0,0
рейтинг
11 декабря 2013 в 14:43

Пилотируемая посадка космического аппарата

Всем доброго времени суток, насыщенным у нас выдался прошлый месяц. Сначала старт корабля «Союз ТМА-11М», потом спуск «Союза ТМА-09М», и на десерт, старт корабля «Прогресс М-21М» по 4-х суточной схеме стыковки со сближением с МКС на 2-ые сутки полета на очень небольшое расстояние. Так как основная моя работа это обеспечение спусков космических аппаратов, в этой статье я расскажу об особенностях организации завершения пилотируемых программ на примере крайней посадки (“олимпийского” Союза ТМА-09М).

Введение


Сразу стоит оговориться, что организация пилотируемого полета довольно сильно отличается от беспилотных миссий, но в любом случае все работы по проведению динамических операций в космосе можно разделить на два этапа: проектный и оперативный, только в случае пилотируемых миссий эти этапы, как правило, занимают значительно больше времени. В этой статье я буду в основном затрагивать оперативную часть, так как работы по баллистическому проектированию спуска ведутся непрерывно и включают в себя различные исследования по оптимизации всевозможных факторов, влияющих на безопасность и комфорт экипажа при посадке. Итак, начнем.

За 40 суток


Проводятся первые прикидочные расчеты спуска с целью определения районов посадки. Зачем это делается? В настоящее время штатный управляемый спуск российских кораблей может производиться только в 13 фиксированных районов посадки, расположенных в Республике Казахстан. Этот факт накладывает массу ограничений, связанных в первую очередь с необходимостью предварительного согласования с нашими иностранными партнерами всех динамических операций. Основные сложности возникают при посадке осенью и весной – это связано с сельскохозяйственными работами в районах посадки. Этот факт необходимо учитывать, ведь кроме обеспечения безопасности экипажа, необходимо также обеспечивать безопасность местного населения и поисково-спасательной службы (ПСС). Помимо штатных районов посадки, существуют еще области посадки при срыве на баллистический спуск, которые также должны быть пригодны для приземления.

За 10 суток


Уточняются предварительные расчеты по траекториям спуска с учетом последних данных о текущей орбите МКС и характеристиках пристыкованного корабля. Дело в том, что с момента старта до спуска проходит достаточно большой промежуток времени, и массо-центровочные характеристики аппарата меняются, кроме того, большой вклад вносит тот факт, что вместе с космонавтами на Землю возвращаются полезные грузы со станции, которые могут существенно изменить положение центра масс спускаемого аппарата. Тут необходимо пояснить, почему это важно: форма космического корабля «Союз» — напоминает фару, т.е. никаких аэродинамических органов управления у него нет, но для получения необходимой точности посадки необходимо осуществлять управление траекторией в атмосфере. Для этого в «Союзе» предусмотрена газодинамическая система управления, но она не способна компенсировать все отклонения от номинальной траектории, поэтому в конструкцию аппарата искусственно добавляется лишний балансировочный груз, цель которого сместить центр давления из центра масс, что позволит управлять траекторией спуска, переворачиваясь по крену. Уточненные данные по основной и резервной схемам отправляются в ПСС. По этим данным производится облет всех расчетных точек и выносится заключение о возможности приземления в эти районы.

За 1 сутки


Окончательно уточняется траектория спуска с учетом последних измерений положения МКС, а также прогноза ветровой обстановки в основном и резервных районах посадки. Это необходимо делать из-за того что на высоте порядка 10км раскрывается парашютная система. К этому моменту времени система управления спуском уже сделала свою работу и никак скорректировать траекторию не может. По-сути, на аппарат действует только ветровой снос, который нельзя не учитывать. На рисунке ниже показан один из вариантов моделирования ветрового сноса. Как видно после ввода парашюта траектория сильно меняется. Ветровой снос иногда может составлять до 80% от допустимого радиуса круга рассеивания, поэтому точность метеопрогноза очень важна.

В сутки спуска:
В обеспечении спуска космического аппарата на землю кроме баллистической и поисково-спасательной службы участвует еще много подразделений таких как:
  • служба управления транспортными кораблями;
  • служба управления МКС;
  • служба, отвечающая за здоровье экипажа;
  • телеметрическая и командная службы и др.

