Интересно и познавательно: разгонный блок «Бриз-М»

[lozga]

Хорошая реакция на первый пост о космическом симуляторе Orbiter и, как минимум, двести человек, которые заинтересовались и скачали аддоны к нему, привели меня к идее продолжить цикл постов образовательной и игровой направленности. Также, я хочу облегчить переход от первого поста, в котором всё делает автоматика, не требуя ваших действий, к самостоятельным экспериментам, чтобы не получился анекдот о рисовании совы. Этот пост имеет следующие цели:

• Рассказать о семействе разгонных блоков "Бриз"
• Дать представление об основных параметрах орбитального движения: апоцентре, перицентре, наклонении орбиты
• Дать представление об основах орбитальной механики и запусках на геостационарную орбиту (ГСО)
• Предоставить простое руководство по освоению ручного выхода на ГСО в симуляторе

Введение

Об этом мало задумываются, но семейство разгонных блоков "Бриз" - "Бриз-М", "Бриз-КМ" - это пример аппарата, разработанного уже после распада СССР. Причин такой разработки было несколько:

• На основе МБР УР-100 разрабатывалась конверсионная ракета-носитель "Рокот", для которой был бы полезен разгонный блок (РБ).
• На "Протоне" для выведения на ГСО использовался РБ "ДМ", который использовал "неродную" для "Протона" пару "кислород-керосин", имел время автономного полёта всего 7 часов, да и грузоподъёмность его можно было бы увеличить.

В 1990-1994 годах прошли испытательные пуски и, в мае-июне 2000 года состоялись полёты обеих модификаций "Бриза" - "Бриз-КМ" для "Рокота" и "Бриз-М" для "Протона". Главное различие между ними - наличие дополнительных сбрасываемых топливных баков на "Бризе-М", которые дают бОльший запас характеристической скорости (delta-V) и позволяют выводить более тяжелые спутники. Вот фотография, которая очень хорошо иллюстрирует разницу:


Конструкция

Блоки семейства "Бриз" отличаются очень плотной компоновкой:




[Более подробный чертёж]

Обратите внимание на технические решения:

• Двигатель находится внутри "стакана" в баке
• Внутри баков также находятся баллоны с гелием для наддува
• Баки горючего и окислителя имеют общую стенку (благодаря использованию пары НДМГ/АТ это не представляет технической сложности), нет увеличения длины блока из-за межбакового отсека
• Баки являются несущими - нет силовых ферм, которые бы требовали дополнительного веса и увеличивали длину
• Сбрасываемые баки фактически являются половиной ступени, что, с одной стороны, требует лишнего веса на стенки, с другой - позволяет увеличивать запас характеристической скорости за счет сброса пустых баков.

Плотная компоновка экономит геометрические размеры и вес, но она имеет и свои недостатки. Например, двигатель, который, работая, излучает тепло, находится очень близко к бакам и трубопроводам. И сочетание более высокой (на 1-2 градуса, в пределах спецификации) температуры топлива с более высокой теплонапряженностью работы двигателя в процессе работы (тоже в пределах спецификации) привело к закипанию окислителя, нарушению охлаждения турбины ТНА жидким окислителем и нарушению её работы, что вызвало аварию РБ при выведении спутника "Ямал-402" в декабре 2012 года.
В качестве двигателей РБ используется комбинация из двигателей трех типов: маршевого С5.98 (14Д30) тягой 2 тонны, четырех двигателей коррекции (фактически это двигатели осаждения, ullage motors), которые включаются перед пуском маршевого двигателя для осаждения топлива на дно баков, и двенадцати двигателей ориентации тягой 1,3 кг. Маршевый двигатель имеет весьма высокие параметры (давление в камере сгорания ~100 атм, удельный импульс 328,6 с) несмотря на открытую схему. Его "отцы" стояли на марсианских станциях "Фобос" а "деды" - на посадочных лунных станциях типа "Луна-16". Маршевый двигатель может гарантированно включаться до восьми раз, а срок активного существования блока не меньше суток.
Масса полностью заправленного блока составляет до 22,5 тонн, полезная нагрузка достигает 6 тонн. Но суммарная масса блока после отделения от третьей ступени ракеты-носителя чуть меньше 26 тонн. При выводе на геопереходную орбиту РБ недозаправляется, а полностью заполненный бак для прямого вывода на ГСО выводил максимум 3,7 тонны полезной нагрузки.Тяговооруженность блока получается равной ~0.76. Это недостаток РБ "Бриз", но небольшой. Дело в том, что после отделения РБ+ПН находятся на незамкнутой орбите, что требует импульса на довыведение, а небольшая тяга двигателя приводит к гравитационным потерям. Гравитационные потери составляют примерно 1-2%, что весьма немного. Также, длительные периоды работы двигателя повышают требования к надёжности. С другой стороны, у маршевого двигателя гарантированный срок работы до 3200 секунд (почти час!).

