Interessant og informativ: Breeze-M øvre scene. Russisk øvre trinn "breeze-m"

Av alle orbitalparametrene vil vi her være interessert i tre parametere: høyden på periapsis (for jorden - perigee), høyden på aposenteret (for jorden - apogee) og helning:

Høyden på aposenteret er høyden på det høyeste punktet i banen, betegnet som Ha.
Høyden på periapsis er høyden på det laveste punktet i banen, betegnet som Hp.
Banehelling er vinkelen mellom baneplanet og planet som går gjennom jordens ekvator (i vårt tilfelle går i bane rundt jorden), betegnet som Jeg.

En geostasjonær bane er en sirkulær bane med en periapsis og apoapsis høyde på 35 786 km over havet og en helning på 0 grader. Følgelig er oppgaven vår delt inn i følgende stadier: gå inn i lav jordbane, øk aposenteret til 35 700 km, endre helningen til 0 grader, hev periapsisen til 35 700 km. Det er mer lønnsomt å endre helningen til banen ved aposenteret, fordi der mindre hastighet satellitt, og jo lavere hastighet, jo lavere delta-V må brukes for å endre den. Et av triksene med orbitalmekanikk er at det noen ganger er mer lønnsomt å heve aposenteret mye høyere enn ønsket, endre helningen der, og senere senke aposenteret til ønsket. Kostnadene ved å heve og senke aposenteret over ønsket + helningsendring kan være mindre enn helningsendringen på høyde med ønsket aposenter.

Flyplan

I Briz-M-scenariet er det nødvendig å skyte opp Sirius-4, en svensk kommunikasjonssatellitt lansert i 2007. I løpet av de siste årene har den allerede fått nytt navn, nå er den "Astra-4A". Planen for fjerning var som følger:

Det er klart at når vi går inn i bane manuelt, mister vi nøyaktigheten til maskinene som utfører ballistiske beregninger, så flyparameterne våre vil ha ganske store feil, men dette er ikke skummelt.

Trinn 1. Gå inn i referansebanen

Trinn 1 tar tid fra lanseringen av programmet til inntreden i en sirkulær bane med en høyde på omtrent 170 km og en helning på 51 grader (en smertefull arv fra breddegraden til Baikonur; hvis den ble lansert fra ekvator ville den være umiddelbart 0 grader ).
Scenario Proton LV / Proton M / Proton M - Breeze M (Sirius 4)

Fra å laste simulatoren til å skille det øvre trinnet fra det tredje trinnet, kan du beundre utsikten - alt gjøres automatisk. Med mindre du trenger å bytte kamerafokus til raketten fra utsikten fra bakken (trykk F2 til verdiene øverst til venstre absolutt retning eller global ramme).
Under avlsprosessen anbefaler jeg å bytte til "innsiden"-visningen. F1, forbered deg på det som venter oss:

Forresten, i Orbiter kan du ta en pause Ctrl-P, kan dette være nyttig for deg.
Noen få forklaringer om verdiene til indikatorer som er viktige for oss:

Etter separasjonen av det tredje trinnet befinner vi oss i en åpen bane med trusselen om å falle inn i området Stillehavet hvis vi handler sakte eller feil. For å unngå en så trist skjebne, bør vi gå inn i referansebanen, som vi bør:

Stopp blokkrotasjonen ved å trykke på en knapp Nummer 5. T.N. KillRot-modus (stopp rotasjon). Etter at posisjonen er fikset, slås modusen automatisk av.
Bytt bakover til forovervisning med knappen C.
Sett frontruteindikatoren til orbital modus (Orbit Earth på toppen) ved å trykke på knappen H.
Nøkler Nummer 2(skru opp) Nummer 8(avvise) Nummer 1(ta til venstre), Nummer 3(ta til høyre), Nummer 4(rull til venstre), Nummer 6(rull til høyre) og Nummer 5(stopp rotasjon) roter blokken i bevegelsesretningen med en stigningsvinkel på ca. 22 grader og fest posisjonen.
Start motorstartprosedyren (først Nummer + så, uten å gi slipp, Ctrl).

Hvis du gjør alt riktig, vil bildet se omtrent slik ut:

Etter å ha slått på motoren:

Lag en rotasjon som vil fikse stigningsvinkelen (et par trykk på Num 8 og vinkelen vil ikke endre seg merkbart).
Mens motoren går, hold stigningsvinkelen i området 25-30 grader.
Når periapsis- og aposenterverdiene er i området 160-170 km, slå av motoren med knappen Nummer *.

Hvis alt gikk bra, vil det være noe sånt som:

Det meste nerve del Det er over, vi er i bane, det er ingen steder å falle.

Trinn 2. Inntreden i mellombane

På grunn av det lave skyvekraft-til-vekt-forholdet, må aposenteret heves til 35 700 km i to etapper. Den første etappen går inn i en mellombane med et aposenter på ~5000 km. Problemets spesifisitet er at det er nødvendig å akselerere slik at aposenteret ikke havner vekk fra ekvator, dvs. du må akselerere symmetrisk i forhold til ekvator. Projeksjonen av utdataskjemaet på et kart over jorden vil hjelpe oss med dette:

Bilde for den nylig lanserte Turksat 4A, men det spiller ingen rolle.
Forbereder for å gå inn i en mellombane:

Bytt venstre multifunksjonsdisplay til kartmodus ( Venstre Shift F1, Venstre Shift M).
R, sakte ned 10 ganger T) vent til du flyr over Sør-Amerika.
Orienter blokken i en prograd (nese i bevegelsesretningen) posisjon. Du kan trykke på knappen [ , slik at dette gjøres automatisk, men her er det ikke veldig effektivt, det er bedre å gjøre det manuelt.
Gi blokken en nedadgående rotasjon for å opprettholde en prograd posisjon

Det skal se omtrent slik ut:

I området med breddegrad 27 grader må du slå på motoren, og opprettholde en prograd posisjon, fly til du når aposenteret på 5000 km. Du kan aktivere 10x akselerasjon. Når du når aposenteret på 5000 km, slå av motoren.

