Interessant og informativ: Breeze-M øverste trin. Russisk øverste fase "breeze-m"

Af alle orbitale parametre vil vi her være interesseret i tre parametre: højden af periapsis (for Jorden - perigee), højden af apocenter (for Jorden - apogee) og hældning:

Højden af apocenteret er højden af det højeste punkt i kredsløbet, betegnet som Ha.
Højden af periapsis er højden af det laveste punkt i kredsløbet, betegnet som Hn.
Orbital hældning er vinklen mellem orbitalplanet og planet, der passerer gennem Jordens ækvator (i vores tilfælde, kredser om Jorden), betegnet som jeg.

En geostationær bane er en cirkulær bane med en periapsis og apoapsis højde på 35.786 km over havets overflade og en hældning på 0 grader. I overensstemmelse hermed er vores opgave opdelt i følgende faser: gå ind i lav kredsløb om jorden, hæv apocentret til 35.700 km, skift hældningen til 0 grader, hæv periapsis til 35.700 km. Det er mere rentabelt at ændre hældningen af kredsløbet ved apocenteret, fordi der mindre fart satellit, og jo lavere hastigheden er, jo lavere delta-V skal anvendes for at ændre den. Et af trickene ved orbital mekanik er, at det nogle gange er mere rentabelt at hæve apocentret meget højere end ønsket, ændre hældningen der og senere sænke apocentret til det ønskede. Omkostningerne ved at hæve og sænke apocenteret over den ønskede + ændring i hældning kan være mindre end ændringen i hældning i højden af det ønskede apocenter.

Flyveplan

I Briz-M-scenariet er det nødvendigt at opsende Sirius-4, en svensk kommunikationssatellit opsendt i 2007. I løbet af de sidste år er det allerede blevet omdøbt, nu er det "Astra-4A". Planen for dens fjernelse var som følger:

Det er klart, at når vi går ind i kredsløb manuelt, mister vi nøjagtigheden af de maskiner, der udfører ballistiske beregninger, så vores flyveparametre vil have ret store fejl, men det er ikke skræmmende.

Trin 1. Indtastning af referencekredsløbet

Etape 1 tager tid fra lanceringen af programmet til indtræden i et cirkulært kredsløb med en højde på cirka 170 km og en hældning på 51 grader (en smertefuld arv fra Baikonurs breddegrad, når den blev opsendt fra ækvator ville den umiddelbart være 0 grader ).
Scenarie Proton LV / Proton M / Proton M - Breeze M (Sirius 4)

Fra at indlæse simulatoren til at adskille den øverste fase fra den tredje fase, kan du beundre udsigten - alt foregår automatisk. Medmindre du skal skifte kamerafokus til raketten fra udsigten fra jorden (tryk F2 til værdierne øverst til venstre absolut retning eller global ramme).
Under avlsprocessen anbefaler jeg at skifte til "indvendig" visning. F1, forbered dig på, hvad der venter os:

I Orbiter kan du forresten holde pause Ctrl-P, kan dette være nyttigt for dig.
Et par forklaringer om værdierne af indikatorer, der er vigtige for os:

Efter adskillelsen af den tredje fase befinder vi os i en åben bane med truslen om at falde ind i området Stillehavet hvis vi handler langsomt eller forkert. For at undgå sådan en trist skæbne bør vi gå ind i referencekredsløbet, for hvilket vi bør:

Stop blokrotationen ved at trykke på en knap Nummer 5. T.N. KillRot-tilstand (stop rotation). Efter fastsættelse af positionen deaktiveres tilstanden automatisk.
Skift bagud til fremadvisning med knappen C.
Skift forrudeindikatoren til orbital mode (Orbit Earth øverst) ved at trykke på knappen H.
Nøgler Nummer 2(slå op) Nummer 8(skru ned) Nummer 1(drej til venstre), Nummer 3(drej til højre), Nummer 4(rul til venstre), Nummer 6(rul til højre) og Nummer 5(stop rotation) drej blokken i bevægelsesretningen med en stigningsvinkel på ca. 22 grader og fastgør positionen.
Start motorstartproceduren (først Nummer + så uden at give slip, Ctrl).

Hvis du gør alt rigtigt, vil billedet se sådan ud:

Efter at have tændt for motoren:

Opret en rotation, der vil fiksere pitch-vinklen (et par tryk på Num 8, og vinklen ændres ikke mærkbart).
Mens motoren kører, skal du holde stigningsvinklen i området 25-30 grader.
Når periapsis- og apocenterværdierne er i området 160-170 km, sluk for motoren med knappen Antal*.

Hvis alt gik godt, vil det være noget som:

De fleste nerve del Det er forbi, vi er i kredsløb, der er ingen steder at falde.

Trin 2. Indgang i mellemkredsløb

På grund af det lave tryk-til-vægt-forhold skal apocenteret hæves til 35.700 km i to etaper. Den første etape går ind i en mellemliggende bane med et apocenter på ~5000 km. Problemets specificitet er, at det er nødvendigt at accelerere, så apocentret ikke ender væk fra ækvator, dvs. du skal accelerere symmetrisk i forhold til ækvator. Projektionen af outputskemaet på et kort over Jorden vil hjælpe os med dette:

Billede af den nyligt lancerede Turksat 4A, men det gør ikke noget.
Forberedelse til at gå ind i en mellemliggende bane:

Skift venstre multifunktionsdisplay til korttilstand ( Venstre skift F1, Venstre skift M).
R, sænk farten 10 gange T) vent, indtil du flyver over Sydamerika.
Orienter blokken i en prograd (næse i bevægelsesretningen) position. Du kan trykke på knappen [ , så dette sker automatisk, men her er det ikke særlig effektivt, det er bedre at gøre det manuelt.
Giv blokken en nedadgående rotation for at bevare en prograd position

Det skal se nogenlunde sådan ud:

I området med 27 graders bredde skal du tænde for motoren, og opretholde en prograd position, flyve, indtil du når apocenteret på 5000 km. Du kan aktivere 10x acceleration. Når du når apocenteret på 5000 km, skal du slukke for motoren.