Немного о надежности

Семейство РБ "Бриз" эксплуатируется весьма активно:

• 4 полёта "Бриз-М" на "Протоне-К"
• 72 полёта "Бриз-М" на "Протоне-М"
• 16 полётов "Бриз-КМ" на "Рокоте"

Итого 92 полёта на 16 февраля 2014 года. Из них произошло 5 аварий (частичный успех с "Ямал-402" я записал в аварию) по вине блока "Бриз-М" и 2 по вине "Бриз-КМ" что даёт нам надёжность 92%. Рассмотрим причины аварий более подробно:

1. 28 февраля 2006, ArabSat 4A - преждевременный останов двигателя из-за посторонней частицы, попавшей в сопло гидротурбины (источник 1, источник 2), единичный производственный дефект.
2. 15 марта 2008, AMC-14 - преждевременный останов двигателя, разрушение высокотемпературного газопровода (источник), потребовалась его доработка.
3. 18 августа 2011, Экспресс-АМ4. Необоснованно «заужен» временной интервал подворота гиростабилизированной платформы, неправильная ориентация (источник), ошибка программистов.
4. 6 августа 2012, Telkom 3, Экспресс-МД2. Останов двигателя из-за засорения магистрали наддува (источник), производственный дефект.
5. 9 декабря 2012, Ямал-402. Останов двигателя из-за выхода из строя ТНА, сочетание неблагоприятных факторов температурного режима (источник)
6. 8 октября 2005, "Бриз-КМ", Cryosat, неразделение второй ступени и РБ, нештатная работа ПО (источник), ошибка программистов.
7. 1 февраля 2011, "Бриз-КМ", Гео-ИК2, нештатный импульс двигателя, предположительно из-за отказа системы управления, из-за отсутствия телеметрии точную причину установить невозможно.

Если проанализировать причины аварий, то с проблемами конструкции и ошибками проектирования связаны только две - прогар газопровода и нарушение охлаждения ТНА. Все прочие аварии, причина которых известна достоверно, связаны с проблемами качества производства и подготовки к пуску. Это неудивительно - космическая отрасль требует очень высокого качества работы, и ошибка даже рядового сотрудника может привести к аварии. Сам по себе "Бриз" не является неудачной конструкцией, однако, стоит отметить отсутствие запаса прочности из-за того, что для обеспечения максимальных характеристик РБ материалы работают близко к границе своей физической прочности.

Полетаем

Пора перейти к практике - отправиться вручную на геостационарную орбиту в Orbiter'е. Для этого нам потребуются:
Релиз Орбитера, если вы его ещё не скачали после прочтения первого поста, вот ссылка.
Аддон "Proton LV" скачать отсюда

Немного теории

Из всех параметров орбиты здесь нас будут интересовать три параметра: высота перицентра (для Земли - перигей), высота апоцентра (для Земли - апогей) и наклонение:

• Высота апоцентра - это высота самой высокой точки орбиты, обозначается как На.
• Высота перицентра - это высота самой низкой точки орбиты, обозначается как Нп.
• Наклонение орбиты - это угол между плоскостью орбиты и плоскостью, проходящей через экватор Земли (в нашем случае орбит вокруг Земли), обозначается как i.

