Interessante e informativo: lo stadio superiore Breeze-M. Stadio superiore russo "breeze-m"

Di tutti i parametri orbitali, qui saremo interessati a tre parametri: l'altezza del periapsi (per la Terra - perigeo), l'altezza dell'apocentro (per la Terra - apogeo) e l'inclinazione:

L'altezza dell'apocentro è l'altezza del punto più alto dell'orbita, indicato come Ha.
L'altezza del periasse è l'altezza del punto più basso dell'orbita, indicato come Hn.
L'inclinazione orbitale è l'angolo tra il piano orbitale e il piano che passa attraverso l'equatore terrestre (nel nostro caso, le orbite attorno alla Terra), indicato come io.

Un'orbita geostazionaria è un'orbita circolare con un'altitudine del periapsi e dell'apoapside di 35.786 km sopra il livello del mare e un'inclinazione di 0 gradi. Di conseguenza, il nostro compito è suddiviso nelle seguenti fasi: entrare nell'orbita terrestre bassa, sollevare l'apocentro a 35.700 km, modificare l'inclinazione a 0 gradi, sollevare il periapsi a 35.700 km. È più vantaggioso modificare l'inclinazione dell'orbita all'apocentro, perché lì meno velocità satellite, e minore è la velocità, minore è il delta-V da applicare per modificarla. Uno dei trucchi della meccanica orbitale è che a volte è più vantaggioso sollevare l'apocentro molto più in alto di quanto desiderato, modificare l'inclinazione in quel punto e successivamente abbassare l'apocentro al valore desiderato. Il costo per alzare e abbassare l'apocentro al di sopra del valore desiderato + variazione di inclinazione può essere inferiore alla variazione di inclinazione all'altezza dell'apocentro desiderato.

Piano di volo

Nello scenario Briz-M è necessario lanciare Sirius-4, un satellite svedese per le comunicazioni lanciato nel 2007. Negli ultimi anni è già stato ribattezzato, ora è "Astra-4A". Il piano per la sua rimozione era il seguente:

È chiaro che quando entriamo in orbita manualmente, perdiamo la precisione delle macchine che eseguono calcoli balistici, quindi i nostri parametri di volo avranno errori piuttosto grandi, ma questo non è spaventoso.

Fase 1. Ingresso nell'orbita di riferimento

La Fase 1 richiede tempo dal lancio del programma all'entrata in un'orbita circolare con un'altitudine di circa 170 km e un'inclinazione di 51 gradi (dolorosa eredità della latitudine di Baikonur, quando lanciata dall'equatore sarebbe immediatamente a 0 gradi ).
Scenario Proton LV / Proton M / Proton M - Brezza M (Sirius 4)

Dal caricamento del simulatore alla separazione del livello superiore dal terzo livello, puoi ammirare i panorami: tutto avviene automaticamente. A meno che tu non abbia bisogno di spostare la messa a fuoco della telecamera sul razzo dalla vista da terra (premi F2 ai valori in alto a sinistra direzione assoluta O quadro globale).
Durante il processo di allevamento, consiglio di passare alla visione “interna”. F1, preparatevi per ciò che ci aspetta:

A proposito, in Orbiter puoi fermarti Ctrl-P, questo potrebbe esserti utile.
Alcune spiegazioni sui valori degli indicatori che sono importanti per noi:

Dopo la separazione del terzo stadio, ci troviamo in un'orbita aperta con la minaccia di cadere nell'area l'oceano Pacifico se agiamo lentamente o in modo errato. Per evitare un destino così triste dovremmo entrare nell’orbita di riferimento, per la quale dovremmo:

Arresta la rotazione del blocco premendo un pulsante Numero 5. T.N. Modalità KillRot (arresta la rotazione). Dopo aver fissato la posizione, la modalità si spegne automaticamente.
Passare dalla vista indietro alla vista avanti con il pulsante C.
Passare l'indicatore del parabrezza alla modalità orbitale (Orbita Terra in alto) premendo il pulsante H.
Chiavi Numero 2(uscire fuori) Numero 8(rifiutare) Numero 1(Girare a sinistra), Numero 3(Girare a destra), Numero 4(rotola verso sinistra), Numero 6(rotola verso destra) e Numero 5(arresto rotazione) ruotare il blocco nella direzione del movimento con un angolo di inclinazione di circa 22 gradi e fissare la posizione.
Avviare la procedura di avviamento del motore (prima Numero +, poi, senza lasciarsi andare, Ctrl).

Se fai tutto correttamente, l'immagine sarà simile a questa:

Dopo aver acceso il motore:

Crea una rotazione che fisserà l'angolo di inclinazione (un paio di pressioni di Num 8 e l'angolo non cambierà notevolmente).
Mentre il motore è in funzione, mantenere l'angolo di inclinazione compreso tra 25 e 30 gradi.
Quando i valori del periapsi e dell'apocentro sono nell'ordine di 160-170 km, spegnere il motore con il pulsante Numero *.

Se tutto è andato bene, sarà qualcosa del tipo:

Più parte nervosaÈ finita, siamo in orbita, non c’è nessun posto dove cadere.

Fase 2. Ingresso nell'orbita intermedia

A causa del basso rapporto spinta/peso, l'apocentro deve essere portato a 35.700 km in due fasi. Il primo stadio entra in un'orbita intermedia con un apocentro di circa 5000 km. La specificità del problema è che è necessario accelerare affinché l'apocentro non si allontani dall'equatore, cioè è necessario accelerare simmetricamente rispetto all'equatore. La proiezione dello schema di output su una mappa della Terra ci aiuterà in questo:

Immagine del Turksat 4A lanciato di recente, ma non importa.
Preparazione per entrare in un'orbita intermedia:

Passare il display multifunzione sinistro alla modalità mappa ( Maiusc sinistro F1, Cambio a sinistra M).
R, rallenta 10 volte T) attendere di sorvolare il Sud America.
Orientare il blocco in posizione prograde (naso nella direzione del movimento). È possibile premere il pulsante [ , in modo che ciò avvenga automaticamente, ma qui non è molto efficace, è meglio farlo manualmente.
Dare al blocco una rotazione verso il basso per mantenere una posizione prograde

Dovrebbe assomigliare a qualcosa del tipo:

Nella regione di 27 gradi di latitudine, è necessario accendere il motore e, mantenendo una posizione prograda, volare fino a raggiungere l'apocentro di 5000 km. Puoi abilitare l'accelerazione 10x. Raggiunto l'apocentro di 5000 km spegnere il motore.