Musik er efter min mening meget velegnet til acceleration i kredsløb

Hvis alt gik godt, får vi noget som:

Trin 3. Entry into transfer orbit

Meget lig trin 2:

Ved at accelerere tiden (hastighed op 10 gange R, sænk farten 10 gange T, du kan roligt speede op til 100x, jeg anbefaler ikke 1000x) vent til du flyver over Sydamerika.
Orienter blokken i en prograd (næse i bevægelsesretningen) position.
Giv blokken en nedadgående rotation for at bevare en prograd position.
I området med 27 graders bredde skal du tænde for motoren, og ved at opretholde en prograde position flyve, indtil du når apocenteret på 35.700 km. Du kan aktivere 10x acceleration.
Når den eksterne brændstoftank løber tør for brændstof, nulstil den ved at trykke på D. Start motoren igen.

Nulstilling af brændstoftanken, synlig drift af deponeringsmotorer

Resultat. Bemærk venligst, at jeg havde travlt med at slukke motoren, apocenteret er 34,7 tusinde km. Dette er ikke skræmmende, for forsøgets renhed vil vi lade det være på denne måde.

Smuk udsigt

Trin 4. Ændring af orbitalhældningen

Hvis du gjorde alt med mindre fejl, vil apocenteret være nær ækvator. Procedure:

Accelerer tid til 1000x, vent på tilgangen til ækvator.
Orienter blokken vinkelret på flyvningen, opad, set fra ydersiden af kredsløbet. Velegnet til dette automatisk tilstand Nml+, som aktiveres ved at trykke på en knap ; (aka og)
Tænd for motoren.
Hvis der er brændstof tilbage efter hældningsnulstillingsmanøvren, kan du bruge det på at hæve periapsis.
Når du er løbet tør for brændstof, skal du bruge knappen J adskille satellitten, eksponere dens solpaneler og antenner Alt-A, Alt-S

Startposition før manøvre

Efter manøvren

Trin 5. Uafhængig opsendelse af satellitten til GEO

Satellitten har en motor, der kan bruges til at hæve periapsis. For at gøre dette, i området med periapsis, orienterer vi satellitten gradvist og tænder for motoren. Motoren er svag, den skal gentages flere gange. Hvis du gør alt korrekt, vil satellitten stadig have cirka 20 % af sit brændstof tilbage til at korrigere orbitale forstyrrelser. I virkeligheden fører Månens og andre faktorers indflydelse til, at satellitternes kredsløb er forvrænget, og brændstof skal spildes for at opretholde de nødvendige parametre.
Hvis alt fungerede for dig, vil billedet se sådan ud:

Nå, en lille illustration af det faktum, at en GEO-satellit er placeret over ét sted på Jorden:

Turksat 4A lanceringsdiagram, til sammenligning

Om rumsimulatoren Orbiter og mindst to hundrede mennesker, der blev interesserede og downloadede tilføjelser til den, førte mig til ideen om at fortsætte serien af uddannelses- og spilindlæg. Jeg vil også lette overgangen fra det første indlæg, hvor alt foregår automatisk, uden at det kræver dine handlinger, til uafhængige eksperimenter, så du ikke ender med en joke om at tegne en ugle. Dette indlæg har følgende mål:

Fortæl os om Breeze-familien af øvre stadier
Giv en idé om de vigtigste parametre for orbital bevægelse: apocenter, periapsis, orbital inklination
Giv en forståelse af det grundlæggende i orbital mekanik og opsendelser i geostationær kredsløb (GEO)
Giv en simpel guide til at mestre manuel exit til GSO i simulatoren

Indledning

Der tænkes lidt over dette, men Briz-familien af øvre stadier - Briz-M, Briz-KM - er et eksempel på en enhed udviklet efter USSR's sammenbrud. Der var flere årsager til denne udvikling:

Baseret på UR-100 ICBM blev der udviklet en konverterings løfteraket "Rokot", for hvilken en øvre fase (UR) ville være nyttig.
På protonen, til opsendelse i den geostationære bane, blev DM RB brugt, som brugte "ilt-kerosen"-parret "non-native" for protonen, havde en autonom flyvetid på kun 7 timer, og dens nyttelastkapacitet kunne blive øget.

I 1990-1994 fandt testopsendelser sted, og i maj-juni 2000 fandt flyvninger af begge modifikationer af Briz sted - Briz-KM for Rokot og Briz-M for Proton. Den største forskel mellem dem er tilstedeværelsen af yderligere brændstoftanke, der kan kastes ud på Brize-M, som giver en større karakteristisk hastighedsmargin (delta-V) og tillader opsendelse af tungere satellitter. Her er et billede, der illustrerer forskellen meget godt:

Design

Blokkene i "Breeze"-familien er kendetegnet ved et meget tæt layout:

Mere detaljeret tegning

Vær opmærksom på tekniske løsninger:

Motoren er placeret inde i "glasset" i tanken
Inde i tankene er der også heliumcylindre til tryksætning
Brændstof- og oxidationstankene har en fælles væg (takket være brugen af UDMH/AT-parret, dette repræsenterer ikke en teknisk vanskelighed), der er ingen stigning i længden af blokken på grund af mellemtankrummet
Tankene er bærende - der er ingen kraftværker, der vil kræve ekstra vægt og øge længden
Droptankene er faktisk halvdelen af det stadie, som på den ene side kræver overskydende vægt på væggene derimod giver det dig mulighed for at øge den karakteristiske hastighedsreserve ved at tømme tomme tanke.