Геостационарная орбита - это круговая орбита с высотой перицентра и апоцентра 35 786 км над уровнем моря и наклонением 0 градусов. Соответственно, наша задача разбивается следующие этапы: выйти на низкую околоземную орбиту, поднять апоцентр до 35 700 км, изменить наклонение до 0 градусов, поднять перицентр до 35 700 км. Изменять наклонение орбиты выгоднее в апоцентре, потому что там меньше скорость спутника, а, чем меньше скорость, тем меньшую delta-V надо приложить для её изменения. Одна из хитростей орбитальной механики состоит в том, что иногда выгоднее поднять апоцентр гораздо выше нужного, изменить наклонение там, и позже опустить апоцентр до нужного. Траты на подъем и спуск апоцентра выше нужного + изменение наклонения могут быть меньше, чем изменение наклонения на высоте нужного апоцентра.

План полёта

В сценарии с "Бризом-М" надо вывести "Sirius-4", шведский спутник связи, запущенный в 2007 году. За прошедшие годы его уже успели переименовать, теперь это "Астра-4А". План его выведения был такой:


Понятное дело, что мы, выходя на орбиту вручную, лишаемся точности автоматов, исполняющих расчеты баллистиков, поэтому наши параметры полёта будут с довольно большими ошибками, но это не страшно.

Этап 1. Выход на опорную орбиту

Этап 1 занимает время от запуска программы до выхода на круговую орбиту высотой примерно 170 км и наклонением 51 градус (тяжкое наследие широты Байконура, при пуске с экватора было бы сразу 0 градусов).
Сценарий Proton LV / Proton M / Proton M - Breeze M (Sirius 4)


От загрузки симулятора до отделения РБ от третьей ступени можно любоваться видами - всё делает автоматика. Разве что необходимо переключить фокус камеры на ракету с вида с земли (нажимать F2 до значений слева-сверху absolute direction или global frame).
В процессе выведения рекомендую переключиться на вид "изнутри" по F1, подготовиться к тому, что нас ждет:


Кстати, в Orbiter можно включить паузу по Ctrl-P, это может вам пригодиться.
Немного пояснений о значениях важных для нас показателей:


После отделения третьей ступени мы оказываемся на незамкнутой орбите с угрозой упасть в район Тихого океана, если мы будем действовать медленно или неверно. Для того, чтобы избежать такой печальной участи, нам следует выйти на опорную орбиту, для чего нам следует:

1. Остановить вращение блока нажатием кнопки Num 5. Т.н. режим KillRot (остановка вращения). После фиксации положения режим автоматически выключается.
2. Переключить вид назад на вид вперед кнопкой C.
3. Переключить индикатор лобового стекла в орбитальный режим (Orbit Earth сверху) нажатием кнопки H.
4. Клавишами Num 2 (поворот вверх), Num 8 (поворот вниз), Num 1 (поворот влево), Num 3 (поворот вправо), Num 4 (крен влево), Num 6 (крен вправо) и Num 5 (остановка вращения) повернуть блок по направлению движения с углом тангажа примерно 22 градуса и зафиксировать положение.
5. Начать процедуру запуска двигателя (сначала Num + , потом, не отпуская, Ctrl).

Если вы все сделаете правильно, картинка будет примерно такая:


После включения двигателя:

1. Создать вращение, которое зафиксирует угол тангажа (пара нажатий Num 8 и угол не будет заметно меняться).
2. В процессе работы двигателя удерживать угол тангажа в диапазоне 25-30 градусов.
3. Когда значения перицентра и апоцентра будут в районе 160-170 км, выключить двигатель кнопкой Num *.

Если всё прошло хорошо, будет что-то вроде:


Самая нервная часть закончилась, мы на орбите, упасть уже некуда.