Только после доклада о готовности всех служб, руководителями полета может быть принято решение о проведении спуска по намеченной программе.
После этого происходит закрытие переходного люка и расстыковка корабля от станции. За проведение расстыковки отвечает отдельная служба. Тут необходимо заранее рассчитать направление расстыковки, а также импульс, который необходимо приложить к аппарату, чтобы не допустить столкновение со станцией. При расчете траектории спуска схема расстыковки также учитывается. После расстыковки корабля еще есть некоторое время до включения тормозного двигателя. В это время происходит проверка всего оборудования, проводятся траекторные измерения, и уточняется точка посадки. Это последний момент, когда еще что-то можно уточнить. Затем включается тормозной двигатель. Это один из самых важных этапов спуска, поэтому он контролируется постоянно. Такие меры необходимы для того, чтобы в случае нештатной ситуации понять по какому сценарию идти дальше. При штатной отработке импульса через некоторое время происходит разделение отсеков корабля (спускаемый аппарат отделяется от бытового и приборно-агрегатного отсеков, которые затем сгорают в атмосфере). Если при входе в атмосферу система управления спуском решает, что она не в состоянии обеспечить приземление спускаемого аппарата в точке с требуемыми координатами, то корабль «срывается» в баллистический спуск. Так как это все происходит уже в плазме (нет радиосвязи), то установить по какой траектории движется аппарат можно только после возобновления радиосвязи. Если произошел срыв на баллистический спуск, необходимо быстро уточнить предполагаемую точку посадки и передать ее поисково-спасательной службе. В случае же штатного управляемого спуска корабль еще в полете начинают «вести» специалисты ПСС и мы можем увидеть в прямом эфире спуск аппарата на парашюте и даже, если повезет, работу двигателей мягкой посадки (как на рисунке).

После этого уже можно всех поздравлять, кричать ура, открывать шампанское, обниматься и т.д. Официально баллистическая работа завершается только после получения GPS координат точки посадки. Это нужно для послеполетной оценки промаха, по которому можно оценить качество нашей работы.
Фотографии взяты с сайта: www.mcc.rsa.ru
Кутоманов Алексей @aykSpace
карма
56,0
рейтинг 0,0
Реклама помогает поддерживать и развивать наши сервисы

Подробнее
Реклама

Самое читаемое

Комментарии (64)

  • +2
    Если при входе в атмосферу система управления спуском решает, что она не в состоянии обеспечить приземление спускаемого аппарата в точке с требуемыми координатами, то корабль «срывается» в баллистический спуск.

    Срыв — это уже результат неудачной работы или все же определенная процедура? По тексту складывается ощущение, что второе.
    • +4
      Все верно, это определенная процедура, на которую практически невозможно повлиять, но, к счастью, это случается очень редко.
  • +5
    Очень интересная статья, спасибо большое!
    Простите, интересно, а часто ли происходят спуски в не штатном режиме? И безопасен ли баллистический спуск?
    • +6
      Не часто, я бы даже сказал что редко.
      Тут сложно сказать, нет четких критериев оценки безопасности спуска, но чтобы лучше представлять баллистический спуск: при штатном спуске максимальная перегрузка у космонавтов порядка 4 — 4.5 ед., а при баллистическом порядка 9, так что приятного в нем мало, особенно если учитывать предшествующую спуску длительную экспедицию.
  • +6
    Статья отличная!

    И в ленте неплохо смотрится, где слово «Поехали» от предыдущей статьи досталось:

    image
  • +1
    Так как это все происходит уже в плазме (нет радиосвязи), то установить по какой траектории движется аппарат можно только после возобновления радиосвязи.