Det tætte layout sparer geometriske dimensioner og vægt, men det har også sine ulemper. For eksempel er en motor, der afgiver varme, når den kører, placeret meget tæt på tanke og rør. Og kombinationen af en højere (med 1-2 grader inden for specifikationen) temperatur af brændstoffet med en højere termisk intensitet af motoren under drift (også inden for specifikationen) førte til kogning af oxidationsmidlet, forstyrrelse af afkølingen af turbolader-turbine af den flydende oxidator og afbrydelse af dens drift, hvilket forårsagede RB-ulykke under opsendelsen af Yamal-402-satellitten i december 2012.
RB-motorerne bruger en kombination af tre typer motorer: den primære S5.98 (14D30) med et træk på 2 tons, fire korrektionsmotorer (faktisk er disse aflejringsmotorer, ullage-motorer), som tændes, før hovedmotoren startes at afsætte brændstof på bunden af tankene, og tolv orienteringsmotorer med en trykkraft på 1,3 kg. Hovedmotoren har meget høje parametre (tryk i forbrændingskammeret ~100 atm, specifik impuls 328,6 s) på trods af det åbne design. Hans "fædre" stod ved Mars-stationerne "Phobos", og hans "bedstefædre" stod ved månelandingsstationer som "Luna-16". Fremdriftsmotoren kan tændes pålideligt op til otte gange, og enhedens aktive levetid er ikke mindre end en dag.
Vægten af en fuldt opladet enhed er op til 22,5 tons, nyttelast når 6 tons. Men den samlede masse af blokken efter adskillelse fra den tredje fase af løfteraketten er lidt mindre end 26 tons. Når den indsættes i et geotransfer-kredsløb, er RB'en undertanket, og en fuldt fyldt tank til direkte indføring i GEO bærer maksimalt 3,7 tons nyttelast. Blokkens tryk-til-vægt-forhold er lig med ~0,76. Dette er en ulempe ved Breeze RB, men en lille. Faktum er, at efter adskillelse er RB+ PN i en åben bane, hvilket kræver en impuls for yderligere indføring, og motorens lave tryk fører til gravitationstab. Gravitationstab er cirka 1-2 %, hvilket er ret lille. Lange perioder med motordrift øger også krav til pålidelighed. Til gengæld har hovedmotoren en garanteret levetid på op til 3200 sekunder (næsten en time!).

Lidt om pålidelighed

Breeze RB-familien er i meget aktiv brug:

4 flyvninger med "Breeze-M" på "Proton-K"
72 flyvninger af Briz-M på Proton-M
16 flyvninger af Briz-KM på Rokot

I alt 92 flyvninger pr. 16. februar 2014. Af disse skete 5 ulykker (jeg fik en delvis succes med Yamal-402 som en ulykke) på grund af fejlen i Briz-M-enheden og 2 på grund af fejlen i Briz-KM, hvilket giver os en pålidelighed på 92 %. Lad os se mere detaljeret på årsagerne til ulykker:

28. februar 2006, ArabSat 4A - for tidlig nedlukning af motoren på grund af en fremmed partikel, der trænger ind i den hydrauliske turbinedyse (,), en enkelt fabrikationsfejl.
15. marts 2008, AMC-14 - for tidlig motornedlukning, ødelæggelse af en højtemperaturgasrørledning (), det krævede modifikation.
18. august 2011, Express-AM4. Tidsintervallet for drejning af den gyrostabiliserede platform er urimeligt "indsnævret", forkert orientering (), programmørfejl.
6. august 2012, Telkom 3, Express MD2. Motorstop på grund af tilstopning af boostledningen (), en fabrikationsfejl.
9. december 2012, Yamal-402. Motorstop på grund af fejl i pumpen, en kombination af ugunstige temperaturfaktorer ()
8. oktober 2005, "Briz-KM", Cryosat, ikke-adskillelse af andet trin og det øverste trin, unormal drift af softwaren (), programmørfejl.
1. februar 2011, "Briz-KM", Geo-IK2, unormal motorimpuls, formentlig på grund af en fejl i kontrolsystemet på grund af manglende telemetri, kan den nøjagtige årsag ikke bestemmes.

Hvis vi analyserer årsagerne til ulykker, så er kun to forbundet med designproblemer og designfejl - udbrænding af gasrørledningen og svigt af varmepumpens køling. Alle andre ulykker, hvis årsag er kendt med sikkerhed, er forbundet med problemer med kvaliteten af produktionen og forberedelse til lancering. Dette er ikke overraskende - rumindustrien kræver meget høj kvalitet arbejde, og en fejl selv fra en almindelig medarbejder kan føre til en ulykke. Breeze i sig selv er ikke et mislykket design, men det er værd at bemærke manglen på en sikkerhedsmargin på grund af det faktum, at for at sikre maksimal ydeevne af RB-materialerne, arbejder de tæt på grænsen for deres fysiske styrke.