La musica, secondo me, è molto adatta per l'accelerazione in orbita

Se tutto è andato bene, otterremo qualcosa del tipo:

Fase 3. Ingresso nell'orbita di trasferimento

Molto simile alla fase 2:

Accelerando il tempo (accelerare 10 volte R, rallenta 10 volte T, puoi tranquillamente accelerare fino a 100x, non consiglio 1000x) aspetta di sorvolare il Sud America.
Orientare il blocco in posizione prograde (naso nella direzione del movimento).
Dare al blocco una rotazione verso il basso per mantenere una posizione prograde.
Nella regione di 27 gradi di latitudine, è necessario accendere il motore e, mantenendo una posizione prograda, volare fino a raggiungere l'apocentro di 35.700 km. Puoi abilitare l'accelerazione 10x.
Quando il serbatoio del carburante esterno rimane senza carburante, ripristinarlo premendo D. Avviare nuovamente il motore.

Ripristino del serbatoio del carburante, funzionamento visibile dei motori a deposizione

Risultato. Tenete presente che avevo fretta di spegnere il motore, l'apocentro è a 34,7mila km. Questo non è spaventoso, per la purezza dell'esperimento lo lasceremo così.

Bella vista

Fase 4. Modifica dell'inclinazione orbitale

Se hai fatto tutto con piccoli errori, l'apocentro sarà vicino all'equatore. Procedura:

Accelerando il tempo a 1000x, attendi l'avvicinamento all'equatore.
Orientare il blocco perpendicolare al volo, verso l'alto, se visto dall'esterno dell'orbita. Adatto a questo modalità automatica Nml+, che si attiva premendo un pulsante ; (aka E)
Accendi il motore.
Se dopo la manovra di azzeramento dell'inclinazione rimane del carburante, potete spenderlo per sollevare il periasse.
Dopo aver finito il carburante, utilizzare il pulsante J separare il satellite, esporre i suoi pannelli solari e le antenne Alt-A, Alt-S

Posizione di partenza prima della manovra

Dopo la manovra

Fase 5. Lancio indipendente del satellite verso GEO

Il satellite è dotato di un motore che può essere utilizzato per sollevare il periasse. Per fare ciò, nella zona del periasse, orientiamo il satellite in modo progradante e accendiamo il motore. Il motore è debole, necessita di essere ripetuto più volte. Se fai tutto correttamente, al satellite resterà ancora circa il 20% del carburante per correggere i disturbi orbitali. In realtà, l'influenza della Luna e di altri fattori porta al fatto che l'orbita dei satelliti è distorta e per mantenere i parametri richiesti è necessario sprecare carburante.
Se tutto ha funzionato per te, l'immagine sarà simile a questa:

Bene, un piccolo esempio del fatto che il satellite GEO si trova sopra un punto sulla Terra:

Diagramma di lancio del Turksat 4A, per confronto

Il simulatore spaziale Orbiter e almeno duecento persone che si sono interessate e hanno scaricato dei componenti aggiuntivi per esso, mi hanno portato all'idea di continuare la serie di post educativi e di gioco. Inoltre, voglio facilitare il passaggio dal primo post, in cui tutto viene fatto automaticamente, senza richiedere le tue azioni, a esperimenti indipendenti, in modo da non finire con una battuta sul disegno di un gufo. Questo post ha i seguenti obiettivi:

Raccontaci della famiglia Breeze degli stadi superiori
Dare un'idea dei principali parametri del moto orbitale: apocentro, periapsi, inclinazione orbitale
Fornire una comprensione delle basi della meccanica orbitale e dei lanci in orbita geostazionaria (GEO)
Fornisci una semplice guida per padroneggiare l'uscita manuale da GSO nel simulatore

introduzione

Si pensa poco a questo, ma la famiglia degli stadi superiori Briz - Briz-M, Briz-KM - è un esempio di dispositivo sviluppato dopo il crollo dell'URSS. Ci furono diverse ragioni per questo sviluppo:

Sulla base dell'ICBM UR-100 è stato sviluppato il veicolo di lancio di conversione "Rokot", per il quale sarebbe utile uno stadio superiore (UR).
Sul Proton, per il lancio in orbita geostazionaria, venne utilizzato il DM RB, che utilizzava la coppia “ossigeno-kerosene” “non nativa” del Proton, aveva un tempo di volo autonomo di sole 7 ore, e la sua capacità di carico poteva essere aumentato.

Nel 1990-1994 hanno avuto luogo lanci di prova e, nel maggio-giugno 2000, hanno avuto luogo i voli di entrambe le modifiche del Briz: Briz-KM per Rokot e Briz-M per Proton. La differenza principale tra loro è la presenza di serbatoi di carburante aggiuntivi scaricabili sul Brize-M, che forniscono un margine di velocità caratteristico più ampio (delta-V) e consentono il lancio di satelliti più pesanti. Ecco una foto che illustra molto bene la differenza:

Progetto

I blocchi della famiglia “Breeze” si distinguono per una disposizione molto fitta:

Disegno più dettagliato

Prestare attenzione alle soluzioni tecniche:

Il motore si trova all'interno del “vetro” del serbatoio
All'interno dei serbatoi sono presenti anche bombole di elio per la pressurizzazione
I serbatoi del carburante e dell'ossidante hanno una parete comune (grazie all'utilizzo della coppia UDMH/AT, questo non rappresenta una difficoltà tecnica), non vi è alcun aumento della lunghezza del blocco a causa del vano interserbatoio
I serbatoi sono portanti: non sono presenti tralicci di potenza che richiederebbero peso aggiuntivo e aumenterebbero la lunghezza
I serbatoi di scarico sono in realtà la metà del palco che, da un lato, richiede peso in eccesso sulle pareti, invece, permette di aumentare la caratteristica riserva di velocità scaricando i serbatoi vuoti.