    Сколько по времени, высоте и пройденному пути занимает этот участок?
    • +4
      Высота — начиная от 80 и до 10 км, время около 5 минут.
      • +3
        На 10км уже парашют раскрывается, там плазмы нет, а верхняя высота приблизительно такая.
    • +3
      По времени порядка 3 — 4 минуты.
  • +5
    какое среднее отклонение от намеченной точки приземления?
  • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
  • +10
    Круть=) А почему бы ЦУПу не завести блог компании на хабре? Думаю такому клиенту НЛО бесплатно даст, да даже если и нет — деньги то небольшие. Берите пример с НАСА — они каждый свой чих пиарят
    • +6
      Интересное предложение! Вопрос популяризации тут скорее политический, на эту тему, как мне кажется, можно бесконечно дискутировать, но то что в НАСА к вопросам освещения своей работы относятся намного серьезней это факт и в этих вопросах нам надо с них брать пример.
      • +4
        подкиньте идею своему начальству =) Интерес к деятельности космической отрасли на хабре велИк.
    • 0
      Попробую ответить, почему особого смысла в блоге ЦУПа на хабре нет. Дело в том, что эквивалентом NASA является не ЦУП, а Роскосмос. ЦУП — это «всего лишь» один из центров Центрального НИИ машиностроения, находящегося в структуре Роскосмоса, и как видно из названия там занимаются управлением, а не исследованиями. По большоиму счету это рутинная работа 24/7/365 в связке с огромным числом смежных организаций (разной степени нужности). Да, возможно, было бы интересно тут людям почитать цикл статей, подобной этой, или статей о работе самого ЦУПа, но в качестве постоянного источника интересной инфы для блога он едва ли сможет служить.
      • 0
        Думаю, что предложение завести блог ЦУП-у высказано, так как большинство людей просто не знает всех связей, кто и за что отвечает и т. д.
        Пусть и ЦУП заводит блог и Роскосмос и другие космические организации.
      • 0
        Про исследования — это Вы зря по названию взялись судить обо всем ЦУПе, тем более, как Вы сами сказали он входит в Центральный Научно Исследовательский Институт машиностроения. А по всему остальному, я по большей части согласен, единственное что с нынешними реформами космической отрасли скорее всего все исследовательские функции лягут на ОРКК.
        • 0
          Поверьте, я не по названию сужу. Впрочем, буду рад переубедиться, если имеете чем переубеждать, в следующей статье, например.
  • +1
    Спасибо, было интересно.

    > Такие меры необходимы для того, чтобы в случае нештатной ситуации понять по какому сценарию идти дальше.

    А возможные варианты просчитываются? Если да, то сколько их (ориентировочно)?
    Если нет, то просчёт делается прямо по ходу дела?
    А какие ещё есть варианты, кроме типового и баллистического спуска?