Lad os flyve

Det er tid til at gå videre til praksis - gå manuelt ind i geostationær bane i Orbiter. Til dette skal vi bruge:
Orbiter-udgivelsen, hvis du ikke har downloadet den endnu efter at have læst det første indlæg, her er linket.
Addon "Proton LV" download herfra

Lidt teori

Af alle orbitale parametre vil vi her være interesseret i tre parametre: højden af periapsis (for Jorden - perigee), højden af apocenter (for Jorden - apogee) og hældning:

Højden af apocenteret er højden af det højeste punkt i kredsløbet, betegnet som Ha.
Højden af periapsis er højden af det laveste punkt i kredsløbet, betegnet som Hn.
Orbital hældning er vinklen mellem orbitalplanet og planet, der passerer gennem Jordens ækvator (i vores tilfælde, kredser om Jorden), betegnet som jeg.

En geostationær bane er en cirkulær bane med en periapsis og apoapsis højde på 35.786 km over havets overflade og en hældning på 0 grader. I overensstemmelse hermed er vores opgave opdelt i følgende faser: gå ind i lav kredsløb om jorden, hæv apocentret til 35.700 km, skift hældningen til 0 grader, hæv periapsis til 35.700 km. Det er mere rentabelt at ændre hældningen af banen ved apocenteret, fordi satellittens hastighed er lavere der, og jo lavere hastigheden er, jo mindre delta-V skal anvendes for at ændre den. Et af trickene ved orbital mekanik er, at det nogle gange er mere rentabelt at hæve apocentret meget højere end ønsket, ændre hældningen der og senere sænke apocentret til det ønskede. Omkostningerne ved at hæve og sænke apocenteret over den ønskede + ændring i hældning kan være mindre end ændringen i hældning i højden af det ønskede apocenter.

Flyveplan

Det er klart, at når vi går ind i kredsløb manuelt, mister vi nøjagtigheden af de maskiner, der udfører ballistiske beregninger, så vores flyveparametre vil have ret store fejl, men det er ikke skræmmende.

Trin 1. Indtastning af referencekredsløbet

Fra at indlæse simulatoren til at adskille den øverste fase fra den tredje fase, kan du beundre udsigten - alt foregår automatisk. Medmindre du skal skifte kamerafokus til raketten fra udsigten fra jorden (tryk F2 til værdierne øverst til venstre absolut retning eller global ramme).
Under avlsprocessen anbefaler jeg at skifte til "indvendig" visning. F1, forbered dig på, hvad der venter os:

I Orbiter kan du forresten holde pause Ctrl-P, kan dette være nyttigt for dig.
Et par forklaringer om værdierne af indikatorer, der er vigtige for os:

Efter tredje fase er adskilt, befinder vi os i en åben bane med truslen om at falde i Stillehavet, hvis vi handler langsomt eller forkert. For at undgå sådan en trist skæbne bør vi gå ind i referencekredsløbet, som vi bør:

Stop blokrotationen ved at trykke på en knap Nummer 5. T.N. KillRot-tilstand (stop rotation). Efter fastsættelse af positionen deaktiveres tilstanden automatisk.
Skift bagud til fremadvisning med knappen C.
Skift forrudeindikatoren til orbital mode (Orbit Earth øverst) ved at trykke på knappen H.
Nøgler Nummer 2(slå op) Nummer 8(skru ned) Nummer 1(drej til venstre), Nummer 3(drej til højre), Nummer 4(rul til venstre), Nummer 6(rul til højre) og Nummer 5(stop rotation) drej blokken i bevægelsesretningen med en stigningsvinkel på ca. 22 grader og fastgør positionen.
Start motorstartproceduren (først Nummer + så uden at give slip, Ctrl).

Hvis du gør alt rigtigt, vil billedet se sådan ud:

Efter at have tændt for motoren:

Opret en rotation, der vil fiksere pitch-vinklen (et par tryk på Num 8, og vinklen ændres ikke mærkbart).
Mens motoren kører, skal du holde stigningsvinklen i området 25-30 grader.
Når periapsis- og apocenterværdierne er i området 160-170 km, sluk for motoren med knappen Antal*.

Hvis alt gik godt, vil det være noget som:

Den mest nervøse del er forbi, vi er i kredsløb, der er ingen steder at falde.

Trin 2. Indgang i mellemkredsløb

På grund af det lave træk-til-vægt-forhold skal apocenteret hæves til 35.700 km i to etaper. Den første etape går ind i en mellemliggende bane med et apocenter på ~5000 km. Problemets specificitet er, at det er nødvendigt at accelerere, så apocentret ikke ender væk fra ækvator, dvs. du skal accelerere symmetrisk i forhold til ækvator. Projektionen af outputskemaet på et kort over Jorden vil hjælpe os med dette:

Billede af den nyligt lancerede Turksat 4A, men det gør ikke noget.
Forberedelse til at gå ind i en mellemliggende bane:

Skift venstre multifunktionsdisplay til korttilstand ( Venstre skift F1, Venstre skift M).
R, sænk farten 10 gange T) vent, indtil du flyver over Sydamerika.
Orienter blokken til en position langs omløbshastighedsvektoren (med næsen i bevægelsesretningen). Du kan trykke på knappen [ , så dette sker automatisk, men her er det ikke særlig effektivt, det er bedre at gøre det manuelt.

Det skal se nogenlunde sådan ud:

I området med 27 graders bredde skal du tænde for motoren, og ved at bevare orienteringen langs kredsløbshastighedsvektoren flyve, indtil du når apocentret på 5000 km. Du kan aktivere 10x acceleration. Når du når apocenteret på 5000 km, skal du slukke for motoren.

