- PVSM.RU - https://www.pvsm.ru -
Хорошая реакция на первую статью [1] о космическом симуляторе Orbiter и, как минимум, двести человек, которые заинтересовались и скачали аддоны к нему, привели меня к идее продолжить цикл статей образовательной и игровой направленности. Также, я хочу облегчить переход от первой статьи, в которой всё делает автоматика, не требуя ваших действий, к самостоятельным экспериментам, чтобы не получился анекдот о рисовании совы [2]. Эта статья имеет следующие цели:
Об этом мало задумываются, но семейство разгонных блоков «Бриз» — «Бриз-М», «Бриз-КМ» — это пример аппарата, разработанного уже после распада СССР. Причин такой разработки было несколько:
В 1990-1994 годах прошли испытательные пуски и, в мае-июне 2000 года состоялись полёты обеих модификаций «Бриза» — «Бриз-КМ» для «Рокота» и «Бриз-М» для «Протона». Главное различие между ними — наличие дополнительных сбрасываемых топливных баков на «Бризе-М», которые дают бОльший запас характеристической скорости (delta-V) и позволяют выводить более тяжелые спутники. Вот фотография, которая очень хорошо иллюстрирует разницу:
Блоки семейства «Бриз» отличаются очень плотной компоновкой:
Обратите внимание на технические решения:
Плотная компоновка экономит геометрические размеры и вес, но она имеет и свои недостатки. Например, двигатель, который, работая, излучает тепло, находится очень близко к бакам и трубопроводам. И сочетание более высокой (на 1-2 градуса, в пределах спецификации) температуры топлива с более высокой теплонапряженностью работы двигателя в процессе работы (тоже в пределах спецификации) привело к закипанию окислителя, нарушению охлаждения турбины ТНА жидким окислителем и нарушению её работы, что вызвало аварию РБ при выведении спутника «Ямал-402» в декабре 2012 года [3].
В качестве двигателей РБ используется комбинация из двигателей трех типов: маршевого С5.98 (14Д30) тягой 2 тонны, четырех двигателей коррекции (фактически это двигатели осаждения, ullage motors), которые включаются перед пуском маршевого двигателя для осаждения топлива на дно баков, и двенадцати двигателей ориентации тягой 1,3 кг. Маршевый двигатель имеет весьма высокие параметры (давление в камере сгорания ~100 атм, удельный импульс 328,6 с) несмотря на открытую схему. Его «отцы» стояли на марсианских станциях «Фобос» а «деды» — на посадочных лунных станциях типа «Луна-16». Маршевый двигатель может гарантированно включаться до восьми раз, а срок активного существования блока не меньше суток.
Масса полностью заправленного блока составляет до 22,5 тонн, с полезной нагрузкой ~6 тонн получим массу блока после отделения от третьей ступени ракеты-носителя в ~28-29 тонн. Т.е. тяговооруженность блока получается равной ~0.07. Это недостаток РБ «Бриз», но не очень большой. Дело в том, что после отделения РБ+ПН находятся на незамкнутой орбите, что требует импульса на довыведение, а небольшая тяга двигателя приводит к гравитационным потерям. Также, длительные периоды работы двигателя повышают требования к надёжности. С другой стороны, у маршевого двигателя гарантированный срок работы до 3200 секунд (почти час!).
Семейство РБ «Бриз» эксплуатируется весьма активно:
Итого 92 полёта на 16 февраля 2014 года. Из них произошло 5 аварий (частичный успех с «Ямал-402» я записал в аварию) по вине блока «Бриз-М» и 2 по вине «Бриз-КМ» что даёт нам надёжность 92%. Рассмотрим причины аварий более подробно:
Если проанализировать причины аварий, то с проблемами конструкции и ошибками проектирования связаны только две — прогар газопровода и нарушение охлаждения ТНА. Все прочие аварии, причина которых известна достоверно, связаны с проблемами качества производства и подготовки к пуску. Это неудивительно — космическая отрасль требует очень высокого качества работы, и ошибка даже рядового сотрудника может привести к аварии. Сам по себе «Бриз» не является неудачной конструкцией, однако, стоит отметить отсутствие запаса прочности из-за того, что для обеспечения максимальных характеристик РБ материалы работают близко к границе своей физической прочности.
Пора перейти к практике — отправиться вручную на геостационарную орбиту в Orbiter'е. Для этого нам потребуются:
Релиз Орбитера, если вы его ещё не скачали после прочтения первой статьи, вот ссылка [10].
Аддон «Proton LV» скачать отсюда [11]
Из всех параметров орбиты здесь нас будут интересовать три параметра: высота перицентра (для Земли — перигей), высота апоцентра (для Земли — апогей) и наклонение:
Геостационарная орбита — это круговая орбита с высотой перицентра и апоцентра 35 786 км над уровнем моря и наклонением 0 градусов. Соответственно, наша задача разбивается следующие этапы: выйти на низкую околоземную орбиту, поднять апоцентр до 35 700 км, изменить наклонение до 0 градусов, поднять перицентр до 35 700 км. Изменять наклонение орбиты выгоднее в апоцентре, потому что там меньше скорость спутника, а, чем меньше скорость, тем меньшую delta-V надо приложить для её изменения. Одна из хитростей орбитальной механики состоит в том, что иногда выгоднее поднять апоцентр гораздо выше нужного, изменить наклонение там, и позже опустить апоцентр до нужного. Траты на подъем и спуск апоцентра выше нужного + изменение наклонения могут быть меньше, чем изменение наклонения на высоте нужного апоцентра.
