
- Аддоны Spacecraft3 и Multistage2 отсюда.
- Аддон «ПТК НП».
- Новую DLL для Орбитера 2010.
План полёта
Полёт на МКС можно разделить на следующие этапы:
- Запуск и выведение.
- Совмещение плоскостей орбит.
- Подъём апоцентра до пересечения с орбитой МКС.
- Синхронизация орбит
- Сближение и стыковка.
Этап 1. Запуск и выведение
Этот этап длится от подготовки к пуску до выхода на опорную орбиту.
Сценарий PTK NP — 1. Launch to ISS
Добро пожаловать на космодром «Восточный»! Для пуска ПТК НП на МКС в сценарии используется Ангара-3П с тремя УРМ, но это, скорее всего, уже устаревшая информация, ПТК стал тяжелее и уже требует Ангары-5П с пятью УРМ. После загрузки сценария необходимо нажать кнопку P для пуска, в 20:00:00 (20 секунд симуляции). Если вы нажмете кнопку раньше или позже, это увеличит разницу наклонений орбит из-за вращения Земли.
Дальнейшее выведение происходит автоматически. Не рекомендую увеличивать скорость симулятора, потому что алгоритм выведения не имеет обратной связи, а с увеличением скорости симулятора падает его точность.
Обратите внимание на то, как меняется тяга центрального блока. Это тоже допущение симулятора, в реальности планируется перелив топлива из боковых блоков в центральный при помощи избыточного давления.
После выведения мы оказываемся на орбите примерно 250x400 км с наклонением 51,6 градуса. После отделения можете нажать G для раскрытия антенн и солнечных батарей, для красоты, на полёт это не повлияет.
Этап 2. Совмещение орбит
Если вы стартовали вовремя, угол между орбитами будет близким к 0, но в этом тьюториале я намеренно допустил небольшую ошибку для наглядности маневра по совмещению орбит. Переключим левый МФД в режим совмещения орбит: Левый Shift+F1, Левый Shilt+A. Выберем МКС в качестве цели: Левый Shift+T, в появившемся окне Spacecraft -> ISS. В нашем случае угол между орбитами составляет полградуса:
Из схемы становится понятным алгоритм действий:
- Маневр по совмещению плоскостей орбит надо проводить в районе линии узлов.
- В восходящем узле надо давать импульс «вниз» (Nml-) от плоскости орбиты.
- В нисходящем узле надо давать импульс «вверх» (Nml+) от плоскости орбиты.
- Если в процессе маневра линия узлов съехала сильно в сторону, маневр надо продолжить, когда снова окажемся у линии узлов.
- Можно пользоваться автопозиционированием — Nml+ — клавиша ж, Nml- — э.
- В МФД есть подсказка, что вам делать, но, если вы знаете физику процесса, она скорее мешает, к тому же может ошибаться.
Также ПТК НП отличается от «Бриза-М» более развитой двигательной системой. Во-первых, нет необходимости осаждать топливо — двигатель начинает работать мгновенно по нажатию клавиши. Во-вторых, помимо режима разгона маршевым двигателем (Num +) есть режим торможения маневровыми двигателями (Num -). И, в-третьих, кроме поворота стандартными клавишами есть режим смещения по осям (translational controls), о нем будет рассказано ниже.
Начало маневра:
Осталось семь сотых градуса, маневр надо повторить в следующем узле.
Финал второго маневра, плоскости орбит практически совпадают.
Этап 3. Подъем апоцентра до пересечения с орбитой МКС
Для этого нам понадобится новый МФД — Transfer MFD. Включим его на левой панели (Левый Shift — F1, Левый Shift — X). Выбираем цель МКС — Левый Shift+T, в появившемся окне Spacecraft -> ISS. Должно получиться что-то вроде:
Включаем режим HTO (кнопка HTO на МФД). Появляется пунктирный радиус, указывающий на точку начала маневра. Двигаем её при помощи клавиш Левый Shift — < и Левый Shift — > в район перицентра (обозначен закрашенной точкой на правом МФД). Поскольку мы находимся на орбите «внутри» орбиты МКС, нам надо разгоняться. Меняем гипотетическую delta-V клавишами Левый Shift — ''-'' и Левый Shift — ''+'' до пересечения с орбитой МКС (появятся два новых радиуса). Эти радиусы показывают положение точки пересечения (серый) и цели, когда корабль окажется в точке пересечения.