Musikk er etter min mening veldig egnet for akselerasjon i bane

Hvis alt gikk bra, vil vi få noe som:

Trinn 3. Entry into transfer orbit

Svært lik trinn 2:

Ved å akselerere tid (økt 10 ganger R, sakte ned 10 ganger T, du kan trygt øke hastigheten opp til 100x, jeg anbefaler ikke 1000x) vent til du flyr over Sør-Amerika.
Orienter blokken i en prograd (nese i bevegelsesretningen) posisjon.
Gi blokken en nedadgående rotasjon for å opprettholde en prograd posisjon.
I området med breddegrad 27 grader må du slå på motoren, og opprettholde en prograd posisjon, fly til du når aposenteret på 35 700 km. Du kan aktivere 10x akselerasjon.
Når den eksterne drivstofftanken går tom for drivstoff, tilbakestill den ved å trykke D. Start motoren igjen.

Tilbakestilling av drivstofftanken, synlig drift av deponeringsmotorer

Resultat. Vær oppmerksom på at jeg hadde det travelt med å slå av motoren, aposenteret er 34,7 tusen km. Dette er ikke skummelt, for renheten til eksperimentet vil vi la det være slik.

Vakker utsikt

Trinn 4. Endring av banehellingen

Hvis du gjorde alt med mindre feil, vil aposenteret være nær ekvator. Fremgangsmåte:

Akselererer tid til 1000x, vent på tilnærming til ekvator.
Orienter blokken vinkelrett på flyet, oppover, sett fra utsiden av banen. Egnet til dette automatisk modus Nml+, som aktiveres ved å trykke på en knapp ; (aka og)
Slå på motoren.
Hvis det er drivstoff igjen etter helningsnulleringsmanøveren, kan du bruke det på å heve periapsisen.
Etter å ha gått tom for drivstoff, bruk knappen J skille satellitten, eksponere solcellepaneler og antenner Alt-A, Alt-S

Startposisjon før manøver

Etter manøveren

Trinn 5. Uavhengig oppskyting av satellitten til GEO

Satellitten har en motor som kan brukes til å heve periapsis. For å gjøre dette, i området med periapsis, orienterer vi satellitten gradvis og slår på motoren. Motoren er svak, den må gjentas flere ganger. Hvis du gjør alt riktig, vil satellitten fortsatt ha omtrent 20 % av drivstoffet igjen for å korrigere baneforstyrrelser. I virkeligheten fører påvirkningen fra Månen og andre faktorer til at satellittenes bane er forvrengt, og drivstoff må kastes bort for å opprettholde de nødvendige parameterne.
Hvis alt fungerte for deg, vil bildet se omtrent slik ut:

Vel, en liten illustrasjon av det faktum at en GEO-satellitt er plassert over ett sted på jorden:

Turksat 4A lanseringsdiagram, for sammenligning

Om romsimulatoren Orbiter og minst to hundre mennesker som ble interessert og lastet ned tillegg for den, førte meg til ideen om å fortsette serien med pedagogiske og spillinnlegg. Jeg vil også lette overgangen fra det første innlegget, der alt gjøres automatisk, uten å kreve handlingene dine, til uavhengige eksperimenter, slik at du ikke ender opp med en vits om å tegne en ugle. Dette innlegget har følgende mål:

Fortell oss om Breeze-familien av øvre trinn
Gi en ide om hovedparametrene for orbital bevegelse: aposenter, periapsis, orbital inklinasjon
Gi en forståelse av det grunnleggende om orbital mekanikk og oppskytinger i geostasjonær bane (GEO)
Gi en enkel veiledning for å mestre manuell utgang til GSO i simulatoren

Introduksjon

Lite er tenkt på dette, men Briz-familien av øvre stadier - Briz-M, Briz-KM - er et eksempel på en enhet utviklet etter sammenbruddet av Sovjetunionen. Det var flere årsaker til denne utviklingen:

Basert på UR-100 ICBM ble det utviklet en ombyggings bærerakett "Rokot", som et øvre trinn (UR) ville være nyttig for.
På protonet, for oppskyting i den geostasjonære bane, ble DM RB brukt, som brukte "oksygen-parafin"-paret "ikke-native" for protonet, hadde en autonom flytid på bare 7 timer, og nyttelastkapasiteten kunne økes.

I 1990-1994 fant testoppskytinger sted, og i mai-juni 2000 fant flyvninger av begge modifikasjonene av Briz sted - Briz-KM for Rokot og Briz-M for Proton. Hovedforskjellen mellom dem er tilstedeværelsen av ytterligere drivstofftanker som kan kastes på Brize-M, som gir en større karakteristisk hastighetsmargin (delta-V) og tillater oppskyting av tyngre satellitter. Her er et bilde som illustrerer forskjellen veldig godt:

Design

Blokkene til "Breeze"-familien kjennetegnes av en veldig tett layout:

Mer detaljert tegning

Vær oppmerksom på tekniske løsninger:

Motoren er plassert inne i "glasset" i tanken
Inne i tankene er det også heliumsylindere for trykksetting
Drivstoff- og oksidasjonstankene har en felles vegg (takket være bruken av UDMH/AT-paret, dette representerer ikke en teknisk vanskelighet), det er ingen økning i lengden på blokken på grunn av mellomtankrommet
Tankene er bærende - det er ingen kraftstoler som vil kreve ekstra vekt og øke lengden
Dråpetankene er faktisk halvparten av scenen, noe som på den ene siden krever overvekt på veggene lar den deg derimot øke den karakteristiske fartsreserven ved å tømme tomme tanker.