La disposizione densa consente di risparmiare dimensioni geometriche e peso, ma presenta anche degli svantaggi. Ad esempio, un motore che emette calore durante il funzionamento si trova molto vicino a serbatoi e tubazioni. E la combinazione di una temperatura più elevata (di 1-2 gradi, entro le specifiche) del carburante con una maggiore intensità termica del motore durante il funzionamento (anche entro le specifiche) ha portato all'ebollizione dell'ossidante, all'interruzione del raffreddamento del motore turbina del turbocompressore a causa dell'ossidante liquido e interruzione del suo funzionamento, che ha causato l'incidente di RB durante il lancio del satellite Yamal-402 nel dicembre 2012.
I motori RB utilizzano una combinazione di tre tipi di motori: il principale S5.98 (14D30) con una spinta di 2 tonnellate, quattro motori di correzione (in realtà si tratta di motori a deposizione, motori a vuoto), che vengono accesi prima di avviare il motore principale per depositare il carburante sul fondo dei serbatoi, e dodici motori di orientamento con spinta di 1,3 kg. Il motore principale ha parametri molto elevati (pressione nella camera di combustione ~100 atm, impulso specifico 328,6 s) nonostante la struttura aperta. I suoi “padri” si trovavano nelle stazioni marziane “Phobos” e i suoi “nonni” si trovavano nelle stazioni di atterraggio lunari come “Luna-16”. Il motore di propulsione può essere acceso in modo affidabile fino a otto volte e la vita attiva dell'unità non è inferiore a un giorno.
Il peso di un'unità completamente carica arriva fino a 22,5 tonnellate, carico utile raggiunge le 6 tonnellate. Ma la massa totale del blocco dopo la separazione dal terzo stadio del veicolo di lancio è leggermente inferiore a 26 tonnellate. Quando inserito in un'orbita di geotrasferimento, l'RB è sotto-rifornito e un serbatoio completamente pieno per l'inserimento diretto in GEO trasportava un massimo di 3,7 tonnellate di carico utile. Il rapporto spinta-peso del blocco è pari a ~0,76. Questo è uno svantaggio del Breeze RB, ma piccolo. Il fatto è che dopo la separazione gli RB+ PN si trovano in un'orbita aperta, che richiede un impulso per un ulteriore inserimento, e la piccola spinta del motore porta a perdite gravitazionali. Le perdite gravitazionali sono pari a circa l'1-2%, che è piuttosto piccola. Inoltre, lunghi periodi di funzionamento del motore aumentano i requisiti di affidabilità. Il motore principale, invece, ha una durata operativa garantita fino a 3200 secondi (quasi un'ora!).

Un po' di affidabilità

La famiglia Breeze RB è molto utilizzata:

4 voli di "Breeze-M" su "Proton-K"
72 voli di Briz-M su Proton-M
16 voli di Briz-KM su Rokot

Un totale di 92 voli al 16 febbraio 2014. Di questi, 5 incidenti si sono verificati (ho considerato un incidente un successo parziale con Yamal-402) per colpa dell'unità Briz-M e 2 per colpa del Briz-KM, che ci dà un'affidabilità di 92 %. Vediamo più nel dettaglio le cause degli incidenti:

28 febbraio 2006, ArabSat 4A - arresto prematuro del motore a causa di una particella estranea entrata nell'ugello della turbina idraulica (,), un unico difetto di fabbricazione.
15 marzo 2008, AMC-14 - arresto prematuro del motore, distruzione di un gasdotto ad alta temperatura (), richiedeva modifiche.
18 agosto 2011, Express-AM4. L'intervallo di tempo per ruotare la piattaforma girostabilizzata è irragionevolmente "ristretto", orientamento errato (), errore del programmatore.
6 agosto 2012, Telkom 3, Express MD2. Spegnimento del motore per intasamento della linea di sovralimentazione (), difetto di fabbricazione.
9 dicembre 2012, Yamal-402. Spegnimento del motore per guasto della pompa, combinazione di fattori termici sfavorevoli ()
8 ottobre 2005, “Briz-KM”, Cryosat, mancata separazione del secondo stadio e dello stadio superiore, funzionamento anomalo del software (), errore del programmatore.
1 febbraio 2011, “Briz-KM”, Geo-IK2, impulso anomalo del motore, presumibilmente dovuto ad un guasto del sistema di controllo per mancanza di telemetria, la causa esatta non è determinabile;

Se analizziamo le cause degli incidenti, solo due sono associati a problemi di progettazione ed errori di progettazione: incendio del gasdotto e guasto del raffreddamento della pompa di calore. Tutti gli altri incidenti, la cui causa è nota con certezza, sono associati a problemi con la qualità della produzione e la preparazione al lancio. Ciò non sorprende: l'industria spaziale ne richiede molto Alta qualità lavoro e un errore anche da parte di un normale dipendente può portare a un incidente. Il "Breeze" in sé non è un progetto infruttuoso, tuttavia, vale la pena notare la mancanza di margine di sicurezza dovuto al fatto che per garantire le massime prestazioni dei materiali RB, lavorano vicino al limite della loro forza fisica.