Этап 2. Выход на промежуточную орбиту

Из-за низкой тяговооруженности, апоцентр до 35 700 км приходится поднимать в два этапа. Первый этап - это выход на промежуточную орбиту с апоцентром ~5000 км. Специфика проблемы - надо разгоняться так, чтобы апоцентр не оказался в стороне от экватора, т.е. надо разгоняться симметрично относительно экватора. В этом нам поможет проекция схемы выведения на карту Земли:


Картина для запущенного на днях Турксат 4А, но это неважно.
Подготовка к выходу на промежуточную орбиту:

1. Переключить левый многофункциональный дисплей в режим карты (Левый Shift F1, Левый Shift M).
2. С помощью ускорения времени (ускорить в 10 раз R, замедлить в 10 раз T) подождать до пролёта над Южной Америкой.
3. Сориентировать блок в положение по вектору орбитальной скорости (носом по направлению движения). Можно нажать кнопку [ , чтобы это делала автоматика, но здесь это не очень эффективно, лучше вручную.
4. Придать блоку вращение вниз для сохранения ориентации по вектору орбитальной скорости.

Должно получиться что-то вроде:


В районе широты 27 градусов надо включить двигатель, и, удерживая ориентацию по вектору орбитальной скорости, лететь до достижения апоцентра 5000 км. Можно включать ускорение 10х. По достижении апоцентра 5000 км, выключить двигатель.
[Музыка, по-моему, очень подходит к разгону на орбите]

Click to view

Если всё прошло хорошо, то получим что-то типа:


Этап 3. Выход на переходную орбиту

Очень похоже на этап 2:

1. С помощью ускорения времени (ускорить в 10 раз R, замедлить в 10 раз T, можно спокойно ускорять до 100х, 1000х не советую) подождать до пролёта над Южной Америкой.
2. Сориентировать блок в положение по вектору орбитальной скорости (носом по направлению движения).
3. Придать блоку вращение вниз для сохранения ориентации по вектору орбитальной скорости.
4. В районе широты 27 градусов надо включить двигатель, и, удерживая стабилизацию по вектору орбитальной скорости, лететь до достижения апоцентра 35700 км. Можно включать ускорение 10х.
5. Когда во внешнем топливном баке кончится топливо, сбросить его нажатием D. Запустить двигатель снова.

Сброс топливного бака, видна работа двигателей осаждения


Результат. Обратите внимание, я поторопился выключить двигатель, апоцентр 34,7 тысячи км. Это не страшно, для чистоты эксперимента оставим так.


Красивый вид

Этап 4. Изменение наклонения орбиты

Если вы всё делали с небольшими ошибками, то апоцентр будет в районе экватора. Порядок действий:

1. Ускоряя время до 1000х подождать подлёта к экватору.
2. Сориентировать блок перпендикулярно полёту, вверх, если смотреть с внешней стороны орбиты. Для этого подойдет автоматический режим Nml+, который активируется нажатием кнопки ;(она же ж)
3. Включить двигатель.
4. Если после маневра по обнулению наклонения останется топливо, можно потратить его на поднятие перицентра.
5. После окончания топлива кнопкой J отделить спутник, раскрыть его солнечные панели и антенны Alt-A, Alt-S

Начальная позиция перед маневром


После маневра

Этап 5. Самостоятельное выведение спутника на ГСО

У спутника есть двигатель, с помощью которого можно поднять перицентр. Для этого в районе апоцентра ориентируем спутник по вектору орбитальной скорости и включаем двигатель. Двигатель слабый, надо повторять несколько раз. Если всё будете делать правильно, у спутника ещё останется примерно 20% топлива на коррекцию возмущений орбиты. В реальности, воздействие Луны и других факторов приводит к тому, что орбита спутников искажается, и приходится тратить топливо на поддержание требуемых параметров.
Если у вас всё получилось, картинка будет примерно следующей:


Ну и небольшая иллюстрация того, что спутник на ГСО находится над одним местом Земли:


[Схема пуска Турксат 4А, для сравнения]






UPD: посоветовавшись с aykSpace, заменил уродливую самодельную кальку с Орбитеровских Prograde/Retrograde на реально существующий термин "по/против вектора орбитальной скорости"
UPD2: Со мной связался специалист по адаптации полезных нагрузок для "Бриза-М" ГКНПЦ им. Хруничева, добавил пару замечаний к статье:

1. На суборбитальную траекторию (начало этапа 1) в реальности выводится не 28 т, а чуть меньше 26, потому что РБ не заправляют полностью.
2. Гравитационные потери составляют всего 1-2%

Для навигации: серия постов по тегу "Orbiter"