Musik er efter min mening meget velegnet til acceleration i kredsløb

Hvis alt gik godt, får vi noget som:

Trin 3. Entry into transfer orbit

Meget lig trin 2:

Ved at accelerere tiden (hastighed op 10 gange R, sænk farten 10 gange T, du kan roligt speede op til 100x, jeg anbefaler ikke 1000x) vent til du flyver over Sydamerika.
Orienter blokken til en position langs omløbshastighedsvektoren (med næsen i bevægelsesretningen).
Giv blokken rotation nedad for at bevare orienteringen langs kredsløbshastighedsvektoren.
I området med 27 graders bredde skal du tænde for motoren, og ved at opretholde stabilisering langs kredsløbshastighedsvektoren flyve, indtil du når apocentret på 35.700 km. Du kan aktivere 10x acceleration.
Når den eksterne brændstoftank løber tør for brændstof, nulstil den ved at trykke på D. Start motoren igen.

Nulstilling af brændstoftanken, synlig drift af deponeringsmotorer

Resultat. Bemærk venligst, at jeg havde travlt med at slukke motoren, apocenteret er 34,7 tusinde km. Dette er ikke skræmmende, for forsøgets renhed vil vi lade det være på denne måde.

Smuk udsigt

Trin 4. Ændring af orbitalhældningen

Hvis du gjorde alt med mindre fejl, vil apocenteret være nær ækvator. Procedure:

Accelerer tid til 1000x, vent på tilgangen til ækvator.
Orienter blokken vinkelret på flyvningen, opad, set fra ydersiden af kredsløbet. Nml+ automatisk tilstand er velegnet til dette, som aktiveres ved at trykke på en knap ; (aka og)
Tænd for motoren.
Hvis der er brændstof tilbage efter hældningsnulstillingsmanøvren, kan du bruge det på at hæve periapsis.
Når du er løbet tør for brændstof, skal du bruge knappen J adskille satellitten, eksponere dens solpaneler og antenner Alt-A, Alt-S

Startposition før manøvre

Efter manøvren

Trin 5. Uafhængig opsendelse af satellitten til GEO

Satellitten har en motor, der kan bruges til at hæve periapsis. For at gøre dette, i området af apocenteret, orienterer vi satellitten langs kredsløbshastighedsvektoren og tænder for motoren. Motoren er svag, den skal gentages flere gange. Hvis du gør alt korrekt, vil satellitten stadig have cirka 20 % af sit brændstof tilbage til at korrigere orbitale forstyrrelser. I virkeligheden fører Månens og andre faktorers indflydelse til, at satellitternes kredsløb er forvrænget, og brændstof skal spildes for at opretholde de nødvendige parametre.
Hvis alt fungerede for dig, vil billedet se sådan ud:

Nå, en lille illustration af det faktum, at en GEO-satellit er placeret over ét sted på Jorden:

Turksat 4A lanceringsdiagram, til sammenligning

UPD: efter at have rådført mig med , erstattede jeg det grimme hjemmelavede kalkerpapir fra Orbiter's Prograde/Retrograde med det virkelige udtryk "for/mod orbital velocity vector"
UPD2: Jeg blev kontaktet af en specialist i tilpasning af nyttelast til Briza-M fra State Research and Production Space Center opkaldt efter. Khrunichev, tilføjede et par kommentarer til artiklen:

I virkeligheden sendes der ikke 28 tons ind i den suborbitale bane (begyndelsen af etape 1), men lidt mindre end 26, fordi den øverste etape ikke er fuldt optanket.
Tyngdekraftstab er kun 1-2 %

Tags:

astronautik
Orbiter
brise

Tilføj tags

Den gode reaktion på Orbiter-rumsimulatoren og mindst to hundrede mennesker, der blev interesserede og downloadede tilføjelser til den, førte mig til ideen om at fortsætte en række undervisnings- og spilartikler. Jeg vil også lette overgangen fra den første artikel, hvor alt foregår automatisk, uden at det kræver dine handlinger, til uafhængige eksperimenter, så du ikke ender med en vittighed om at tegne en ugle. Denne artikel har følgende formål:

Fortæl os om Breeze-familien af øvre stadier
Giv en idé om de vigtigste parametre for orbital bevægelse: apocenter, periapsis, orbital inklination
Giv en forståelse af det grundlæggende i orbital mekanik og opsendelser i geostationær kredsløb (GEO)
Giv en simpel guide til at mestre manuel exit til GSO i simulatoren

Indledning

Der tænkes lidt over dette, men Briz-familien af øvre stadier - Briz-M, Briz-KM - er et eksempel på en enhed udviklet efter USSR's sammenbrud. Der var flere årsager til denne udvikling:

Baseret på UR-100 ICBM blev der udviklet en konverterings løfteraket "Rokot", for hvilken en øvre fase (UR) ville være nyttig.
På protonen, til opsendelse i den geostationære bane, blev DM RB brugt, som brugte "ilt-kerosen"-parret "non-native" for protonen, havde en autonom flyvetid på kun 7 timer, og dens nyttelastkapacitet kunne blive øget.

Design

Blokkene i "Breeze"-familien er kendetegnet ved et meget tæt layout:

Mere detaljeret tegning

Vær opmærksom på tekniske løsninger:

Motoren er placeret inde i "glasset" i tanken
Inde i tankene er der også heliumcylindre til tryksætning
Brændstof- og oxidationstankene har en fælles væg (takket være brugen af UDMH/AT-parret, dette repræsenterer ikke en teknisk vanskelighed), der er ingen stigning i længden af blokken på grund af mellemtankrummet
Tankene er bærende - der er ingen kraftværker, der vil kræve ekstra vægt og øge længden
De kastbare tanke er faktisk halvdelen af scenen, hvilket på den ene side kræver ekstra vægt på væggene, og på den anden side gør det muligt at øge den karakteristiske hastighedsmargin ved at kaste tomme tanke.