Voliamo

È ora di passare alla pratica: vai manualmente nell'orbita geostazionaria in Orbiter. Per questo avremo bisogno di:
La versione di Orbiter, se non l'hai ancora scaricata dopo aver letto il primo post, ecco il link.
Scarica il componente aggiuntivo "Proton LV" da qui

Una piccola teoria

Di tutti i parametri orbitali, qui saremo interessati a tre parametri: l'altezza del periapsi (per la Terra - perigeo), l'altezza dell'apocentro (per la Terra - apogeo) e l'inclinazione:

L'altezza dell'apocentro è l'altezza del punto più alto dell'orbita, indicato come Ha.
L'altezza del periasse è l'altezza del punto più basso dell'orbita, indicato come Hn.
L'inclinazione orbitale è l'angolo tra il piano orbitale e il piano che passa attraverso l'equatore terrestre (nel nostro caso, le orbite attorno alla Terra), indicato come io.

Un'orbita geostazionaria è un'orbita circolare con un'altitudine del periapsi e dell'apoapside di 35.786 km sopra il livello del mare e un'inclinazione di 0 gradi. Di conseguenza, il nostro compito è suddiviso nelle seguenti fasi: entrare nell'orbita terrestre bassa, sollevare l'apocentro a 35.700 km, modificare l'inclinazione a 0 gradi, sollevare il periapsi a 35.700 km. È più vantaggioso modificare l'inclinazione dell'orbita all'apocentro, perché lì la velocità del satellite è inferiore e minore è la velocità, minore è il delta-V da applicare per modificarla. Uno dei trucchi della meccanica orbitale è che a volte è più vantaggioso sollevare l'apocentro molto più in alto di quanto desiderato, modificare l'inclinazione in quel punto e successivamente abbassare l'apocentro al valore desiderato. Il costo per alzare e abbassare l'apocentro al di sopra del valore desiderato + variazione di inclinazione può essere inferiore alla variazione di inclinazione all'altezza dell'apocentro desiderato.

Piano di volo

È chiaro che quando entriamo in orbita manualmente, perdiamo la precisione delle macchine che eseguono calcoli balistici, quindi i nostri parametri di volo avranno errori piuttosto grandi, ma questo non è spaventoso.

Fase 1. Ingresso nell'orbita di riferimento

Dal caricamento del simulatore alla separazione del livello superiore dal terzo livello, puoi ammirare i panorami: tutto avviene automaticamente. A meno che tu non abbia bisogno di spostare la messa a fuoco della telecamera sul razzo dalla vista da terra (premi F2 ai valori in alto a sinistra direzione assoluta O quadro globale).
Durante il processo di allevamento, consiglio di passare alla visione “interna”. F1, preparatevi per ciò che ci aspetta:

A proposito, in Orbiter puoi fare una pausa Ctrl-P, questo potrebbe esserti utile.
Alcune spiegazioni sui valori degli indicatori che sono importanti per noi:

Dopo la separazione del terzo stadio, ci ritroviamo in un'orbita aperta con la minaccia di cadere nell'Oceano Pacifico se agiamo lentamente o in modo errato. Per evitare un destino così triste dovremmo entrare nell’orbita di riferimento, per la quale dovremmo:

Arresta la rotazione del blocco premendo un pulsante Numero 5. T.N. Modalità KillRot (arresta la rotazione). Dopo aver fissato la posizione, la modalità si spegne automaticamente.
Passare dalla vista indietro alla vista avanti con il pulsante C.
Passare l'indicatore del parabrezza alla modalità orbitale (Orbita Terra in alto) premendo il pulsante H.
Chiavi Numero 2(uscire fuori) Numero 8(rifiutare) Numero 1(Girare a sinistra), Numero 3(Girare a destra), Numero 4(rotola verso sinistra), Numero 6(rotola verso destra) e Numero 5(arresto rotazione) ruotare il blocco nella direzione del movimento con un angolo di inclinazione di circa 22 gradi e fissare la posizione.
Avviare la procedura di avviamento del motore (prima Numero +, poi, senza lasciarsi andare, Ctrl).

Se fai tutto correttamente, l'immagine sarà simile a questa:

Dopo aver acceso il motore:

Crea una rotazione che fisserà l'angolo di inclinazione (un paio di pressioni di Num 8 e l'angolo non cambierà notevolmente).
Mentre il motore è in funzione, mantenere l'angolo di inclinazione compreso tra 25 e 30 gradi.
Quando i valori del periapsi e dell'apocentro sono nell'ordine di 160-170 km, spegnere il motore con il pulsante Numero *.

Se tutto è andato bene, sarà qualcosa del tipo:

La parte più nervosa è passata, siamo in orbita, non c'è nessun posto dove cadere.

Fase 2. Ingresso nell'orbita intermedia

Immagine del Turksat 4A lanciato di recente, ma non importa.
Preparazione per entrare in un'orbita intermedia:

Passare il display multifunzione sinistro alla modalità mappa ( Maiusc sinistro F1, Cambio a sinistra M).
R, rallenta 10 volte T) attendere di sorvolare il Sud America.
Orientare il blocco in una posizione lungo il vettore velocità orbitale (con il naso nella direzione del movimento). È possibile premere il pulsante [ , in modo che ciò avvenga automaticamente, ma qui non è molto efficace, è meglio farlo manualmente.

Dovrebbe assomigliare a qualcosa del tipo:

Nella regione di 27 gradi di latitudine, è necessario accendere il motore e, mantenendo l'orientamento lungo il vettore della velocità orbitale, volare fino a raggiungere l'apocentro di 5000 km. Puoi abilitare l'accelerazione 10x. Raggiunto l'apocentro di 5000 km spegnere il motore.

La musica, secondo me, è molto adatta per l'accelerazione in orbita

Se tutto è andato bene, otterremo qualcosa del tipo:

Fase 3. Ingresso nell'orbita di trasferimento

Molto simile alla fase 2:

Accelerando il tempo (accelerare 10 volte R, rallenta 10 volte T, puoi tranquillamente accelerare fino a 100x, non consiglio 1000x) aspetta di sorvolare il Sud America.
Orientare il blocco in una posizione lungo il vettore velocità orbitale (con il naso nella direzione del movimento).
Dare al blocco una rotazione verso il basso per mantenere l'orientamento lungo il vettore velocità orbitale.
Nella regione di 27 gradi di latitudine, è necessario accendere il motore e, mantenendo la stabilizzazione lungo il vettore della velocità orbitale, volare fino a raggiungere l'apocentro di 35.700 km. Puoi abilitare l'accelerazione 10x.
Quando il serbatoio del carburante esterno rimane senza carburante, ripristinarlo premendo D. Avviare nuovamente il motore.

