С 2013 года космические корабли «Союз» летают на МКС по короткой шестичасовой схеме. Она более комфортна для экипажа, и переход на двухсуточную схему стыковки обычно означает, что «что-то пошло не так». Но в этот раз не было никаких неисправностей, и для «Союза ТМА-18М» двухсуточная схема была запланирована изначально. Почему так получилось?
Экскурс в историю
Два состыкованных корабля «Союз»
За десятилетия развития космонавтики СССР/Россия и США успели перепробовать алгоритмы стыковки самой разной длительности. Абсолютный рекорд по скорости стыковки принадлежит нам — весной 1968 года два беспилотных «Союза» под названиями «Космос-212» и "-213" сумели состыковаться всего через 47 минут после старта второго корабля. Пилотируемый рекорд также был бы нашим, если бы у Георгия Берегового на «Союзе-3» получилось бы состыковаться с беспилотным «Союзом-2» — он был на расстоянии 200 метров от цели меньше, чем через час после старта. Но Береговому не повезло, а рекорд самой быстрой пилотируемой стыковки принадлежит Конраду и Гордону, которые сумели состыковать «Джемини-11» с мишенью «Аджена» за 1 час 34 минуты. Если говорить про полеты к орбитальным станциям, до 2013 года рекорд был у американцев — миссии к станции «Скайлэб» стыковались через 8 часов после запуска. В СССР же до 1986 года была принята суточная схема стыковки, а после начала работы станции «Мир» перешли на двухсуточную схему, которую перенесли и на МКС.
Немного физики
Описать словами сближение и стыковку просто. Нужно, всего лишь, сформировать такую орбиту, чтобы оказаться недалеко от цели, погасить относительную скорость, сблизиться и состыковаться. В реальности, понятное дело, этот процесс гораздо сложнее. У «Союза» возможна не любая начальная орбита, да и топливо у него не бесконечное. В таких условиях очень важными параметрами становятся фазовый угол и его допустимый диапазон.
Фазовый угол — это угол между кораблем и целью в плоскости орбиты.
Фазовый диапазон — это допустимые значения фазового угла, при которых возможна стыковка.
Для двухсуточной схемы фазовый диапазон очень большой — порядка 150°, а фазовый угол находится обычно в диапазоне 200-400°. Шестичасовая схема гораздо строже — надо уложиться в фазовый угол 30±15°. Для того, чтобы успеть состыковаться за шесть часов, баллистики даже пошли на хитрость — сразу после выведения корабль получает данные для коррекции орбиты по расчетным параметрам выведения (а в реальном мире ракета-носитель всегда чуть-чуть промахивается). Затем, на втором витке, его орбиту анализируют на Земле и отправляют данные для двух импульсов коррекции, которые исправляют ошибку выведения. Не забывайте о том, что один виток — это примерно 90 минут, т.е. на все операции по стыковке есть всего четыре витка.
Схема маневров «Союза ТМА-16М». Первые два импульса расчетные, вторые два — корректирующие. Обратите внимание на активное маневрирование — импульсы идут примерно каждые полчаса
Схема маневров «Союза ТМА-18М».
Математик-жонглер
Расчет даты и параметров старта зависит от огромного количества ограничений:
- Старт к МКС с Байконура возможен один раз в сутки.
- МКС теряет высоту непредсказуемо — в зависимости от солнечной активности.
- МКС может быть вынуждена выполнить маневр уклонения от космического мусора в заранее неизвестный день
- Нужно, чтобы стыковка происходила на дневной стороне орбиты и в видимости наземных пунктов управления на нашей территории.
- Параметры орбиты необходимо сохранять совместимыми с последующими стартами и посадками с горизонтом планирования примерно год.
В таких условиях баллистики становятся немного жонглерами, учитывая не только множество параметров, но и прогноз на их изменение со временем. Для шестичасовой схемы, несмотря на все старания, пришлось даже вносить послабление — старт теперь может сдвинуться на один день вперед или назад.
Солнце подвело
Возможность для шестичасовой схемы «Союза ТМА-18М» пропала из-за двух факторов. Во-первых, МКС пришлось 26 июля уворачиваться от космического мусора. А во вторых, подвело Солнце — активность гораздо ниже прогнозируемой сделала окрестности Земли более «чистыми» от молекул атмосферы, и МКС снижалась медленнее расчетных значений. Возможность сдвинуть старт на один день была использована еще в июне — из-за такого же уклонения от мусора и низкой солнечной активности параметры орбиты МКС сделали непригодной дату старта 1 сентября. Весь август сохранялась некоторая интрига — несмотря на отказ от одной коррекции орбиты фазовый угол подходил к предельному значению. Не повезло — в итоге он вышел за допустимое значение, и не осталось других альтернатив, кроме двухсуточной схемы.
