Интересно и познавательно: разгонный блок «Бриз-М. Российский разгонный блок "бриз-м"

Разгонный блок «Бриз-М» предназна­чен для повышения возможностей ракет-носителей тяжелого класса типа «Ангара А5», «Протон-К»,
«Протон-М» как по массе полезной нагрузки, выводимой в широком диапазоне орбит, так и по предоставляемо­му объему зоны полезной нагрузки.

Разгонный блок «Бриз-М» имеет ком­пактную компоновку. Он состоит из цен­трального блока и окружающего его то­роидального сбрасываемого дополни­тельного блока топливных баков.

Рисунок 1 - Схема выведения КА с помощью РБ «Бриз-М»

Марше­вый жидкостной ракетный двигатель 14Д30 установлен в нише внутри топлив­ного бака центрального блока и облада­ет возможностью многократного включе­ния. Жидкостные ракетные двигатели малой тяги, работающие на тех же ком­понентах топлива, что и маршевый двигатель, обеспечивают ориентацию и стабилизацию РБ на пассивных участках ав­тономного полета, а также осаждение топлива в баках при повторных запусках маршевого двигателя.

Установленная в приборном отсеке, находящемся на верхней части централь­ного блока, инерциальная система управ­ления осуществляет управление полетом разгонного блока и его бортовыми систе­мами. Разгонный блок «Бриз-М» оснащен также системой энергопитания и аппара­турой для сбора телеметрической информации и внешнетраекторных измерений.

Выведение КА осуществляется с помощью разгонного блока (РБ) «Бриз-М». Для оптимизации энергетических затрат предложена схема полета РБ на целевую орбиту с пятью включениями маршевого двигателя (МД) раз-

гонного блока.

Первое включение МД РБ выполняет­ся через 93 секунды после отделения от РН, в результате чего осуществляется вы­ход орбитального блока (ОБ) на опорную орбиту.

Второе включение МД производится в районе узла опорной орбиты и обеспечивает формиро­вание промежуточной орбиты, в перигее которой через виток осуществляется тре­тье и четвертое включение МД, в резуль­тате которых орбитальный блок выво­дится на переходную орбиту. В паузе между третьим и четвертым включениями МД осуществляется сброс дополнитель­ных топливных баков (ДТБ) разгонного блока. Четвертое включение МД выполня­ется через 125 с после окончания третье­го включения МД. Полет по переходной и промежуточной орбитам осуществляется с закруткой ОБ вокруг продольной оси.

Рисунок 2 – РБ «Бриз-М» на испытаниях в МИКе

Основные характеристики РБ «Бриз-М»:

Габаритные размеры, м:

Длина, м 2 654

Диаметр, м 4

Сухая масса, м 2 665

Компоненты топлива:

Окислитель: Азотный тетроксид

Горючее: НДМГ

Масса заправленного топлива, кг

Окислитель: 13 26

Горючее: 6660

Маршевый двигатель: 14Д30

Тяга, кН 20

Удельный импульс тяги, Н*с/кг 3255


Пятое включение МД РБ закрепляет ОБ на целевой орбите и производится в районе апогея переходной орбиты.

Перед отделением КА орбитальный блок разворачивается в положение для от­деления КА, которое определено требова­ниями Заказчика. Отделение КА произво­дится через 700 с после выключения МД на целевой орбите.

Разрыв механических связей между КА и РБ в процессе разделения производится по стыку КА с переходной системой. После раз­рыва стяжной ленты КА с помощью пружинных толка­телей отталкивается от РБ с относительной скоростью 0,75 м/с.

После отделения КА и проведения сеанса измере­ния параметров орбиты разгонный блок уводится из рабочей зоны КА и пе­реводится в безопасное со­стояние (сбрасывается дав­ление из всех емкостей).

Общая продолжитель­ность выведения от момен­та старта ракеты-носителя до отделения КА составляет 33020 секунд (~ 9 ч 10 мин).

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 ( , ), единичный производственный дефект.
  2. 15 марта 2008, AMC-14 - преждевременный останов двигателя, разрушение высокотемпературного газопровода (), потребовалась его доработка.
  3. 18 августа 2011, Экспресс-АМ4. Необоснованно «заужен» временной интервал подворота гиростабилизированной платформы, неправильная ориентация (), ошибка программистов.
  4. 6 августа 2012, Telkom 3, Экспресс-МД2. Останов двигателя из-за засорения магистрали наддува (), производственный дефект.
  5. 9 декабря 2012, Ямал-402. Останов двигателя из-за выхода из строя ТНА, сочетание неблагоприятных факторов температурного режима ()
  6. 8 октября 2005, «Бриз-КМ», Cryosat, неразделение второй ступени и РБ, нештатная работа ПО (), 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. 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.
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


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 , 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%

Теги:

  • космонавтика
  • Orbiter
  • бриз-м
Добавить метки

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.

Разработчиком разгоннных блоков семейства Бриз является ФГУП «Государственный космический научно-производственный центр имени М.В.Хруничева». 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.



Блоки семейства «Бриз» отличаются очень плотной компоновкой:





Особенности технических решений:

  • 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. Двигатель, который, работая, излучает тепло, находится очень близко к бакам и трубопроводам.

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!).


Тактико-технические характеристики разгонного блока “Бриз-КМ”

  • Состав - Моноблок с коническим баковым отсеком и маршевым двигателем, расположенным в нише бака “Г”.
  • Применение - в составе РН “Рокот” в качестве III ступени
  • Основные особенности - Возможность маневрирования в полете.
  • Начальная масса, т - 6.475
  • Заправляемый запас топлива (АТ+НДМГ), т - до 5.055
  • Тип, количество и тяга в пустоте двигателей:
    • ЖРД 14Д30 (1 шт.), 2.0 тс (маршевый),
    • ЖРД 11Д458 (4 шт.) по 40 кгс (двигатели коррекции),
    • 17Д58Э (12 шт.) по 1.36 кгс (двигатели ориентации и стабилизации)
  • Максимальное время автономного полета, час. - 7
  • Год первого полета - май 2000 г.

