Интересно и познавательно: полёт к МКС на ПТК НП

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 измерения параметров движения.
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:

1. Стратегически необходимо иметь возможность запускать полезные нагрузки со своей территории.
2. «Протон» использует токсичные компоненты топлива, что неудобно и дорого, в т.ч. приходится платить Казахстану за дезактивацию полей падения.
3. 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».
4. 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»

1. Стратегическая необходимость иметь космодром на своей территории. «Плесецк» из-за своего очень северного расположения пригоден, главным образом, для пусков на полярную орбиту.
2. Поля падения будут находиться на, во-первых, своей, а во-вторых, ненаселенной территории, что должно повысить эффективность ракет-носителей, ограниченных существующими полями падения.
3. 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:

1. Запуск и выведение.
2. Совмещение плоскостей орбит.
3. Подъём апоцентра до пересечения с орбитой МКС.
4. Синхронизация орбит
5. 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.

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.