Ripristino del serbatoio del carburante, funzionamento visibile dei motori a deposizione

Risultato. Tenete presente che avevo fretta di spegnere il motore, l'apocentro è a 34,7mila km. Questo non è spaventoso, per la purezza dell'esperimento lo lasceremo così.

Bella vista

Fase 4. Modifica dell'inclinazione orbitale

Se hai fatto tutto con piccoli errori, l'apocentro sarà vicino all'equatore. Procedura:

Accelerando il tempo a 1000x, attendi l'avvicinamento all'equatore.
Orientare il blocco perpendicolare al volo, verso l'alto, se visto dall'esterno dell'orbita. A questo scopo è adatta la modalità automatica Nml+, che si attiva premendo un pulsante ; (aka E)
Accendi il motore.
Se dopo la manovra di azzeramento dell'inclinazione rimane del carburante, potete spenderlo per sollevare il periasse.
Dopo aver finito il carburante, utilizzare il pulsante J separare il satellite, esporre i suoi pannelli solari e le antenne Alt-A, Alt-S

Posizione di partenza prima della manovra

Dopo la manovra

Fase 5. Lancio indipendente del satellite verso GEO

Il satellite è dotato di un motore che può essere utilizzato per sollevare il periasse. Per fare ciò, nell'area dell'apocentro, orientiamo il satellite lungo il vettore velocità orbitale e accendiamo il motore. Il motore è debole, necessita di essere ripetuto più volte. Se fai tutto correttamente, al satellite resterà ancora circa il 20% del carburante per correggere i disturbi orbitali. In realtà, l'influenza della Luna e di altri fattori porta al fatto che l'orbita dei satelliti è distorta e per mantenere i parametri richiesti è necessario sprecare carburante.
Se tutto ha funzionato per te, l'immagine sarà simile a questa:

Bene, un piccolo esempio del fatto che il satellite GEO si trova sopra un punto sulla Terra:

Diagramma di lancio del Turksat 4A, per confronto

AGGIORNAMENTO: dopo essermi consultato con , ho sostituito la brutta carta da lucidi fatta in casa di Prograde/Retrograde di Orbiter con il termine reale "a favore/contro il vettore di velocità orbitale"
UPD2: Sono stato contattato da uno specialista nell'adattamento dei carichi utili per Briza-M del Centro spaziale statale di ricerca e produzione omonimo. Krunichev, ha aggiunto un paio di commenti all'articolo:

In realtà, nella traiettoria suborbitale (inizio dello stadio 1) non vengono lanciate 28 tonnellate, ma poco meno di 26, perché lo stadio superiore non è completamente rifornito di carburante.
Le perdite di gravità sono solo dell'1-2%

Tag:

astronautica
Orbiter
brezza

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La buona reazione al simulatore spaziale Orbiter e almeno duecento persone che si sono interessate e hanno scaricato componenti aggiuntivi mi hanno portato all'idea di continuare la serie di articoli educativi e di gioco. Inoltre, voglio facilitare il passaggio dal primo articolo, in cui tutto viene fatto automaticamente, senza richiedere le tue azioni, a esperimenti indipendenti, in modo da non finire con una battuta sul disegno di un gufo. Questo articolo ha i seguenti obiettivi:

Raccontaci della famiglia Breeze degli stadi superiori
Dare un'idea dei principali parametri del moto orbitale: apocentro, periapsi, inclinazione orbitale
Fornire una comprensione delle basi della meccanica orbitale e dei lanci in orbita geostazionaria (GEO)
Fornisci una semplice guida per padroneggiare l'uscita manuale da GSO nel simulatore

introduzione

Si pensa poco a questo, ma la famiglia degli stadi superiori Briz - Briz-M, Briz-KM - è un esempio di dispositivo sviluppato dopo il crollo dell'URSS. Ci furono diverse ragioni per questo sviluppo:

Sulla base dell'ICBM UR-100 è stato sviluppato il veicolo di lancio di conversione "Rokot", per il quale sarebbe utile uno stadio superiore (UR).
Sul Proton, per il lancio in orbita geostazionaria, venne utilizzato il DM RB, che utilizzava la coppia “ossigeno-kerosene” “non nativa” del Proton, aveva un tempo di volo autonomo di sole 7 ore, e la sua capacità di carico poteva essere aumentato.

Progetto

I blocchi della famiglia “Breeze” si distinguono per una disposizione molto fitta:

Disegno più dettagliato

Prestare attenzione alle soluzioni tecniche:

Il motore si trova all'interno del “vetro” del serbatoio
All'interno dei serbatoi sono presenti anche bombole di elio per la pressurizzazione
I serbatoi del carburante e dell'ossidante hanno una parete comune (grazie all'utilizzo della coppia UDMH/AT, questo non rappresenta una difficoltà tecnica), non vi è alcun aumento della lunghezza del blocco a causa del vano interserbatoio
I serbatoi sono portanti: non sono presenti tralicci di potenza che richiederebbero peso aggiuntivo e aumenterebbero la lunghezza
I serbatoi gettabili sono in realtà la metà del palco, il che, da un lato, richiede peso extra sulle pareti e, dall'altro, consente di aumentare il margine di velocità caratteristico lanciando i serbatoi vuoti.