Det tætte layout sparer geometriske dimensioner og vægt, men det har også sine ulemper. For eksempel er en motor, der afgiver varme, når den kører, placeret meget tæt på tanke og rør. Og kombinationen af en højere (med 1-2 grader inden for specifikationen) temperatur af brændstoffet med en højere termisk intensitet af motoren under drift (også inden for specifikationen) førte til kogning af oxidationsmidlet, forstyrrelse af afkølingen af turbolader-turbine af den flydende oxidator og afbrydelse af dens drift, hvilket forårsagede RB-ulykke under opsendelsen af Yamal-402-satellitten i december 2012.
RB-motorerne bruger en kombination af tre typer motorer: den primære S5.98 (14D30) med et træk på 2 tons, fire korrektionsmotorer (faktisk er disse aflejringsmotorer, ullage-motorer), som tændes, før hovedmotoren startes at afsætte brændstof på bunden af tankene, og tolv orienteringsmotorer med en trykkraft på 1,3 kg. Hovedmotoren har meget høje parametre (tryk i forbrændingskammeret ~100 atm, specifik impuls 328,6 s) på trods af det åbne design. Hans "fædre" stod ved Mars-stationerne "Phobos", og hans "bedstefædre" stod ved månelandingsstationer som "Luna-16". Fremdriftsmotoren kan tændes pålideligt op til otte gange, og enhedens aktive levetid er ikke mindre end en dag.
Massen af en blok med fuld brændstof er op til 22,5 tons med en nyttelast på ~6 tons, vil massen af blokken efter adskillelse fra løfterakettens tredje fase være ~28-29 tons. Dem. Blokkens tryk-til-vægt-forhold er lig med ~0,07. Dette er en ulempe ved Breeze RB, men ikke en særlig stor. Faktum er, at efter adskillelse er RB+ PN i en åben bane, hvilket kræver en impuls for yderligere indføring, og motorens lave tryk fører til gravitationstab. Lange perioder med motordrift øger også krav til pålidelighed. Til gengæld har hovedmotoren en garanteret levetid på op til 3200 sekunder (næsten en time!).

Lidt om pålidelighed

Breeze RB-familien er i meget aktiv brug:

4 flyvninger med "Breeze-M" på "Proton-K"
72. flyvning af "Breeze-M" på "Proton-M"
16 flyvninger af Briz-KM på Rokot

28. februar 2006, ArabSat 4A - for tidlig nedlukning af motoren på grund af en fremmed partikel, der trænger ind i den hydrauliske turbinedyse (,), en enkelt fabrikationsfejl.
15. marts 2008, AMC-14 - for tidlig motornedlukning, ødelæggelse af en højtemperaturgasrørledning (), det krævede modifikation.
18. august 2011, Express-AM4. Tidsintervallet for drejning af den gyrostabiliserede platform er urimeligt "indsnævret", forkert orientering (), programmørfejl.
6. august 2012, Telkom 3, Express MD2. Motorstop på grund af tilstopning af boostledningen (), en fabrikationsfejl.
9. december 2012, Yamal-402. Motorstop på grund af fejl i pumpen, en kombination af ugunstige temperaturfaktorer ()
8. oktober 2005, "Briz-KM", Cryosat, ikke-adskillelse af andet trin og det øverste trin, unormal drift af softwaren (), programmørfejl.
1. februar 2011, "Briz-KM", Geo-IK2, unormal motorimpuls, formentlig på grund af en fejl i kontrolsystemet på grund af manglende telemetri, kan den nøjagtige årsag ikke bestemmes.

Hvis vi analyserer årsagerne til ulykker, så er kun to forbundet med designproblemer og designfejl - udbrænding af gasrørledningen og svigt af varmepumpens køling. Alle andre ulykker, hvis årsag er kendt med sikkerhed, er forbundet med problemer med kvaliteten af produktionen og forberedelse til lancering. Dette er ikke overraskende - rumindustrien kræver en meget høj kvalitet af arbejdet, og en fejl selv af en almindelig medarbejder kan føre til en ulykke. Breeze i sig selv er ikke et mislykket design, men det er værd at bemærke manglen på en sikkerhedsmargin på grund af det faktum, at for at sikre maksimal ydeevne af RB-materialerne, arbejder de tæt på grænsen for deres fysiske styrke.

Lad os flyve

Det er tid til at gå videre til praksis - gå manuelt ind i geostationær kredsløb i Orbiter. Til dette skal vi bruge:
Orbiter-udgivelsen, hvis du ikke har downloadet den endnu efter at have læst den første artikel, her er linket.
Addon "Proton LV" download herfra

Lidt teori

Af alle orbitale parametre vil vi her være interesseret i tre parametre: højden af periapsis (for Jorden - perigee), højden af apocenter (for Jorden - apogee) og hældning:

Højden af apocenteret er højden af det højeste punkt i kredsløbet, betegnet som Ha.
Højden af periapsis er højden af det laveste punkt i kredsløbet, betegnet som Hn.
Orbital hældning er vinklen mellem orbitalplanet og planet, der passerer gennem Jordens ækvator (i vores tilfælde, kredser om Jorden), betegnet som jeg.