В теории, можно было бы попытаться затормозить МКС, но это очень дорогое решение — для того, чтобы тормозить двигателями «Прогресса», который пристыкован к модулю «Звезда», пришлось бы два раза разворачивать четырехсоттонную станцию на 180°. Слишком много топлива потратилось бы зря. Есть еще один любопытный вариант — ЦУП Москвы мог бы попросить ЦУП Хьюстона держать панели солнечных батарей МКС перпендикулярно направлению полета, чтобы они «ловили» максимум молекул атмосферы и тормозили бы станцию. Но такое решение тоже не всегда возможно, солнечные батареи должны снабжать станцию энергией и не могут поворачиваться произвольно.
Нет пределов совершенству
Любопытно, но шестичасовая схема не предел. Когда «Союзы» и «Прогрессы» пересядут на «Союз-2.1а», то новый цифровой носитель с более высокой точностью выведения позволит избавиться от двух импульсов коррекции, и сократить полет к МКС на один виток или полтора часа. По заверениям баллистиков фазовый диапазон упадет незначительно, до 25-28°. В теории, при изменении алгоритма сближения с МКС время полета можно будет уменьшить еще, и даже стыковка за один виток в будущем не выглядит абсолютно невозможной.
При подготовке публикации использовались
- Материалы форума журнала «Новости космонавтики».
- Интервью начальника отдела баллистики РКК «Энергия» Рафаила Муртазина.
Почувствовать хитрости орбитальной баллистики можно в бесплатном симуляторе Orbiter, попробуйте полет к МКС на «Союзе».
По тегу «незаметные сложности» — ракеты, двигатели, стартовые сооружения, орбиты и т.п.
Комментарии (34)
semmaxim
07.09.2015 08:56+2А формулы? Формулы для расчёта фазового угла, фазового диапазона и вообще для стыковки. Очень хотелось бы увидеть саму математику.
argz
07.09.2015 10:36В теме поста не силен, но если интересно, могу предложить к прочтению «SPACETRACK REPORT NO. 3 Models for Propagation of NORAD Element Sets» для спутников. Там алгоритмы и примеры кода.
celestrak.com/NORAD/documentation/spacetrk.pdf
Ndividuum
07.09.2015 18:52+1Весьма хорошая литература ещё советского образца, здесь есть ответы на большинство вопросов практического космоплавания Левантовский В.И. «Механика космического полета в элементарном изложении»- http://alexandr4784.narod.ru/lewantov.htm
Danov
07.09.2015 11:05+2Затем, на втором витке, его орбиту анализируют на Земле и ...
Почему не используется ГЛОНАСС/GPS+Iridium/… для непрерывного анализа орбиты?
sharptop
07.09.2015 11:11+1Эмм… а что, это в космосе тоже работает? Я думал ГЛОНАСС/GPS только для поверхности Земли и полетов в атмосфере.
Sudno
07.09.2015 11:27+1Почитайте принцип работы GPS, да хотя бы на вики.
sharptop
07.09.2015 14:50+1Так в вики про это ничего не сказано, что GPS используют в космосе, поэтому и спросил
Sudno
07.09.2015 14:54+2Цитата из вики:
Позволяет в любом месте Земли (исключая приполярные области), почти при любой погоде, а также в околоземном космическом пространстве определять местоположение и скорость объектов.
encyclopedist
07.09.2015 13:10Да, работает. Правда в коммерчески доступных приёмниках есть исскуственные ограничения на высоту и скорость, чтобы их невозможно было применять для вооружения (ракет).
andy_p
07.09.2015 14:25Вообще-то селективный доступ отменили еще в 2000 году.
encyclopedist
07.09.2015 14:35+4Речь не про селективный доступ, а про ограничения, вшитые в чипы-приёмники, которые отказываются работать, если высота и скорость превышают определённые значения (18000 м и 515м/с). Чипы без этих ограничений запрещены к экспорту из США. Wikipedia
andy_p
07.09.2015 14:47+2Это странное ограничение. Баллистические ракеты не нуждаются в GPS,
а крылатые ракеты, которым GPS нужен, летают значительно ниже.
differentlocal
08.09.2015 00:24+2Запрет таможенных ведомств США != запрет GPS.
Такие приемники запрещены к экспорту через границу США, как и многие другие вещи военного/двойного назначение. Производство и использование в других странах не регулируется, сама система GPS тоже никак от этого не защищена.
vanxant
07.09.2015 18:46+1Во-первых, на таких скоростях не все так гладко.
Во-вторых, в пилотируемых полетах все очень консервативно и устроено по принципу работает — не трогай. Они еще совсем недавно на аналоговых ЭВМ летали.
lozga
07.09.2015 19:42Связь будет через спутники «Луч», сами спутники уже на орбите, а оборудование на самом корабле ожидается в конце года. ГЛОНАСС теоретически можно использовать для навигации на околоземной орбите (орбита спутников ГЛОНАСС орбита выше), но, насколько я знаю, датчики будут использоваться уже на этапе посадки для более быстрого поиска спускаемого аппарата.
DancingOnWater
08.09.2015 09:53+1ГЛОНАСС/GPS — используется и уже давно. Хотя за Союзы точно не скажу, а вот на спутниках — это давно основное средство, по которым уточняют орбиту.
Использовать Irirdium — себе в убыток. Цены у них на передачу данных кусачие (по крайне мере были, как сейчас — не знаю). Далее.