Den tette layouten sparer geometriske dimensjoner og vekt, men den har også sine ulemper. For eksempel er en motor som avgir varme under drift plassert svært nær tanker og rør. Og kombinasjonen av en høyere (med 1-2 grader, innenfor spesifikasjonen) temperatur på drivstoffet med en høyere termisk intensitet av motoren under drift (også innenfor spesifikasjonen) førte til koking av oksidasjonsmidlet, forstyrrelse av kjølingen av motoren. turboladerturbin av det flytende oksidasjonsmiddelet og forstyrrelse av driften, noe som forårsaket RB-ulykke under oppskytingen av Yamal-402-satellitten i desember 2012.
RB-motorene bruker en kombinasjon av tre typer motorer: hoved S5.98 (14D30) med en skyvekraft på 2 tonn, fire korreksjonsmotorer (faktisk er disse avsetningsmotorer, ullage-motorer), som slås på før hovedmotoren startes å deponere drivstoff på bunnen av tankene, og tolv orienteringsmotorer med en skyvekraft på 1,3 kg. Hovedmotoren har svært høye parametere (trykk i forbrenningskammeret ~100 atm, spesifikk impuls 328,6 s) til tross for den åpne designen. Hans "fedre" sto på marsstasjonene "Phobos" og hans "bestefedre" sto ved månelandingsstasjoner som "Luna-16". Fremdriftsmotoren kan slås pålitelig på opptil åtte ganger, og enhetens aktive levetid er ikke mindre enn en dag.
Vekten til en fulladet enhet er opptil 22,5 tonn, nyttelast når 6 tonn. Men den totale massen til blokken etter separasjon fra det tredje trinnet av bæreraketten er litt mindre enn 26 tonn. Når den settes inn i en geooverføringsbane, er RB undertanket, og en fullt fylt tank for direkte innføring i GEO hadde maksimalt 3,7 tonn nyttelast. Skyvekraft-til-vekt-forholdet til blokken er lik ~0,76. Dette er en ulempe med Breeze RB, men en liten en. Faktum er at etter separasjon er RB+ PN i en åpen bane, noe som krever en impuls for ytterligere innsetting, og den lave skyvekraften til motoren fører til gravitasjonstap. Gravitasjonstap er omtrent 1-2 %, noe som er ganske lite. Lange perioder med motordrift øker også kravene til pålitelighet. På den annen side har hovedmotoren en garantert levetid på opptil 3200 sekunder (nesten en time!).

Litt om pålitelighet

Breeze RB-familien er i svært aktiv bruk:

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

Totalt 92 flyvninger per 16. februar 2014. Av disse skjedde 5 ulykker (jeg regnet opp en delvis suksess med Yamal-402 som en ulykke) på grunn av feilen til Briz-M-enheten og 2 på grunn av feilen til Briz-KM, som gir oss en pålitelighet på 92 %. La oss se på årsakene til ulykker mer detaljert:

28. februar 2006, ArabSat 4A - for tidlig motorstans på grunn av en fremmedpartikkel som kommer inn i den hydrauliske turbindysen (,), en enkelt produksjonsfeil.
15. mars 2008, AMC-14 - for tidlig motorstans, ødeleggelse av en høytemperaturgassrørledning (), det krevde modifikasjon.
18. august 2011, Express-AM4. Tidsintervallet for å snu den gyrostabiliserte plattformen er urimelig "innsnevret", feil orientering (), programmeringsfeil.
6. august 2012, Telkom 3, Express MD2. Motorstans på grunn av tilstopping av boost-linjen (), en produksjonsfeil.
9. desember 2012, Yamal-402. Motorstans på grunn av svikt i pumpen, en kombinasjon av ugunstige temperaturfaktorer ()
8. oktober 2005, "Briz-KM", Cryosat, ikke-separasjon av det andre trinnet og det øvre trinnet, unormal drift av programvaren (), programmeringsfeil.
1. februar 2011, "Briz-KM", Geo-IK2, unormal motorimpuls, antagelig på grunn av feil i kontrollsystemet på grunn av mangel på telemetri, den eksakte årsaken kan ikke fastslås.

Hvis vi analyserer årsakene til ulykker, er bare to forbundet med designproblemer og designfeil - utbrenning av gassrørledningen og svikt i varmepumpens kjøling. Alle andre ulykker, hvis årsak er kjent med sikkerhet, er forbundet med problemer med produksjonskvalitet og forberedelse til lansering. Dette er ikke overraskende - romindustrien krever veldig Høy kvalitet arbeid, og en feil selv fra en vanlig ansatt kan føre til en ulykke. "Breeze" i seg selv er ikke en mislykket design, men det er verdt å merke seg mangelen på sikkerhetsmargin på grunn av det faktum at for å sikre maksimal ytelse av RB-materialene, jobber de nær grensen for deres fysiske styrke.