    • +4
      На том этапе спуска, откуда Вы взяли цитату, заранее просчитывается только критичные точки остановки двигателя, в зависимости от которых есть возможность просуществовать на орбите от одного витка до одних суток.
      В других ситуациях существует порядка десятка расчетных нештатных ситуаций, которые заранее просчитываются с возможностью оперативного уточнения по ходу дела.
      • +1
        до суток? дольше не провисит? а не может такое быть, что корабль залипнет на орбите на несколько месяцев или лет?
        • +1
          Тут имеется ввиду авария, когда тормозной двигатель уже выдал какой-то импульс и выключился, поэтому время существования такое небольшое.
          Чисто теоретически может, если после расстыковки все системы, и основные и резервные отключились, тогда на такой высоте корабль может существовать значительное время.
          • +1
            Значительное — значит, дольше, чем рассчитаны системы жизнеобеспечения? А что в этом случае делать?
            • +3
              Насколько я знаю, люди, строящие космическую отрасль и отправляющие космонавтов, всегда особо боялись такой аварии, когда человек останется на орбите (или на Луне) без возможности вернуться и будет умирать на глазах всего мира, и останется болтаться на орбите/лежать на Луне вечным напоминанием человечеству об опасности космоса. А такая ситуация в принципе возможна: что поделать, космос очень враждебное и опасное место для человека. Вероятность этого снижают дублированием, триплированием систем, всевозможными вариантами подстраховки. К счастью, именно такого ещё не происходило, хотя были другие аварии со смертельными исходами.
              • 0
                Осознал, спасибо!
            • +1
              Сейчас много есть чисто теоретических исследований возможностей спасения космонавтов в ситуации, когда все отказало, но тут основная проблема во времени и в деньгах: например, время автономного существования корабля «Союз ТМА» около 5-ти суток, соответственно при аварии нужно очень оперативно запустить к нему спасательную экспедицию, а для этого надо постоянно держать в готовности ракету и корабль, а это очень финансово накладно. Вот и получается, что сейчас остается только надеяться на дублирование или триплирование систем корабля.
              • 0
                Спасибо!
  • 0
    интересно а кто делает расчеты спуска корабля? и как это происходит?
    • 0
      По штатной программе спуск рассчитывается группой спуска, в которую я имею честь входить.
      Кроме кроме этого, у экипажа должны быть данные на каждый день, в случае какой-нибудь очень серьезной поломки, эту информацию готовит дежурная смена.
  • +3
    Еще несколько вопросов:
    1. «Включить тормозной двигатель».
    Команду дает система управления спускаемого аппарата?
    Насколько точно она определяет предполагаемые координаты места посадки?
    2. Насколько координаты, определенные в п. 1 совпадают с реальным местом посадки.
    3. Какие факторы влияют на точность посадки и в каком объеме.
    4. Как часто посадочный модуль не попадает в отведенный коридор.
    5. Случаи нештатной посадки, насколько далеко от запланированного места, действия в этом случае и срок обнаружения экипажа.
    • +2
      1. Да, команду дает систем управления аппарата. Она вообще не определяет предполагаемые координаты места посадки, там управление строится по рассчитанной с Земли информации.
      3. В основном возможности системы управления спуском компенсировать отклонения от номинальной траектории.
      4. В круг рассеивания (который на рисунке в статье) при штатном спуске попадает всегда.
      5. При баллистическом спуске недолет порядка 150-200км, но там всегда дежурят специалисты ПСС, поэтому космонавтов эвакуируют достаточно быстро.
  • +1
    «для этого в «Союзе» предусмотрена газодинамическая система управления» — а можно поподробнее? Очень интересно :)
  • +3
    Судя по количеству вопросов, на которые требуется подробный ответ, напрашивается новая статья.
    И не одна.
  • +9
    Я только сел читать и статья закончилась =(. Мало уважаемый, мало!
  • +2
    Так как это все происходит уже в плазме (нет радиосвязи), то установить по какой траектории движется аппарат можно только после возобновления радиосвязи.
    Так вот, оказывается, почему кульминацией фильма «Аполлон 13» стала минута радиомолчания экипажа при посадке.
    • +3
      так в фильме это же обьясняли?
      • 0
        Не помню уже. Надо пересмотреть.
  • 0
    Я зачитывался дневниками генерала Каманина, факты там изложены просто уникальные. Единственная нестыковка, которая мне не дает покоя — имя дочери Терешковой. Николай Петрович называет ее Аленкой, а в интернетах писано, что Настя. Насколько я понимаю, генерал Терешкова сейчас одна из руководителей космической программы. Можете прояснить вопрос :) Ну и поделитесь мнением, фактами или байками о Каманине.
  • +2
    «Пилотируемая посадка» это просто такое важное название или космонавты на самом деле не только улыбаются и машут, а еще и лично управляют чем-то в процессе посадки?
    • +1
      Если все по штатной схеме, то в основном улыбаются и машут, при некоторых нештатных ситуациях существует вариант с переходом в ручной управляемый спуск.
  • 0
    Компенсируется ли костюмами перегрузки?
    Ведь 9G это очень много.
    • +3
      По любому компенсируется — хотя подготовленный человек такую нагрузку может и так перенести некоторое время
      Вы будете удивлены возможностям человеческого тела
      Погуглите Kenny Bräck
      He survived one of the racing sport's biggest accidents, 214 g's, in Fort Worth, Texas 2003
      • 0
        Нет, не компенсируется. Амортизация может компенсировать только кратковременные толчки и удары, а если длительно — вопрос только в мягкости.