En geostationær bane er en cirkulær bane med en periapsis og apoapsis højde på 35.786 km over havets overflade og en hældning på 0 grader. I overensstemmelse hermed er vores opgave opdelt i følgende faser: gå ind i lav kredsløb om jorden, hæv apocentret til 35.700 km, skift hældningen til 0 grader, hæv periapsis til 35.700 km. Det er mere rentabelt at ændre hældningen af banen ved apocenteret, fordi satellittens hastighed er lavere der, og jo lavere hastigheden er, jo mindre delta-V skal anvendes for at ændre den. Et af trickene ved orbital mekanik er, at det nogle gange er mere rentabelt at hæve apocentret meget højere end ønsket, ændre hældningen der og senere sænke apocentret til det ønskede. Omkostningerne ved at hæve og sænke apocenteret over den ønskede + ændring i hældning kan være mindre end ændringen i hældning i højden af det ønskede apocenter.

Flyveplan

Trin 1. Indtastning af referencekredsløbet

Etape 1 tager tid fra lanceringen af programmet til indtræden i et cirkulært kredsløb med en højde på cirka 170 km og en hældning på 51 grader (en smertefuld arv fra Baikonurs breddegrad, når den blev opsendt fra ækvator ville den umiddelbart være 0 grader ).
Scenarie Proton LV / Proton M / Proton M - Breeze M (Sirius 4)

Fra at indlæse simulatoren til at adskille den øverste fase fra den tredje fase, kan du beundre udsigten - alt foregår automatisk. Medmindre du skal skifte kamerafokus til raketten fra udsigten fra jorden (tryk F2 til værdierne øverst til venstre absolut retning eller global ramme).
Under avlsprocessen anbefaler jeg at skifte til "indvendig" visning. F1, forbered dig på, hvad der venter os:

I Orbiter kan du forresten holde pause Ctrl-P, kan dette være nyttigt for dig.
Et par forklaringer om værdierne af indikatorer, der er vigtige for os:

Efter tredje fase er adskilt, befinder vi os i en åben bane med truslen om at falde i Stillehavet, hvis vi handler langsomt eller forkert. For at undgå sådan en trist skæbne bør vi gå ind i referencekredsløbet, som vi bør:

Stop blokrotationen ved at trykke på en knap Nummer 5. T.N. KillRot-tilstand (stop rotation). Efter fastsættelse af positionen deaktiveres tilstanden automatisk.
Skift bagud til fremadvisning med knappen C.
Skift forrudeindikatoren til orbital mode (Orbit Earth øverst) ved at trykke på knappen H.
Nøgler Nummer 2(slå op) Nummer 8(skru ned) Nummer 1(drej til venstre), Nummer 3(drej til højre), Nummer 4(rul til venstre), Nummer 6(rul til højre) og Nummer 5(stop rotation) drej blokken i bevægelsesretningen med en stigningsvinkel på ca. 22 grader og fastgør positionen.
Start motorstartproceduren (først Nummer + så uden at give slip, Ctrl).

Hvis du gør alt rigtigt, vil billedet se sådan ud:

Efter at have tændt for motoren:

Opret en rotation, der vil fiksere pitch-vinklen (et par tryk på Num 8, og vinklen ændres ikke mærkbart).
Mens motoren kører, skal du holde stigningsvinklen i området 25-30 grader.
Når periapsis- og apocenterværdierne er i området 160-170 km, sluk for motoren med knappen Antal*.

Hvis alt gik godt, vil det være noget som:

Den mest nervøse del er forbi, vi er i kredsløb, der er ingen steder at falde.

Trin 2. Indgang i mellemkredsløb

Skift venstre multifunktionsdisplay til korttilstand ( Venstre skift F1, Venstre skift M).
R, sænk farten 10 gange T) vent, indtil du flyver over Sydamerika.
Orienter blokken i en prograd (næse i bevægelsesretningen) position. Du kan trykke på knappen [ , så dette sker automatisk, men her er det ikke særlig effektivt, det er bedre at gøre det manuelt.
Giv blokken en nedadgående rotation for at bevare en prograd position

Musik er efter min mening meget velegnet til acceleration i kredsløb

Hvis alt gik godt, får vi noget som:

Trin 3. Entry into transfer orbit

Meget lig trin 2:

Ved at accelerere tiden (hastighed op 10 gange R, sænk farten 10 gange T, du kan roligt speede op til 100x, jeg anbefaler ikke 1000x) vent til du flyver over Sydamerika.
Orienter blokken i en prograd (næse i bevægelsesretningen) position.
Giv blokken en nedadgående rotation for at bevare en prograd position.
I området med 27 graders bredde skal du tænde for motoren, og ved at opretholde en prograde position flyve, indtil du når apocenteret på 35.700 km. Du kan aktivere 10x acceleration.
Når den eksterne brændstoftank løber tør for brændstof, nulstil den ved at trykke på D. Start motoren igen.

Trin 4. Ændring af orbitalhældningen

Hvis du gjorde alt med mindre fejl, vil apocenteret være nær ækvator. Procedure:

Accelerer tid til 1000x, vent på tilgangen til ækvator.
Orienter blokken vinkelret på flyvningen, opad, set fra ydersiden af kredsløbet. Nml+ automatisk tilstand er velegnet til dette, som aktiveres ved at trykke på en knap ; (aka og)
Tænd for motoren.
Hvis der er brændstof tilbage efter hældningsnulstillingsmanøvren, kan du bruge det på at hæve periapsis.
Når du er løbet tør for brændstof, skal du bruge knappen J adskille satellitten, eksponere dens solpaneler og antenner Alt-A, Alt-S

Startposition før manøvre

Efter manøvren

Trin 5. Uafhængig opsendelse af satellitten til GEO

Briz-familien af øvre stadier - Briz-M, Briz-KM - er et eksempel på en enhed udviklet efter USSR's sammenbrud. Der var flere årsager til denne udvikling:

Baseret på UR-100 ICBM blev der udviklet en konverterings løfteraket "Rokot", for hvilken en øvre fase (UR) ville være nyttig.
På protonen, til opsendelse i den geostationære bane, blev DM RB brugt, som brugte "ilt-kerosen"-parret "non-native" for protonen, havde en autonom flyvetid på kun 7 timer, og dens nyttelastkapacitet kunne blive øget.