La oss fly

Det er på tide å gå videre til praksis - gå manuelt inn i geostasjonær bane i Orbiter. For dette trenger vi:
Orbiter-utgivelsen, hvis du ikke har lastet den ned ennå etter å ha lest det første innlegget, her er lenken.
Addon "Proton LV" last ned herfra

Litt teori

Av alle orbitalparametrene vil vi her være interessert i tre parametere: høyden på periapsis (for jorden - perigee), høyden på aposenteret (for jorden - apogee) og helning:

Høyden på aposenteret er høyden på det høyeste punktet i banen, betegnet som Ha.
Høyden på periapsis er høyden på det laveste punktet i banen, betegnet som Hp.
Banehelling er vinkelen mellom baneplanet og planet som går gjennom jordens ekvator (i vårt tilfelle går i bane rundt jorden), betegnet som Jeg.

En geostasjonær bane er en sirkulær bane med en periapsis og apoapsis høyde på 35 786 km over havet og en helning på 0 grader. Følgelig er oppgaven vår delt inn i følgende stadier: gå inn i lav jordbane, øk aposenteret til 35 700 km, endre helningen til 0 grader, hev periapsisen til 35 700 km. Det er mer lønnsomt å endre helningen til banen ved aposenteret, fordi hastigheten til satellitten er lavere der, og jo lavere hastigheten er, jo mindre delta-V må brukes for å endre den. Et av triksene med orbitalmekanikk er at det noen ganger er mer lønnsomt å heve aposenteret mye høyere enn ønsket, endre helningen der, og senere senke aposenteret til ønsket. Kostnadene ved å heve og senke aposenteret over ønsket + helningsendring kan være mindre enn helningsendringen på høyde med ønsket aposenter.

Flyplan

Det er klart at når vi går inn i bane manuelt, mister vi nøyaktigheten til maskinene som utfører ballistiske beregninger, så flyparameterne våre vil ha ganske store feil, men dette er ikke skummelt.

Trinn 1. Gå inn i referansebanen

Fra å laste simulatoren til å skille det øvre trinnet fra det tredje trinnet, kan du beundre utsikten - alt gjøres automatisk. Med mindre du trenger å bytte kamerafokus til raketten fra utsikten fra bakken (trykk F2 til verdiene øverst til venstre absolutt retning eller global ramme).
Under avlsprosessen anbefaler jeg å bytte til "innsiden"-visningen. F1, forbered deg på det som venter oss:

Forresten, i Orbiter kan du ta en pause Ctrl-P, kan dette være nyttig for deg.
Noen få forklaringer om verdiene til indikatorer som er viktige for oss:

Etter at det tredje trinnet skilles, befinner vi oss i en åpen bane med trusselen om å falle i Stillehavet hvis vi handler sakte eller feil. For å unngå en så trist skjebne, bør vi gå inn i referansebanen, som vi bør:

Stopp blokkrotasjonen ved å trykke på en knapp Nummer 5. T.N. KillRot-modus (stopp rotasjon). Etter at posisjonen er fikset, slås modusen automatisk av.
Bytt bakover til forovervisning med knappen C.
Sett frontruteindikatoren til orbital modus (Orbit Earth på toppen) ved å trykke på knappen H.
Nøkler Nummer 2(skru opp) Nummer 8(avvise) Nummer 1(ta til venstre), Nummer 3(ta til høyre), Nummer 4(rull til venstre), Nummer 6(rull til høyre) og Nummer 5(stopp rotasjon) roter blokken i bevegelsesretningen med en stigningsvinkel på ca. 22 grader og fest posisjonen.
Start motorstartprosedyren (først Nummer + så, uten å gi slipp, Ctrl).

Hvis du gjør alt riktig, vil bildet se omtrent slik ut:

Etter å ha slått på motoren:

Lag en rotasjon som vil fikse stigningsvinkelen (et par trykk på Num 8 og vinkelen vil ikke endre seg merkbart).
Mens motoren går, hold stigningsvinkelen i området 25-30 grader.
Når periapsis- og aposenterverdiene er i området 160-170 km, slå av motoren med knappen Nummer *.

Hvis alt gikk bra, vil det være noe sånt som:

Den mest nervøse delen er over, vi er i bane, det er ingen steder å falle.

Trinn 2. Inntreden i mellombane

På grunn av det lave skyvekraft-til-vekt-forholdet, må aposenteret heves til 35 700 km i to etapper. Den første etappen går inn i en mellombane med et aposenter på ~5000 km. Problemets spesifisitet er at du må akselerere slik at aposenteret ikke havner vekk fra ekvator, dvs. du må akselerere symmetrisk i forhold til ekvator. Projeksjonen av utdataskjemaet på et kart over jorden vil hjelpe oss med dette:

Bilde for den nylig lanserte Turksat 4A, men det spiller ingen rolle.
Forbereder for å gå inn i en mellombane:

Bytt venstre multifunksjonsdisplay til kartmodus ( Venstre Shift F1, Venstre Shift M).
R, sakte ned 10 ganger T) vent til du flyr over Sør-Amerika.
Orienter blokken til en posisjon langs banehastighetsvektoren (med nesen i bevegelsesretningen). Du kan trykke på knappen [ , slik at dette gjøres automatisk, men her er det ikke veldig effektivt, det er bedre å gjøre det manuelt.

Det skal se omtrent slik ut:

I området med breddegrad 27 grader, må du slå på motoren, og opprettholde orienteringen langs banehastighetsvektoren, fly til du når aposenteret på 5000 km. Du kan aktivere 10x akselerasjon. Når du når aposenteret på 5000 km, slå av motoren.