La disposizione densa consente di risparmiare dimensioni geometriche e peso, ma presenta anche degli svantaggi. Ad esempio, un motore che emette calore durante il funzionamento si trova molto vicino a serbatoi e tubazioni. E la combinazione di una temperatura più elevata (di 1-2 gradi, entro le specifiche) del carburante con una maggiore intensità termica del motore durante il funzionamento (anche entro le specifiche) ha portato all'ebollizione dell'ossidante, all'interruzione del raffreddamento del motore turbina del turbocompressore a causa dell'ossidante liquido e interruzione del suo funzionamento, che ha causato l'incidente di RB durante il lancio del satellite Yamal-402 nel dicembre 2012.
I motori RB utilizzano una combinazione di tre tipi di motori: il principale S5.98 (14D30) con una spinta di 2 tonnellate, quattro motori di correzione (in realtà si tratta di motori a deposizione, motori a vuoto), che vengono accesi prima di avviare il motore principale per depositare il carburante sul fondo dei serbatoi, e dodici motori di orientamento con spinta di 1,3 kg. Il motore principale ha parametri molto elevati (pressione nella camera di combustione ~100 atm, impulso specifico 328,6 s) nonostante la struttura aperta. I suoi “padri” si trovavano nelle stazioni marziane “Phobos” e i suoi “nonni” si trovavano nelle stazioni di atterraggio lunari come “Luna-16”. Il motore di propulsione può essere acceso in modo affidabile fino a otto volte e la vita attiva dell'unità non è inferiore a un giorno.
La massa di un blocco completamente rifornito arriva a 22,5 tonnellate; con un carico utile di circa 6 tonnellate, la massa del blocco dopo la separazione dal terzo stadio del veicolo di lancio sarà di circa 28-29 tonnellate. Quelli. Il rapporto spinta-peso del blocco è pari a ~0,07. Questo è uno svantaggio del Breeze RB, ma non molto grande. Il fatto è che dopo la separazione gli RB+ PN si trovano in un'orbita aperta, che richiede un impulso per un ulteriore inserimento, e la piccola spinta del motore porta a perdite gravitazionali. Inoltre, lunghi periodi di funzionamento del motore aumentano i requisiti di affidabilità. Il motore principale, invece, ha una durata operativa garantita fino a 3200 secondi (quasi un'ora!).

Un po' di affidabilità

La famiglia Breeze RB è molto utilizzata:

4 voli di "Breeze-M" su "Proton-K"
72° volo del "Breeze-M" sul "Proton-M"
16 voli di Briz-KM su Rokot

28 febbraio 2006, ArabSat 4A - arresto prematuro del motore a causa di una particella estranea entrata nell'ugello della turbina idraulica (,), un unico difetto di fabbricazione.
15 marzo 2008, AMC-14 - arresto prematuro del motore, distruzione di un gasdotto ad alta temperatura (), richiedeva modifiche.
18 agosto 2011, Express-AM4. L'intervallo di tempo per ruotare la piattaforma girostabilizzata è irragionevolmente "ristretto", orientamento errato (), errore del programmatore.
6 agosto 2012, Telkom 3, Express MD2. Spegnimento del motore per intasamento della linea di sovralimentazione (), difetto di fabbricazione.
9 dicembre 2012, Yamal-402. Spegnimento del motore per guasto della pompa, combinazione di fattori termici sfavorevoli ()
8 ottobre 2005, “Briz-KM”, Cryosat, mancata separazione del secondo stadio e dello stadio superiore, funzionamento anomalo del software (), errore del programmatore.
1 febbraio 2011, “Briz-KM”, Geo-IK2, impulso anomalo del motore, presumibilmente dovuto ad un guasto del sistema di controllo per mancanza di telemetria, la causa esatta non è determinabile;

Se analizziamo le cause degli incidenti, solo due sono associati a problemi di progettazione ed errori di progettazione: incendio del gasdotto e guasto del raffreddamento della pompa di calore. Tutti gli altri incidenti, la cui causa è nota con certezza, sono associati a problemi con la qualità della produzione e la preparazione al lancio. Ciò non sorprende: l'industria spaziale richiede un lavoro di altissima qualità e un errore anche da parte di un normale dipendente può portare a un incidente. Il "Breeze" in sé non è un progetto infruttuoso, tuttavia, vale la pena notare la mancanza di margine di sicurezza dovuto al fatto che per garantire le massime prestazioni dei materiali RB, lavorano vicino al limite della loro forza fisica.

Voliamo

È ora di passare alla pratica: vai manualmente nell'orbita geostazionaria in Orbiter. Per questo avremo bisogno di:
La versione di Orbiter, se non l'hai ancora scaricata dopo aver letto il primo articolo, ecco il link.
Scarica il componente aggiuntivo "Proton LV" da qui

Una piccola teoria

Di tutti i parametri orbitali, qui saremo interessati a tre parametri: l'altezza del periapsi (per la Terra - perigeo), l'altezza dell'apocentro (per la Terra - apogeo) e l'inclinazione:

L'altezza dell'apocentro è l'altezza del punto più alto dell'orbita, indicato come Ha.
L'altezza del periasse è l'altezza del punto più basso dell'orbita, indicato come Hn.
L'inclinazione orbitale è l'angolo tra il piano orbitale e il piano che passa attraverso l'equatore terrestre (nel nostro caso, le orbite attorno alla Terra), indicato come io.

Un'orbita geostazionaria è un'orbita circolare con un'altitudine del periapsi e dell'apoapside di 35.786 km sopra il livello del mare e un'inclinazione di 0 gradi. Di conseguenza, il nostro compito è suddiviso nelle seguenti fasi: entrare nell'orbita terrestre bassa, sollevare l'apocentro a 35.700 km, modificare l'inclinazione a 0 gradi, sollevare il periapsi a 35.700 km. È più vantaggioso modificare l'inclinazione dell'orbita all'apocentro, perché lì la velocità del satellite è inferiore e minore è la velocità, minore è il delta-V da applicare per modificarla. Uno dei trucchi della meccanica orbitale è che a volte è più vantaggioso sollevare l'apocentro molto più in alto di quanto desiderato, modificare l'inclinazione in quel punto e successivamente abbassare l'apocentro al valore desiderato. Il costo per alzare e abbassare l'apocentro al di sopra del valore desiderato + variazione di inclinazione può essere inferiore alla variazione di inclinazione all'altezza dell'apocentro desiderato.