В сценарии с «Бризом-М» надо вывести «Sirius-4», шведский спутник связи, запущенный в 2007 году. За прошедшие годы его уже успели переименовать, теперь это «Астра-4А» [12]. План его выведения был такой:
Понятное дело, что мы, выходя на орбиту вручную, лишаемся точности автоматов, исполняющих расчеты баллистиков, поэтому наши параметры полёта будут с довольно большими ошибками, но это не страшно.
Этап 1 занимает время от запуска программы до выхода на круговую орбиту высотой примерно 170 км и наклонением 51 градус (тяжкое наследие широты Байконура, при пуске с экватора было бы сразу 0 градусов).
Сценарий Proton LV / Proton M / Proton M — Breeze M (Sirius 4)
От загрузки симулятора до отделения РБ от третьей ступени можно любоваться видами — всё делает автоматика. Разве что необходимо переключить фокус камеры на ракету с вида с земли (нажимать F2 до значений слева-сверху absolute direction или global frame).
В процессе выведения рекомендую переключиться на вид «изнутри» по F1, подготовиться к тому, что нас ждет:
Кстати, в Orbiter можно включить паузу по Ctrl-P, это может вам пригодиться.
Немного пояснений о значениях важных для нас показателей:
После отделения третьей ступени мы оказываемся на незамкнутой орбите с угрозой упасть в район Тихого океана, если мы будем действовать медленно или неверно. Для того, чтобы избежать такой печальной участи, нам следует выйти на опорную орбиту, для чего нам следует:
Если вы все сделаете правильно, картинка будет примерно такая:
После включения двигателя:
Если всё прошло хорошо, будет что-то вроде:
Самая нервная часть закончилась, мы на орбите, упасть уже некуда.
Из-за низкой тяговооруженности, апоцентр до 35 700 км приходится поднимать в два этапа. Первый этап — это выход на промежуточную орбиту с апоцентром ~5000 км. Специфика проблемы — надо разгоняться так, чтобы апоцентр не оказался в стороне от экватора, т.е. надо разгоняться симметрично относительно экватора. В этом нам поможет проекция схемы выведения на карту Земли:
Картина для запущенного на днях Турксат 4А, но это неважно.
Подготовка к выходу на промежуточную орбиту:
Должно получиться что-то вроде:
В районе широты 27 градусов надо включить двигатель, и, удерживая проградное положение, лететь до достижения апоцентра 5000 км. Можно включать ускорение 10х. По достижении апоцентра 5000 км, выключить двигатель.
Если всё прошло хорошо, то получим что-то типа:
Очень похоже на этап 2:
Сброс топливного бака, видна работа двигателей осаждения
Результат. Обратите внимание, я поторопился выключить двигатель, апоцентр 34,7 тысячи км. Это не страшно, для чистоты эксперимента оставим так.
Красивый вид
Если вы всё делали с небольшими ошибками, то апоцентр будет в районе экватора. Порядок действий:
Начальная позиция перед маневром
После маневра
У спутника есть двигатель, с помощью которого можно поднять перицентр. Для этого в районе перицентра ориентируем спутник проградно и включаем двигатель. Двигатель слабый, надо повторять несколько раз. Если всё будете делать правильно, у спутника ещё останется примерно 20% топлива на коррекцию возмущений орбиты. В реальности, воздействие Луны и других факторов приводит к тому, что орбита спутников искажается, и приходится тратить топливо на поддержание требуемых параметров.
Если у вас всё получилось, картинка будет примерно следующей:
Ну и небольшая иллюстрация того, что спутник на ГСО находится над одним местом Земли:
Автор: lozga
Источник [13]
Сайт-источник PVSM.RU: https://www.pvsm.ru
Путь до страницы источника: https://www.pvsm.ru/news/55217
Ссылки в тексте:
[1] первую статью: http://habrahabr.ru/post/186728/
[2] рисовании совы: http://habrastorage.org/files/15b/37b/8cf/15b37b8cfca24a66954e6893e617d296.jpg
[3] аварию РБ при выведении спутника «Ямал-402» в декабре 2012 года: http://novosti-kosmonavtiki.ru/forum/forum12/topic13048/?PAGEN_1=36
[4] источник 1: http://www.telenir.net/transport_i_aviacija/vzlyot_2006_05/p34.php
[5] источник 2: http://88.210.62.157/phpBB2/viewtopic.php?t=3217&start=225&sid=ad0b080d6963b9b4c1b0a54783c6a809
[6] источник: http://88.210.62.157/phpBB2/viewtopic.php?t=8041&postdays=0&postorder=asc&start=345
[7] источник: http://www.federalspace.ru/17301/
[8] источник: http://itar-tass.com/glavnie-novosti/585971
[9] источник: http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A0%D0%BE%D0%BA%D0%BE%D1%82_%28%D1%80%D0%B0%D0%BA%D0%B5%D1%82%D0%B0-%D0%BD%D0%BE%D1%81%D0%B8%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C%29
[10] вот ссылка: http://orbit.medphys.ucl.ac.uk/download.html
[11] скачать отсюда: http://www.orbithangar.com/searchid.php?ID=3209
[12] «Астра-4А»: http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D1%81%D1%82%D1%80%D0%B0_4%D0%90
[13] Источник: http://habrahabr.ru/post/212735/
Нажмите здесь для печати.