Musikk er etter min mening veldig egnet for akselerasjon i bane

Hvis alt gikk bra, vil vi få noe som:

Trinn 3. Entry into transfer orbit

Svært lik trinn 2:

Ved å akselerere tid (økt 10 ganger R, sakte ned 10 ganger T, du kan trygt øke hastigheten opp til 100x, jeg anbefaler ikke 1000x) vent til du flyr over Sør-Amerika.
Orienter blokken til en posisjon langs banehastighetsvektoren (med nesen i bevegelsesretningen).
Gi blokken rotasjon nedover for å opprettholde orientering langs banehastighetsvektoren.
I området med breddegrad 27 grader, må du slå på motoren, og opprettholde stabilisering langs omløpshastighetsvektoren, fly til du når aposenteret på 35 700 km. Du kan aktivere 10x akselerasjon.
Når den eksterne drivstofftanken går tom for drivstoff, tilbakestill den ved å trykke D. Start motoren igjen.

Tilbakestilling av drivstofftanken, synlig drift av deponeringsmotorer

Resultat. Vær oppmerksom på at jeg hadde det travelt med å slå av motoren, aposenteret er 34,7 tusen km. Dette er ikke skummelt, for renheten til eksperimentet vil vi la det være slik.

Vakker utsikt

Trinn 4. Endring av banehellingen

Hvis du gjorde alt med mindre feil, vil aposenteret være nær ekvator. Fremgangsmåte:

Akselererer tid til 1000x, vent på tilnærming til ekvator.
Orienter blokken vinkelrett på flyet, oppover, sett fra utsiden av banen. Nml+ automatisk modus er egnet for dette, som aktiveres ved å trykke på en knapp ; (aka og)
Slå på motoren.
Hvis det er drivstoff igjen etter helningsnulleringsmanøveren, kan du bruke det på å heve periapsisen.
Etter å ha gått tom for drivstoff, bruk knappen J skille satellitten, eksponere solcellepaneler og antenner Alt-A, Alt-S

Startposisjon før manøver

Etter manøveren

Trinn 5. Uavhengig oppskyting av satellitten til GEO

Satellitten har en motor som kan brukes til å heve periapsis. For å gjøre dette, i området til aposenteret, orienterer vi satellitten langs banehastighetsvektoren og slår på motoren. Motoren er svak, den må gjentas flere ganger. Hvis du gjør alt riktig, vil satellitten fortsatt ha omtrent 20 % av drivstoffet igjen for å korrigere baneforstyrrelser. I virkeligheten fører påvirkningen fra Månen og andre faktorer til at satellittenes bane er forvrengt, og drivstoff må kastes bort for å opprettholde de nødvendige parameterne.
Hvis alt fungerte for deg, vil bildet se omtrent slik ut:

Vel, en liten illustrasjon av det faktum at en GEO-satellitt er plassert over ett sted på jorden:

Turksat 4A lanseringsdiagram, for sammenligning

UPD: etter å ha rådført meg med , byttet jeg ut det stygge hjemmelagde kalkerpapiret fra Orbiter's Prograde/Retrograde med det virkelige uttrykket "for/mot orbitalhastighetsvektoren"
UPD2: Jeg ble kontaktet av en spesialist i tilpasning av nyttelast for Briza-M fra State Research and Production Space Center oppkalt etter. Khrunichev, la til et par kommentarer til artikkelen:

I virkeligheten blir ikke 28 tonn skutt inn i den suborbitale banen (begynnelsen av trinn 1), men litt mindre enn 26, fordi det øvre trinnet ikke er fullt fylt opp.
Tyngdekraftstap er bare 1-2 %

Tagger:

astronautikk
Orbiter
bris

Legg til merkelapper

Den gode reaksjonen på Orbiter-romsimulatoren og minst to hundre mennesker som ble interessert og lastet ned tilleggsprogrammer for den, førte meg til ideen om å fortsette en serie med pedagogiske og spillartikler. Jeg vil også lette overgangen fra den første artikkelen, der alt gjøres automatisk, uten å kreve handlingene dine, til uavhengige eksperimenter, slik at du ikke ender opp med en vits om å tegne en ugle. Denne artikkelen har følgende mål:

Fortell oss om Breeze-familien av øvre trinn
Gi en ide om hovedparametrene for orbital bevegelse: aposenter, periapsis, orbital inklinasjon
Gi en forståelse av det grunnleggende om orbital mekanikk og oppskytinger i geostasjonær bane (GEO)
Gi en enkel veiledning for å mestre manuell utgang til GSO i simulatoren

Introduksjon

Basert på UR-100 ICBM ble det utviklet en ombyggings bærerakett "Rokot", som et øvre trinn (UR) ville være nyttig for.
På protonet, for oppskyting i den geostasjonære bane, ble DM RB brukt, som brukte "oksygen-parafin"-paret "ikke-native" for protonet, hadde en autonom flytid på bare 7 timer, og nyttelastkapasiteten kunne økes.

Design

Blokkene til "Breeze"-familien kjennetegnes av en veldig tett layout:

Mer detaljert tegning

Vær oppmerksom på tekniske løsninger:

Motoren er plassert inne i "glasset" i tanken
Inne i tankene er det også heliumsylindere for trykksetting
Drivstoff- og oksidasjonstankene har en felles vegg (takket være bruken av UDMH/AT-paret, dette representerer ikke en teknisk vanskelighet), det er ingen økning i lengden på blokken på grunn av mellomtankrommet
Tankene er bærende - det er ingen kraftstoler som vil kreve ekstra vekt og øke lengden
De kastbare tankene er faktisk halvparten av trinnet, noe som på den ene siden krever ekstra vekt på veggene, og på den andre siden gjør det mulig å øke den karakteristiske hastighetsmarginen ved å kaste tomme tanker.