Piano di volo

Fase 1. Ingresso nell'orbita di riferimento

La Fase 1 richiede tempo dal lancio del programma all'entrata in un'orbita circolare con un'altitudine di circa 170 km e un'inclinazione di 51 gradi (dolorosa eredità della latitudine di Baikonur, quando lanciata dall'equatore sarebbe immediatamente a 0 gradi ).
Scenario Proton LV / Proton M / Proton M - Brezza M (Sirius 4)

Dal caricamento del simulatore alla separazione del livello superiore dal terzo livello, puoi ammirare i panorami: tutto avviene automaticamente. A meno che tu non abbia bisogno di spostare la messa a fuoco della telecamera sul razzo dalla vista da terra (premi F2 ai valori in alto a sinistra direzione assoluta O quadro globale).
Durante il processo di allevamento, consiglio di passare alla visione “interna”. F1, preparatevi per ciò che ci aspetta:

A proposito, in Orbiter puoi fare una pausa Ctrl-P, questo potrebbe esserti utile.
Alcune spiegazioni sui valori degli indicatori che sono importanti per noi:

Dopo la separazione del terzo stadio, ci ritroviamo in un'orbita aperta con la minaccia di cadere nell'Oceano Pacifico se agiamo lentamente o in modo errato. Per evitare un destino così triste dovremmo entrare nell’orbita di riferimento, per la quale dovremmo:

Arresta la rotazione del blocco premendo un pulsante Numero 5. T.N. Modalità KillRot (arresta la rotazione). Dopo aver fissato la posizione, la modalità si spegne automaticamente.
Passare dalla vista indietro alla vista avanti con il pulsante C.
Passare l'indicatore del parabrezza alla modalità orbitale (Orbita Terra in alto) premendo il pulsante H.
Chiavi Numero 2(uscire fuori) Numero 8(rifiutare) Numero 1(Girare a sinistra), Numero 3(Girare a destra), Numero 4(rotola verso sinistra), Numero 6(rotola verso destra) e Numero 5(arresto rotazione) ruotare il blocco nella direzione del movimento con un angolo di inclinazione di circa 22 gradi e fissare la posizione.
Avviare la procedura di avviamento del motore (prima Numero +, poi, senza lasciarsi andare, Ctrl).

Se fai tutto correttamente, l'immagine sarà simile a questa:

Dopo aver acceso il motore:

Crea una rotazione che fisserà l'angolo di inclinazione (un paio di pressioni di Num 8 e l'angolo non cambierà notevolmente).
Mentre il motore è in funzione, mantenere l'angolo di inclinazione compreso tra 25 e 30 gradi.
Quando i valori del periapsi e dell'apocentro sono nell'ordine di 160-170 km, spegnere il motore con il pulsante Numero *.

Se tutto è andato bene, sarà qualcosa del tipo:

La parte più nervosa è passata, siamo in orbita, non c'è nessun posto dove cadere.

Fase 2. Ingresso nell'orbita intermedia

Passare il display multifunzione sinistro alla modalità mappa ( Maiusc sinistro F1, Cambio a sinistra M).
R, rallenta 10 volte T) attendere di sorvolare il Sud America.
Orientare il blocco in posizione prograde (naso nella direzione del movimento). È possibile premere il pulsante [ , in modo che ciò avvenga automaticamente, ma qui non è molto efficace, è meglio farlo manualmente.
Dare al blocco una rotazione verso il basso per mantenere una posizione prograde

La musica, secondo me, è molto adatta per l'accelerazione in orbita

Se tutto è andato bene, otterremo qualcosa del tipo:

Fase 3. Ingresso nell'orbita di trasferimento

Molto simile alla fase 2:

Accelerando il tempo (accelerare 10 volte R, rallenta 10 volte T, puoi tranquillamente accelerare fino a 100x, non consiglio 1000x) aspetta di sorvolare il Sud America.
Orientare il blocco in posizione prograde (naso nella direzione del movimento).
Dare al blocco una rotazione verso il basso per mantenere una posizione prograde.
Nella regione di 27 gradi di latitudine, è necessario accendere il motore e, mantenendo una posizione prograda, volare fino a raggiungere l'apocentro di 35.700 km. Puoi abilitare l'accelerazione 10x.
Quando il serbatoio del carburante esterno rimane senza carburante, ripristinarlo premendo D. Avviare nuovamente il motore.

Fase 4. Modifica dell'inclinazione orbitale

Se hai fatto tutto con piccoli errori, l'apocentro sarà vicino all'equatore. Procedura:

Accelerando il tempo a 1000x, attendi l'avvicinamento all'equatore.
Orientare il blocco perpendicolare al volo, verso l'alto, se visto dall'esterno dell'orbita. A questo scopo è adatta la modalità automatica Nml+, che si attiva premendo un pulsante ; (aka E)
Accendi il motore.
Se dopo la manovra di azzeramento dell'inclinazione rimane del carburante, potete spenderlo per sollevare il periasse.
Dopo aver finito il carburante, utilizzare il pulsante J separare il satellite, esporre i suoi pannelli solari e le antenne Alt-A, Alt-S

Posizione di partenza prima della manovra

Dopo la manovra

Fase 5. Lancio indipendente del satellite verso GEO

La famiglia di stadi superiori Briz - Briz-M, Briz-KM - è un esempio di dispositivo sviluppato dopo il crollo dell'URSS. Ci furono diverse ragioni per questo sviluppo:

Sulla base dell'ICBM UR-100 è stato sviluppato il veicolo di lancio di conversione "Rokot", per il quale sarebbe utile uno stadio superiore (UR).
Sul Proton, per il lancio in orbita geostazionaria, venne utilizzato il DM RB, che utilizzava la coppia “ossigeno-kerosene” “non nativa” del Proton, aveva un tempo di volo autonomo di sole 7 ore, e la sua capacità di carico poteva essere aumentato.