Первый виток — это всегда работа ракетоносителя, уточнять по нему баллистическую орбиту бессмысленно. Для более-менее надежного определения нужны данные за треть витка, т.е. в начале второго — это самое оптимальное
beliakov
07.09.2015 11:25+1Нужно, чтобы стыковка происходила на дневной стороне орбиты и в видимости наземных пунктов управления на нашей территории.
В «похожих публикациях» вижу пост с видео стыковки из которого следует что это не так:
На видео видно что незадолго до стыковки станция вошла в тень. Время этой стыковки — 28 марта 2015 года 4:43 по Москве. Так как станция на видео входит в тень (а не выходит из нее), то в местности под станцией Солнце садится. Отсюда следует что стыковка происходит где-то над Тихим океаном. К тому же никакой суши внизу не было заметно.Rumlin
07.09.2015 12:09Учитывая опыт полёта «Союза-3», было решено:
- производить стыковки КК на освещённой части орбиты;
- планировать стыковки на второй виток, на вторые и даже на третьи сутки после запуска.
wikipedia
lozga
07.09.2015 19:43В видео основные операции производятся на свету. Последние метры до стыковочного узла, да, могут производиться в темноте, потому что к тому времени основная работа уже сделана.
qbertych
07.09.2015 13:18фазовый угол находится обычно в диапазоне 200-400°
Интересно, числа больше 360 остались от исторических алгоритмов (где с переходом через 0 не хотелось заморачиваться), или так говорят просто для удобства?lozga
07.09.2015 19:44Если выпадаем из быстрой схемы с 30°, прибавляем 360° и получаем 390°, для которой алгоритм уже рассчитан.
leggiermente
07.09.2015 14:34Интересно, на сколько больше топлива нужно для выведения экипажа в случае двух суток до орбиты по сравнению с односуточным запуском? Должны дольше работать системы жизнеобеспечения, навигации, управления двигателем. Для всего это нужна дополнительная энергия, в конечном итоге выражающаяся в уменьшении полезной нагрузки.
aikixd
07.09.2015 15:34Топливо нужно только для маневрирования. Я думаю что двух суточная схема требует меньше топлива. В любом случае, дельта скорости всего десятки м/с, это совершенно незначительные значения в сравнении с разгоном или торможением.
lozga
07.09.2015 19:48А тут интересная ситуация. С одной стороны, корабль при шестичасовой схеме маневрирует активнее (смотрите каринки из публикации). С другой стороны при двухсуточной схеме надо тратить топливо на переход от солнечной ориентации к орбитальной системе координат. Без лишних маневров по ориентации шестичасовая схема может быть даже экономней. А по другим припасам выгоды нет никакой — электричество берется от солнечных батарей, а еда и прочее все равно берутся с запасом на всякий случай
Ndividuum
07.09.2015 18:47+2Давно пробовал найти подробности по этой теме в интернетах и с предвосхищением увидел тему публикации — в надежде получить все ответы.
Много интересных подробностей и нюансов, но ответ на главный вопрос так и остался за кадром — почему раньше(до 2013) не могли в 6-ти часовую стыковку, а теперь вдруг смогли? Какие технические или административные сложности мешали изначально работать по 6-ти часовой стыковке, американцы же давно к Скайлэб летали за 8 часов?lozga
07.09.2015 19:55В различных источниках упоминалось, что высота МКС мешала такой схеме — пока летали Шаттлы, МКС была вынуждена находиться ниже. Но с точки зрения баллистики попасть в точку на высоте 300 км не сложнее, чем на высоте 400 км. И в интервью Рафаила Муртазина, которое я использовал как источник, эта причина не упоминается, а в качестве толчка к разработке короткой схемы упоминаются вопросы комфорта космических туристов. Не удивлюсь, если с 1986 года, создав хорошую схему летали по принципу «не сломалось — не чини», и захотели улучшить процесс в чем-то неожиданно для самих себя.
St_androsik
09.09.2015 02:42+1Хотите сказать, что никто ещё не запостил это видео Дэстина со Smarter Every Day, которое как раз по теме? Там всё наглядно рассказано и показано.
sonca
17.09.2015 05:48+2Я как раз неделю назад была на экскурсии в НАСА, узнала множество интересного. В частности, на одном из их представлений ведущая сказала, что в этот раз российские космонавты пробовали энергосберегающую схему полета/стыковки, поэтому потратили 2 дня вместо 6 часов.
Спросили ради интереса о том, какое состояние здоровья у космонавтов после длительного пребывания на орбите, например, о том, как себя чувствует Геннадий Падалка после столь долгого времени в космосе, на что нам ответили что «Россия не спешит делиться информацией» :)
NYMEZIDE
От космодрома тоже зависит время?
если будет старт с Восточного — как это повлияет на схему стыковки?
lozga
У «Восточного» широта 51°, там наверняка будет тоже только раз в сутки. А американцам в этом отношении повезло — широта мыса Канаверал в 28° дает два окна для старта в день — на восходящем и нисходящем витке.