        Под космонавтами амортизирующие сиденья, которые компенсируют удар о землю. А во время взлёта и отключения 2й ступени перегрузка пропадает, сиденья отпружинивают, и кажется, будто космонавты подпрыгивают.
        • +1
          Тут не про амортизацию разговор, а про противоперегрузочные костюмы как в боевой авиации. Действительно интересно носят ли их космонавты.
          • 0
            Ок
          • +1
            Американцы на шаттлах носили. В остальных кораблях — вряд ли, потому что в капсуле перегрузка идёт в направлении «грудь-спина» а противоперегрузочный костюм работает в направлении «голова-ноги»
  • +3
    В ESA недавно опубликовали хороший фильм про посадку Союза. Можно даже посмотреть, как посадка выглядит изнутри.

    www.youtube.com/watch?v=-l7MM9yoxII
    • 0
      Кстати, на одной из экспедиций этого года возили GoPro, снимали старт, стыковку, посадку, ждём фильма в HD-качестве.
  • +4
    Спасибо за статью!
    Можете ли вы подробнее рассказать о системе маневрирования капсулы Союза при спуске в атмосфере? В упомянутом выше видео от ESA говорится о том что управление производится вращением по и против часовой стрелки, но честно говоря совершенно непонятна физика процесса, ибо на первый взгляд тепловой экран осесимметричен. Есть конечно эффект Магнуса, но что-то непохоже что именно он здесь играет роль. Более логичным на первый взгляд кажется управлением посредством изменения угла атаки и скольжения, а не описанная в видео, можете ли вы рассказать о причинах применения такого решения? Кроме того, в вашей статье вы говорите о некой «газодинамической системе», можете ли вы рассказать о ней подробнее? Применяется ли она только для задания вращательного момента, а дальше уже играет описанный выше эффект?
    Кроме того, было бы интересно узнать каким образом парашют прикреплённый сбоку капсулы может в заключительные моменты выровнять капсулу относительно земной поверхности, т.е. за счёт каких технических решений это осуществлено. Ну и плюс, зачем нужно предварительно охлаждать тепловой экран после выпуска парашюта, почему бы не сразу его отстрелить от капсулы?
    • 0
      Я так понимаю, вращением изменяется именно угол атаки за счет того, что центр тяжести, смещен относительно продольной оси.
      Такой принцип очень подробно описан в видео 68-го года про посадку Аполлона. www.youtube.com/watch?v=aW5ozq4Tqew
      Около 12-й минуты как раз расписывают, как он маневрирует в атмосфере за счет вращения.
    • +1
      Кстати да, хотелось бы наглядно, «на пальцах», посмотреть на механику орбитального движения, спуска, маневрирования. Вот, например, у Чертока в мемуарах я встречал такое понятие, как «закрутка аппарата на Солнце», а на пальцах понять это не смог.

      Ещё у Чертока был описан способ торможения аппарата после облёта Луны, когда аппарат дважды входил в атмосферу: первый раз «чиркал» по атмосфере, сбрасывая скорость и улетая по вытянутой орбите от Земли, потом возвращался и уже окончательно зарывался в атмосферу и шёл на посадку. Такой способ применялся где-то? Как расчитать в этом случае гашение скорости при первичном погружении в атмосферу и последующую траекторию, это же очень тонкий расчёт?
      • +1
        Применялся практически такой же способ американцами, но там фактически не было выхода на орбиту Земли после первого погружения, был только отскок от атмосферы на высоту порядка 70 км, с последующим спуском в океан.
        Для посадки на территории России сложнее схема, чем у американцев, так как нам необходимо обеспечивать большую дальность атмосферного участка, а это увеличивает рассеивание. В принципе, рассчитать можно все что угодно, но для реальных задач нужен конкретный аппарат с системой управления, которая будет способна погасить отклонения от номинальной траектории после первого погружения в атмосферу, а пока такого аппарата у нас нет.
    • +3
      Спасибо за развернутый вопрос. Судя по количеству вопросов, надо было статью побольше сделать, но я постараюсь исправиться в комментариях (и в следующей статье).
      Как Вы верно заметили, аппарат осесимметричный, и переворот по крену в таком виде ничего не даст, но для решения этой проблемы на спускаемый аппарат вешается балансировочный груз массой порядка 300 кг. За счет этого центр масс смещается от оси симметрии, возникает подъемная сила, и схема сил действующих на КА становится такая как на рисунке:
      В таком случае движение аппарата в атмосфере происходит с некоторым практически постоянным углом атаки (угол между осью симметрии и вектором скорости), называемым балансировочным углом атаки. Теперь мы, изменяя угол крена, можем изменить направление подъемной силы и, таким образом, можем компенсировать отклонения от номинальной траектории.
      Теперь про газодинамическую систему: система управления спуском контролирует изменение кажущейся скорости от времени, и в зависимости от того или иного знака разности номинального значения и реального, меняет угол крена в ту или иную сторону. Система работает на концентрированной перекиси водорода.
      Про парашют: из-за большой скорости приземления в спускаемом аппарате стоит целая парашютная система: сначала отстреливается крышка парашютной системы (надо еще следить чтобы она внизу никого не убила), затем вводится вытяжной парашют, который вытягивает за собой тормозной парашют, затем через некоторое время тормозной парашют отстреливаться и вводится основной парашют, так что тут не идет разговор о конкретном месте крепления парашюта.
  • +1
    Из каких соображений выбирается высота раскрытия парашюта. Казалось бы, выпусти его повыше и трясти сильно не будет. Единственное, что придумал — на точность траектории может повлиять.
    • 0
      Первое — это безопасность, должно быть время ввести резервную парашютную систему.
      Ну а второе Вы абсолютно верно сказали, чем выше открываем парашют, тем больше рассеивание.
  • 0
    Спасибо за статью! Пара вопросов:

    1. Что такое «баллистический спуск»? Это когда корабль неудачно сорвало и он полетел как есть куда попало, без двигателей?

    2. Может ли такое быть, что корабль случайно приземлится не в Казахстане, а в Аризоне, например?

    3. А если надо срочно-срочно эвакуироваться с орбиты, а прямо сейчас траектория приводит в середину тихого океана или, скажем, в австралию — что тогда? Есть правовые процедуры, которые позволяют русским посадить свой модуль в другой стране?

    4. Сколько витков вокруг земли делает корабль до посадки с момента начала траектории? или вообще ни одного?
    • +4
      1. Любой предмет, летя на высокой скорости, планирует. Поэтому даже такая «банка» как спускаемый аппарат может слегка глиссировать и снижаться не так быстро, чтобы скорость гасить об атмосферу постепенно, с умеренными перегрузками (3 g). Если спускаться просто, без глиссирования, плотность атмосферы нарастает очень быстро, и ускорения получаются до 8 g.

      2. Если вдруг от неисправности включить двигатели в другой части витка, но промахи с посадкой в тайге случились только на «Восходах» в начале 60-х, ЕМНИП.

      3. С орбиты нет необходимости эвакуироваться: системы жизнеобеспечения хватает надолго, а если они собираются заканчиваться скоро, можно на виток раньше в нужном месте сесть. Экстренно сесть на землю — это не митинг провести, бумажки и разрешения не надо :), а дальше ущерб, если будет, уже какие-то договоры международные регулируют.

      4. ЕМНИП, 2 витка
      • 0
        Спасибо большое, это интересно!:-)
      • 0
        Классное видео, спасибо!
        Понравилось: «The soft landing is not  that soft» :)
    • 0
      4. Сколько витков вокруг земли делает корабль до посадки с момента начала траектории? или вообще ни одного?


      Что такое начало траектории?
      Вы хотели спросить, сколько от начала включения тормоэного движка?
      Насколько я помню около половины витка.

  • 0
    Добрый вечер, спасибо за статью. Хотел узнать, где можно увидеть параметры орбиты при нынешних быстрых 6-часовых сближениях с МКС, и как шло сближение раньше, за двое суток? Хочу показать на примере в Kerbal Space Program на моде с кораблём Союз, но данных не могу найти. Спасибо!
    • 0
      А можно поконкретней, в каком виде Вам нужны параметры орбиты (вектора состояния, кеплеровы элементы), и на каких этапах?
      Да раньше шло за двое суток, сейчас это резервная схема.
      • 0
        Наверное это кеплеровы: апогей, перигей, аргумент апогея, склонение.
  • 0
    Спасибо за интересный рассказ!

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.