Мы позади МКС, однако, поскольку наша орбита ниже, мы её догоняем. Поэтому нужно подождать до тех пор, пока расчетное положение МКС не окажется в районе точки пересечения орбит, примерно как тут:
Ждём точки маневра и даем импульс. Delta-V положительная, поэтому надо разгоняться. Не забудьте, что нужно время для того, чтобы сориентироваться для маневра, займите положение по вектору орбитальной скорости заранее — за 200-300 секунд до точки маневра нажмите [ для автоматической ориентации корабля. Обратите внимание, что строка Dv на МФД показывает примерное время маневра в секундах, а строка выше — DTe — оставшееся до точки маневра время. Проще говоря, начните разгон, когда DTe будет равно Dv или его половине. Если вы всё сделали правильно, то результат маневра будет примерно следующий:
Этап 4. Синхронизация орбит
Задачей этого этапа будет оказаться в одной точке космоса в одно время с МКС. Для этого мы произведем грубую синхронизацию с помощью Transfer MFD и тонкую синхронизацию с помощью Sync Orbit MFD.
Поскольку мы, согласно показаниям МФД, на следующем витке окажемся впереди МКС, нам надо поднять перицентр, чтобы увеличить период нашей орбиты. Запланируем маневр в Transfer MFD — переместим маркер маневра в район пересечения орбит и установим delta-V такую, чтобы маркеры МКС и пересечения были максимально близко друг к другу. Также, заранее, переведем правый МФД в режим Sync Orbit — правый Shift — F1, правый Shift — Y. Выглядеть это будет так:
По достижении точки запланированного маневра поднимаем перицентр маршевым двигателем. Должно получиться что-то вроде
Теперь переключаемся в режим перемещения маневровыми двигателями. Для этого либо кликаем мышкой на кнопку LIN слева-сверху, либо же нажимаем Num /. Разница между режимами наглядно:
В этом режиме начинаем маневрировать, ориентируясь на значение строки DTmin на правом МФД. Наша цель — сделать его максимально близким к нулю. Правильный результат выглядит так:
Этап 5. Сближение и стыковка
Подготовимся к стыковке. Переключим левый MFD в режим стыковки — Левый Shift — F1, Левый Shift — D. Выберем первый стыковочный узел МКС — Левый Shift — T, в появившемся окне — ISS -> dock 1. Выведем стыковочные параметры на ИЛС — кликнем кнопку HUD на MFD. Должно получиться что-то вроде:
МКС случайно прямо перед нами, на расстоянии 700 км. Меньше чем через виток она будет догонять нас «сзади», и надо будет маневрировать, чтобы она в нас не врезалась. За несколько сотен секунд до встречи нам необходимо сориентироваться на торможение (относительно МКС, с точки зрения орбитальной механики это разгон) — переключившись в режим поворота, находим маркер -V[ISS]. В этом случае мы будем маневрировать наиболее эффективно — самыми мощными, маршевыми двигателями.
У ПТК НП достаточно мощные двигатели, можно тормозить на расстоянии 3-5 км от МКС. Дальность до МКС и направление на неё отображается маркером D[ISS], относительная скорость — маркерами V[ISS] и -V[ISS]. Погасив скорость, разворачиваемся носом на МКС и начинаем сближение. наша задача — поместить маркер нашего движения на МКС и удерживать его там, работая маневровыми двигателями в режиме сдвига. Маневрируйте осторожно, не допускайте больших значений скорости, её потом гасить придётся. Иллюстрация процесса сближения:
Обратите внимание на линию маркеров, которые предназначены для облегчения процесса сближения. На расстоянии меньше одного километра переместите маркер направления движения на «коридор» стыковки:
Наша задача — затормозить внутри этого коридора и занять правильное положение для стыковки. Выглядеть это будет так:
Рассмотрим подробнее МФД стыковки:
Треугольник на внешнем круге — это положение аппарата. Когда он находится сверху, то светится белым и означает, что наш верх совпадает с верхом стыковочного узла МКС.
Косой крест — это индикатор ориентации, т.е. насколько мы повернуты относительно правильного положения стыковки.
Прямой крест — это ось стыковки, т.е. насколько мы смещены относительно правильной оси стыковки.
Если вы все делаете правильно, то косой и прямые кресты будут на оси МФД, а треугольник будет белым и сверху, как это показано на рисунке выше. Сориентировав корабль, начинаем сближаться, удерживая маркер движения на МКС и отслеживая индикаторы МФД.
«Кресты собраны» — это жаргонное обозначение правильной ориентации для стыковки.
Сближаемся. Наконец-то вышли из тени.
Осталось совсем чуть-чуть.
Есть стыковка!
Эпилог
Рекомендую сохранить состояние симулятора — выходим по Ctrl-Q и нажимаем кнопку Save Current. В появившемся окне указываем имя и описание файла.
Если вам стыковка показалась простой — можете включить искажения орбиты (Parameters -> Perturbations), а также тренироваться в экономии топлива.
Русскоязычный мануал для углубленного изучения.
Автор: lozga