Den tette layouten sparer geometriske dimensjoner og vekt, men den har også sine ulemper. For eksempel er en motor som avgir varme under drift plassert svært nær tanker og rør. Og kombinasjonen av en høyere (med 1-2 grader, innenfor spesifikasjonen) temperatur på drivstoffet med en høyere termisk intensitet av motoren under drift (også innenfor spesifikasjonen) førte til koking av oksidasjonsmidlet, forstyrrelse av kjølingen av motoren. turboladerturbin av det flytende oksidasjonsmiddelet og forstyrrelse av driften, noe som forårsaket RB-ulykke under oppskytingen av Yamal-402-satellitten i desember 2012.
RB-motorene bruker en kombinasjon av tre typer motorer: hoved S5.98 (14D30) med en skyvekraft på 2 tonn, fire korreksjonsmotorer (faktisk er disse avsetningsmotorer, ullage-motorer), som slås på før hovedmotoren startes å deponere drivstoff på bunnen av tankene, og tolv orienteringsmotorer med en skyvekraft på 1,3 kg. Hovedmotoren har svært høye parametere (trykk i forbrenningskammeret ~100 atm, spesifikk impuls 328,6 s) til tross for den åpne designen. Hans "fedre" sto på marsstasjonene "Phobos" og hans "bestefedre" sto ved månelandingsstasjoner som "Luna-16". Fremdriftsmotoren kan slås pålitelig på opptil åtte ganger, og enhetens aktive levetid er ikke mindre enn en dag.
Massen til en blokk med full drivstoff er opptil 22,5 tonn med en nyttelast på ~6 tonn, vil massen til blokken etter separasjon fra det tredje trinnet av bæreraketten være ~28-29 tonn. De. Skyvekraft-til-vekt-forholdet til blokken er lik ~0,07. Dette er en ulempe med Breeze RB, men ikke en veldig stor en. Faktum er at etter separasjon er RB+ PN i en åpen bane, noe som krever en impuls for ytterligere innsetting, og den lave skyvekraften til motoren fører til gravitasjonstap. Lange perioder med motordrift øker også kravene til pålitelighet. På den annen side har hovedmotoren en garantert levetid på opptil 3200 sekunder (nesten en time!).

Litt om pålitelighet

Breeze RB-familien er i svært aktiv bruk:

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

28. februar 2006, ArabSat 4A - for tidlig motorstans på grunn av en fremmedpartikkel som kommer inn i den hydrauliske turbindysen (,), en enkelt produksjonsfeil.
15. mars 2008, AMC-14 - for tidlig motorstans, ødeleggelse av en høytemperaturgassrørledning (), det krevde modifikasjon.
18. august 2011, Express-AM4. Tidsintervallet for å snu den gyrostabiliserte plattformen er urimelig "innsnevret", feil orientering (), programmeringsfeil.
6. august 2012, Telkom 3, Express MD2. Motorstans på grunn av tilstopping av boost-linjen (), en produksjonsfeil.
9. desember 2012, Yamal-402. Motorstans på grunn av svikt i pumpen, en kombinasjon av ugunstige temperaturfaktorer ()
8. oktober 2005, "Briz-KM", Cryosat, ikke-separasjon av det andre trinnet og det øvre trinnet, unormal drift av programvaren (), programmeringsfeil.
1. februar 2011, "Briz-KM", Geo-IK2, unormal motorimpuls, antagelig på grunn av feil i kontrollsystemet på grunn av mangel på telemetri, den eksakte årsaken kan ikke fastslås.

Hvis vi analyserer årsakene til ulykker, er bare to forbundet med designproblemer og designfeil - utbrenning av gassrørledningen og svikt i varmepumpens kjøling. Alle andre ulykker, hvis årsak er kjent med sikkerhet, er forbundet med problemer med produksjonskvalitet og forberedelse til lansering. Dette er ikke overraskende - romindustrien krever en svært høy kvalitet på arbeidet, og en feil selv av en vanlig ansatt kan føre til en ulykke. Breeze i seg selv er ikke en mislykket design, men det er verdt å merke seg mangelen på en sikkerhetsmargin på grunn av det faktum at for å sikre maksimal ytelse av RB-materialene, jobber de nær grensen for deres fysiske styrke.

La oss fly

Det er på tide å gå videre til praksis - gå manuelt inn i geostasjonær bane i Orbiter. For dette trenger vi:
Orbiter-utgivelsen, hvis du ennå ikke har lastet den ned etter å ha lest den første artikkelen, her er lenken.
Addon "Proton LV" last ned herfra

Litt teori

Av alle orbitalparametrene vil vi her være interessert i tre parametere: høyden på periapsis (for jorden - perigee), høyden på aposenteret (for jorden - apogee) og helning:

Høyden på aposenteret er høyden på det høyeste punktet i banen, betegnet som Ha.
Høyden på periapsis er høyden på det laveste punktet i banen, betegnet som Hp.
Banehelling er vinkelen mellom baneplanet og planet som går gjennom jordens ekvator (i vårt tilfelle går i bane rundt jorden), betegnet som Jeg.