Udvikleren af de øverste stadier af Breeze-familien er Federal State Unitary Enterprise "State Space Research and Production Center opkaldt efter M.V. Khrunichev". I 1990-1994 fandt testopsendelser sted, og i maj-juni 2000 fandt flyvninger af begge modifikationer af Briz sted - Briz-KM for Rokot og Briz-M for Proton. Den største forskel mellem dem er tilstedeværelsen af yderligere brændstoftanke, der kan kastes ud på Brize-M, som giver en større karakteristisk hastighedsmargin (delta-V) og tillader opsendelse af tungere satellitter.

Blokkene i "Breeze"-familien er kendetegnet ved et meget tæt layout:

Funktioner af tekniske løsninger:

Motoren er placeret inde i "glasset" i tanken
Inde i tankene er der også heliumcylindre til tryksætning
Brændstof- og oxidationstankene har en fælles væg (takket være brugen af UDMH/AT-parret, dette repræsenterer ikke en teknisk vanskelighed), der er ingen stigning i længden af blokken på grund af mellemtankrummet
Tankene er bærende - der er ingen kraftværker, der vil kræve ekstra vægt og øge længden
De kastbare tanke er faktisk halvdelen af scenen, hvilket på den ene side kræver ekstra vægt på væggene, og på den anden side gør det muligt at øge den karakteristiske hastighedsmargin ved at kaste tomme tanke.

Det tætte layout sparer geometriske dimensioner og vægt, men det har også sine ulemper. Motoren, som afgiver varme, når den kører, er placeret meget tæt på tanke og rør.

Kombinationen af en højere (med 1-2 grader, inden for specifikationen) brændstoftemperatur med en højere termisk intensitet af motoren under drift (også inden for specifikationen) førte til kogning af oxidationsmidlet, afbrydelse af afkølingen af turbolader-turbinen vha. det flydende oxidationsmiddel og afbrydelse af dets drift, som forårsagede en ulykke RB under opsendelsen af Yamal-402-satellitten i december 2012.

RB-motorerne bruger en kombination af tre typer motorer: den primære S5.98 (14D30) med et træk på 2 tons, fire korrektionsmotorer (faktisk er disse aflejringsmotorer, ullage-motorer), som tændes, før hovedmotoren startes at afsætte brændstof på bunden af tankene, og tolv orienteringsmotorer med en trykkraft på 1,3 kg. Hovedmotoren har meget høje parametre (tryk i forbrændingskammeret ~100 atm, specifik impuls 328,6 s) på trods af det åbne design. Hans "fædre" stod ved Mars-stationerne "Phobos", og hans "bedstefædre" stod ved månelandingsstationer som "Luna-16". Fremdriftsmotoren kan tændes pålideligt op til otte gange, og enhedens aktive levetid er ikke mindre end en dag.

Massen af en fuldt opladet enhed er op til 22,5 tons, nyttelasten når 6 tons. Men den samlede masse af blokken efter adskillelse fra den tredje fase af løfteraketten er lidt mindre end 26 tons. Når den indsættes i en geotransfer bane, er RB'en undertanket, og en fuldt fyldt tank til direkte indføring i geostationær kredsløb leverede maksimalt 3,7 tons nyttelast. Enhedens tryk-til-vægt-forhold er lig med ~0,76. Dette er en ulempe ved Breeze RB, men en lille. Faktum er, at efter adskillelse er RB+PN i et åbent kredsløb, hvilket kræver en impuls for yderligere indføring, og motorens lille tryk fører til gravitationstab. Gravitationstab er cirka 1-2 %, hvilket er ret lille. Lange perioder med motordrift øger også krav til pålidelighed. Til gengæld har hovedmotoren en garanteret levetid på op til 3200 sekunder (næsten en time!).

Præstationskarakteristika for Briz-KM overtrin

Sammensætning - Monoblok med et konisk tankrum og en fremdrivningsmotor placeret i tanknichen "G".
Anvendelse: som en del af Rokot løfteraket som en tredje fase
Hovedtræk - Mulighed for manøvrering under flyvning.
Startmasse, t - 6.475
Brændstofreserve (AT+UDMH), t - op til 5.055
Type, antal og vakuumtryk for motorer:
- Flydende raketmotor 14D30 (1 stk), 2.0 tf (vedligeholdelse),
- Flydende raketmotor 11D458 (4 stk.) 40 kgf hver (korrektionsmotorer),
- 17D58E (12 stk.) 1,36 kgf hver (stillings- og stabiliseringsmotorer)

Maksimal autonom flyvetid, time. - 7
År for første flyvning - maj 2000

Taktiske og tekniske karakteristika af Briz-M øvre scene

Sammensætning - Øverste trin, bestående af en central blok baseret på Breeze-KM RB og en toroidformet ekstra brændstoftank, der omgiver den.
Anvendelse - som en del af løfteraketten Proton-M, Angara-A3 og Angara-A5 løfteraketter
Hovedtræk
- ekstremt små dimensioner;
- evnen til at opsende tunge og store rumfartøjer;
- Mulighed for langvarig drift under flyvning