Тактико-технические характеристики разгонного блока “Бриз-М”

  • Состав - Разгонный блок, состоящий из центрального блока на базе РБ «Бриз-КМ» и окружающего его сбрасываемого дополнительного топливного бака тороидальной формы.
  • Применение - в составе РН “Протон-М”, РН “Ангара-А3” и “Ангара-А5”
  • Основные особенности
    • предельно малые габариты;
    • возможность выведения тяжелых и крупногабаритных КА;
    • возможность длительного функционирования в полете
  • Начальная масса, т - до 22.5
  • Заправляемый запас топлива (АТ+НДМГ), т - до 20
  • Число включений маршевого двигателя - до 8
  • Максимальное время автономного полета, час. - не менее 24 (по ТТЗ)

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. R , замедлить в 10 раз T ) подождать до пролёта над Южной Америкой.
  3. Сориентировать блок в проградное (носом по направлению движения) положение. Можно нажать кнопку [ , чтобы это делала автоматика, но здесь это не очень эффективно, лучше вручную.
  4. Придать блоку вращение вниз для сохранения проградного положения

Должно получиться что-то вроде:


В районе широты 27 градусов надо включить двигатель, и, удерживая проградное положение, 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

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 проградное (носом по направлению движения) положение.
  3. Придать блоку вращение вниз для сохранения проградного положнения.
  4. В районе широты 27 градусов надо включить двигатель, и, удерживая проградное положение, 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 перицентра ориентируем спутник проградно 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



Москва. 22 октября. INTERFAX.RU - Разгонный блок «Бриз-М», виновный в августовской аварии космических аппаратов «Экспресс-МД2» и Telkom 3, разрушился на околоземной орбите, и теперь его обломки представляют потенциальную угрозу безопасности Международной космической станции (МКС). «Распад произошел 16 октября. При этом образовалось порядка пяти объектов, которые разошлись по орбитам с высотами от 5 тысяч км, до 250 км. В зону потенциального риска входит большое количество космических аппаратов, в том числе Международная космическая станция, которая летает на высоте около 400 км», - сообщил «Интерфаксу » источник в ракетно-космической отрасли. Он отметил, что это был не взрыв - «просто „Бриз-М“ разделился на отсеки».

По словам собеседника, несмотря на распад «разгонника», контроль безопасности полета МКС ведется в обычном режиме, поскольку на трассе полета станции отслеживаются и другой «космический мусор». «Просто в списке потенциально опасных объектов появились новые элементы», - сказал собеседник. Говоря о спутниках «Экспресс-МД2» и Telkom 3, собеседник агентства рассказал, что они пока находятся на высоких и устойчивых орбитах. «Говорить об исходящей от них угрозе или о возможности их падения на Землю в ближайшее время не приходится», - сказал он.

В то же время в подмосковном Центре управления полетами «Интерфаксу» рассказали, что обломки разрушенного разгонного блока «Бриз-М» пока не представляют угрозы МКС. «Элементы, образовавшиеся от распада „Бриза-М“, угрозы МКС в настоящий момент не представляют», - сказал представитель ЦУПа, отметив, что осколки действительно находятся на высотах, близких к высоте орбиты станции.

Ранее ведущий научный сотрудник Института космических исследований РАН Натан Эйсмонт, сообщил «Интерфаксу », что разгонный блок «Бриз-М», находящийся на нерасчетной орбите после аварии со спутниками «Экспресс-МД2» и Telkom 3, может перегреться и взорваться, оставив после себя облако металлических обломков. «Разгонный блок не выполнил до конца программу полета, поэтому в нем осталось около половины из первоначальных 20 тонн топлива. Трудно сказать, к чему это приведет, но не исключено, что от перегрева солнечным светом топливо может взорваться», - сообщил он.

По его словам, такие случаи уже были в истории мировой космонавтики. Чаще другой космической техники на орбите взрываются третьи ступени ракет, входящие в атмосферу с остатками топлива.

Как пояснил НЭйсмонт, при штатном завершении работы разгонного блока, из него стравливаются остатки топлива, но в случае аварии этого не происходит. «В этом случае с разгонным блоком может произойти все что угодно», - сказал он.

У «Бриз-М», отметил специалист, предусмотрено обеспечение теплового режима, но не на длительный срок. Создать же режим теплозащиты, подставляя Солнцу то одну, то другую сторону разгонного блока не получится, поскольку нет возможности им управлять, рассказал Эйсмонт.

Он не исключил такие варианты развития событий, как детонация топлива от перегрева или возгорание легковоспламеняющегося топлива в случае нарушения герметичности бака. Направление разброса обломков разгонного блока при взрыве будет зависеть от многих условий, и сказать, на каком расстоянии от места детонации рассеются обломки, не представляется возможным.

Ракета-носитель «Протон-М» с разгонным блоком «Бриз-М» и двумя спутниками связи - российским «Экспресс-МД2» и индонезийским Telkom 3 стартовала 6 августа с космодрома Байконур. Ракета-носитель отработала штатно. Дальнейшее выведение спутников должно было производиться за счет четырех включений маршевой двигательной установки разгонного блока.

Третье включение продолжалось меньше положенного. Спутники были выведены на нерасчетную орбиту. Аварийная комиссия пришла к выводу, что авария произошла из-за засорения магистрали наддува дополнительных топливных баков горючего разгонного блока «Бриза-М». Из-за аварии было сменено руководство ГКНПЦ им. Хруничева - разработчика и производителя разгонного блока.