En geostasjonær bane er en sirkulær bane med en periapsis og apoapsis høyde på 35 786 km over havet og en helning på 0 grader. Følgelig er oppgaven vår delt inn i følgende stadier: gå inn i lav jordbane, øk aposenteret til 35 700 km, endre helningen til 0 grader, hev periapsisen til 35 700 km. Det er mer lønnsomt å endre helningen til banen ved aposenteret, fordi hastigheten til satellitten er lavere der, og jo lavere hastigheten er, jo mindre delta-V må brukes for å endre den. Et av triksene med orbitalmekanikk er at det noen ganger er mer lønnsomt å heve aposenteret mye høyere enn ønsket, endre helningen der, og senere senke aposenteret til ønsket. Kostnadene ved å heve og senke aposenteret over ønsket + helningsendring kan være mindre enn helningsendringen på høyde med ønsket aposenter.

Flyplan

Trinn 1. Gå inn i referansebanen

Trinn 1 tar tid fra lanseringen av programmet til inntreden i en sirkulær bane med en høyde på omtrent 170 km og en helning på 51 grader (en smertefull arv fra breddegraden til Baikonur; hvis den ble lansert fra ekvator ville den være umiddelbart 0 grader ).
Scenario Proton LV / Proton M / Proton M - Breeze M (Sirius 4)

Fra å laste simulatoren til å skille det øvre trinnet fra det tredje trinnet, kan du beundre utsikten - alt gjøres automatisk. Med mindre du trenger å bytte kamerafokus til raketten fra utsikten fra bakken (trykk F2 til verdiene øverst til venstre absolutt retning eller global ramme).
Under avlsprosessen anbefaler jeg å bytte til "innsiden"-visningen. F1, forbered deg på det som venter oss:

Forresten, i Orbiter kan du ta en pause Ctrl-P, kan dette være nyttig for deg.
Noen få forklaringer om verdiene til indikatorer som er viktige for oss:

Etter at det tredje trinnet skilles, befinner vi oss i en åpen bane med trusselen om å falle i Stillehavet hvis vi handler sakte eller feil. For å unngå en så trist skjebne, bør vi gå inn i referansebanen, som vi bør:

Stopp blokkrotasjonen ved å trykke på en knapp Nummer 5. T.N. KillRot-modus (stopp rotasjon). Etter at posisjonen er fikset, slås modusen automatisk av.
Bytt bakover til forovervisning med knappen C.
Sett frontruteindikatoren til orbital modus (Orbit Earth på toppen) ved å trykke på knappen H.
Nøkler Nummer 2(skru opp) Nummer 8(avvise) Nummer 1(ta til venstre), Nummer 3(ta til høyre), Nummer 4(rull til venstre), Nummer 6(rull til høyre) og Nummer 5(stopp rotasjon) roter blokken i bevegelsesretningen med en stigningsvinkel på ca. 22 grader og fest posisjonen.
Start motorstartprosedyren (først Nummer + så, uten å gi slipp, Ctrl).

Hvis du gjør alt riktig, vil bildet se omtrent slik ut:

Etter å ha slått på motoren:

Lag en rotasjon som vil fikse stigningsvinkelen (et par trykk på Num 8 og vinkelen vil ikke endre seg merkbart).
Mens motoren går, hold stigningsvinkelen i området 25-30 grader.
Når periapsis- og aposenterverdiene er i området 160-170 km, slå av motoren med knappen Nummer *.

Hvis alt gikk bra, vil det være noe sånt som:

Den mest nervøse delen er over, vi er i bane, det er ingen steder å falle.

Trinn 2. Inntreden i mellombane

Bytt venstre multifunksjonsdisplay til kartmodus ( Venstre Shift F1, Venstre Shift M).
R, sakte ned 10 ganger T) vent til du flyr over Sør-Amerika.
Orienter blokken i en prograd (nese i bevegelsesretningen) posisjon. Du kan trykke på knappen [ , slik at dette gjøres automatisk, men her er det ikke veldig effektivt, det er bedre å gjøre det manuelt.
Gi blokken en nedadgående rotasjon for å opprettholde en prograd posisjon

Musikk er etter min mening veldig egnet for akselerasjon i bane

Hvis alt gikk bra, vil vi få noe som:

Trinn 3. Entry into transfer orbit

Svært lik trinn 2:

Ved å akselerere tid (økt 10 ganger R, sakte ned 10 ganger T, du kan trygt øke hastigheten opp til 100x, jeg anbefaler ikke 1000x) vent til du flyr over Sør-Amerika.
Orienter blokken i en prograd (nese i bevegelsesretningen) posisjon.
Gi blokken en nedadgående rotasjon for å opprettholde en prograd posisjon.
I området med breddegrad 27 grader må du slå på motoren, og opprettholde en prograd posisjon, fly til du når aposenteret på 35 700 km. Du kan aktivere 10x akselerasjon.
Når den eksterne drivstofftanken går tom for drivstoff, tilbakestill den ved å trykke D. Start motoren igjen.

Trinn 4. Endring av banehellingen

Hvis du gjorde alt med mindre feil, vil aposenteret være nær ekvator. Fremgangsmåte:

Akselererer tid til 1000x, vent på tilnærming til ekvator.
Orienter blokken vinkelrett på flyet, oppover, sett fra utsiden av banen. Nml+ automatisk modus er egnet for dette, som aktiveres ved å trykke på en knapp ; (aka og)
Slå på motoren.
Hvis det er drivstoff igjen etter helningsnulleringsmanøveren, kan du bruke det på å heve periapsisen.
Etter å ha gått tom for drivstoff, bruk knappen J skille satellitten, eksponere solcellepaneler og antenner Alt-A, Alt-S

Startposisjon før manøver

Etter manøveren

Trinn 5. Uavhengig oppskyting av satellitten til GEO

Briz-familien av øvre stadier - Briz-M, Briz-KM - er et eksempel på en enhet utviklet etter sammenbruddet av Sovjetunionen. Det var flere årsaker til denne utviklingen:

Basert på UR-100 ICBM ble det utviklet en ombyggings bærerakett "Rokot", som et øvre trinn (UR) ville være nyttig for.
På protonet, for oppskyting i den geostasjonære bane, ble DM RB brukt, som brukte "oksygen-parafin"-paret "ikke-native" for protonet, hadde en autonom flytid på bare 7 timer, og nyttelastkapasiteten kunne økes.