Lo sviluppatore degli stadi superiori della famiglia Breeze è l'impresa unitaria statale federale "Centro statale di ricerca e produzione spaziale intitolato a M.V. Khrunichev". Nel 1990-1994 hanno avuto luogo lanci di prova e, nel maggio-giugno 2000, hanno avuto luogo i voli di entrambe le modifiche del Briz: Briz-KM per Rokot e Briz-M per Proton. La differenza principale tra loro è la presenza di serbatoi di carburante aggiuntivi scaricabili sul Brize-M, che forniscono una maggiore riserva di velocità caratteristica (delta-V) e consentono il lancio di satelliti più pesanti.

I blocchi della famiglia “Breeze” si distinguono per una disposizione molto fitta:

Caratteristiche delle soluzioni tecniche:

Il motore si trova all'interno del “vetro” del serbatoio
All'interno dei serbatoi sono presenti anche bombole di elio per la pressurizzazione
I serbatoi del carburante e dell'ossidante hanno una parete comune (grazie all'utilizzo della coppia UDMH/AT, questo non rappresenta una difficoltà tecnica), non vi è alcun aumento della lunghezza del blocco a causa del vano interserbatoio
I serbatoi sono portanti: non sono presenti tralicci di potenza che richiederebbero peso aggiuntivo e aumenterebbero la lunghezza
I serbatoi gettabili sono in realtà la metà del palco, il che, da un lato, richiede peso extra sulle pareti e, dall'altro, consente di aumentare il margine di velocità caratteristico lanciando i serbatoi vuoti.

La disposizione densa consente di risparmiare dimensioni geometriche e peso, ma presenta anche degli svantaggi. Il motore, che emette calore durante il funzionamento, si trova molto vicino ai serbatoi e alle tubazioni.

La combinazione di una temperatura del carburante più elevata (di 1-2 gradi, entro le specifiche) con una maggiore intensità termica del motore durante il funzionamento (anche entro le specifiche) ha portato all'ebollizione dell'ossidante, all'interruzione del raffreddamento della turbina del turbocompressore da parte di l'ossidante liquido e l'interruzione del suo funzionamento, che ha causato un incidente RB durante il lancio del satellite Yamal-402 nel dicembre 2012.

I motori RB utilizzano una combinazione di tre tipi di motori: il principale S5.98 (14D30) con una spinta di 2 tonnellate, quattro motori di correzione (in realtà si tratta di motori a deposizione, motori a vuoto), che vengono accesi prima di avviare il motore principale per depositare il carburante sul fondo dei serbatoi, e dodici motori di orientamento con spinta di 1,3 kg. Il motore principale ha parametri molto elevati (pressione nella camera di combustione ~100 atm, impulso specifico 328,6 s) nonostante la struttura aperta. I suoi “padri” si trovavano nelle stazioni marziane “Phobos” e i suoi “nonni” si trovavano nelle stazioni di atterraggio lunari come “Luna-16”. Il motore di propulsione può essere acceso in modo affidabile fino a otto volte e la vita attiva dell'unità non è inferiore a un giorno.

La massa di un'unità completamente carica arriva fino a 22,5 tonnellate, il carico utile raggiunge le 6 tonnellate. Ma la massa totale del blocco dopo la separazione dal terzo stadio del veicolo di lancio è leggermente inferiore a 26 tonnellate. Quando inserito in un'orbita di geotransfer, l'RB è sotto-rifornito e un serbatoio completamente pieno per l'inserimento diretto in orbita geostazionaria fornisce un massimo di 3,7 tonnellate di carico utile. Il rapporto spinta-peso dell'unità è pari a ~0,76. Questo è uno svantaggio del Breeze RB, ma piccolo. Il fatto è che dopo la separazione gli RB+PN si trovano in un'orbita aperta, che richiede un impulso per un ulteriore inserimento, e la piccola spinta del motore porta a perdite gravitazionali. Le perdite gravitazionali sono pari a circa l'1-2%, che è piuttosto piccola. Inoltre, lunghi periodi di funzionamento del motore aumentano i requisiti di affidabilità. Il motore principale, invece, ha una durata operativa garantita fino a 3200 secondi (quasi un'ora!).

Caratteristiche prestazionali dello stadio superiore Briz-KM

Composizione - Monoblocco con vano serbatoio conico e motore di propulsione situato nella nicchia serbatoio “G”.
Applicazione - come parte del veicolo di lancio Rokot come stadio III
Caratteristiche principali - Possibilità di manovra in volo.
Massa iniziale, t - 6.475
Riserva carburante (AT+UDMH), t - fino a 5.055
Tipo, numero e spinta a vuoto dei motori:
- Motore a razzo a liquido 14D30 (1 pezzo), 2.0 tf (manutenzione),
- Motore a razzo liquido 11D458 (4 pezzi) 40 kgf ciascuno (motori di correzione),
- 17D58E (12 pz.) 1,36 kgf ciascuno (motori di assetto e stabilizzazione)

Tempo massimo di volo autonomo, ora. -7
Anno del primo volo: maggio 2000

Caratteristiche tattiche e tecniche dello stadio superiore Briz-M

Composizione - Stadio superiore, costituito da un blocco centrale basato sul Breeze-KM RB e un serbatoio di carburante aggiuntivo usa e getta di forma toroidale che lo circonda.
Applicazione: come parte del veicolo di lancio Proton-M, dei veicoli di lancio Angara-A3 e Angara-A5
Caratteristiche principali
- dimensioni estremamente ridotte;
- la capacità di lanciare veicoli spaziali pesanti e di grandi dimensioni;
- Possibilità di funzionamento a lungo termine in volo