Utvikleren av de øvre stadiene av Breeze-familien er Federal State Unitary Enterprise "State Space Research and Production Center oppkalt etter M.V. Khrunichev". I 1990-1994 fant testoppskytinger sted, og i mai-juni 2000 fant flyvninger av begge modifikasjonene av Briz sted - Briz-KM for Rokot og Briz-M for Proton. Hovedforskjellen mellom dem er tilstedeværelsen av ytterligere drivstofftanker som kan kastes på Brize-M, som gir en større karakteristisk hastighetsmargin (delta-V) og tillater oppskyting av tyngre satellitter.

Blokkene til "Breeze"-familien kjennetegnes av en veldig tett layout:

Funksjoner av tekniske løsninger:

Motoren er plassert inne i "glasset" i tanken
Inne i tankene er det også heliumsylindere for trykksetting
Drivstoff- og oksidasjonstankene har en felles vegg (takket være bruken av UDMH/AT-paret, dette representerer ikke en teknisk vanskelighet), det er ingen økning i lengden på blokken på grunn av mellomtankrommet
Tankene er bærende - det er ingen kraftstoler som vil kreve ekstra vekt og øke lengden
De kastbare tankene er faktisk halvparten av trinnet, noe som på den ene siden krever ekstra vekt på veggene, og på den andre siden gjør det mulig å øke den karakteristiske hastighetsmarginen ved å kaste tomme tanker.

Den tette layouten sparer geometriske dimensjoner og vekt, men den har også sine ulemper. Motoren, som avgir varme når den går, er plassert svært nær tankene og rørene.

Kombinasjonen av en høyere (med 1-2 grader, innenfor spesifikasjonen) drivstofftemperatur med en høyere termisk intensitet av motoren under drift (også innenfor spesifikasjonen) førte til koking av oksidasjonsmidlet, forstyrrelse av kjølingen av turboladerturbinen ved flytende oksidasjonsmiddel og forstyrrelse av driften, som forårsaket en ulykke RB under oppskytingen av Yamal-402-satellitten i desember 2012.

RB-motorene bruker en kombinasjon av tre typer motorer: hoved S5.98 (14D30) med en skyvekraft på 2 tonn, fire korreksjonsmotorer (faktisk er disse avsetningsmotorer, ullage-motorer), som slås på før hovedmotoren startes å deponere drivstoff på bunnen av tankene, og tolv orienteringsmotorer med en skyvekraft på 1,3 kg. Hovedmotoren har svært høye parametere (trykk i forbrenningskammeret ~100 atm, spesifikk impuls 328,6 s) til tross for den åpne designen. Hans "fedre" sto på marsstasjonene "Phobos" og hans "bestefedre" sto ved månelandingsstasjoner som "Luna-16". Fremdriftsmotoren kan slås pålitelig på opptil åtte ganger, og enhetens aktive levetid er ikke mindre enn en dag.

Massen til en fulladet enhet er opptil 22,5 tonn, nyttelasten når 6 tonn. Men den totale massen til blokken etter separasjon fra det tredje trinnet av bæreraketten er litt mindre enn 26 tonn. Når den settes inn i en geooverføringsbane, er RB undertanket, og en fullt fylt tank for direkte innføring i geostasjonær bane leverte maksimalt 3,7 tonn nyttelast. Dette er en ulempe med Breeze RB, men en liten en. Faktum er at etter separasjon er RB+PN i en åpen bane, noe som krever en impuls for ytterligere innsetting, og den lille skyvekraften til motoren fører til gravitasjonstap. Gravitasjonstap er omtrent 1-2 %, noe som er ganske lite. Lange perioder med motordrift øker også kravene til pålitelighet. På den annen side har hovedmotoren en garantert levetid på opptil 3200 sekunder (nesten en time!).

Ytelsesegenskapene til Briz-KM øvre trinn

Sammensetning - Monoblokk med et konisk tankrom og en fremdriftsmotor plassert i tanknisjen "G".
Søknad: som en del av Rokot bærerakett som tredje trinn
Hovedtrekk - Mulighet for manøvrering under flyging.
Startmasse, t - 6,475
Drivstoffreserve (AT+UDMH), t - opptil 5.055
Type, antall og vakuumtrykk for motorer:
- Flytende rakettmotor 14D30 (1 stk), 2.0 tf (vedlikehold),
- Flytende rakettmotor 11D458 (4 stk.) 40 kgf hver (korreksjonsmotorer),
- 17D58E (12 stk.) 1,36 kgf hver (stillings- og stabiliseringsmotorer)

Maksimal autonom flytid, time. - 7
År for første flytur - mai 2000

Taktiske og tekniske egenskaper ved Briz-M øvre scene

Sammensetning - Øvre trinn, bestående av en sentral blokk basert på Briz-KM RB og en toroidformet kasserbar ekstra drivstofftank som omgir den.
Applikasjon - som en del av bæreraketten Proton-M, Angara-A3 og Angara-A5
Nøkkelegenskaper
- ekstremt små dimensjoner;
- evnen til å skyte opp tunge og store romfartøyer;
- Mulighet for langsiktig drift under flyging