Понять баллистику с четвертой попытки
01-04-2016 13:45
к комментариям - к полной версии
- понравилось!
[показать]zelenyikot
Тема "ЭкзоМарса" не отпускает. Космический аппарат успешно движется к Марсу, а все российское космическое сообщество смеется над фразой журналистов NewsRu и "Эха Москвы" про разгонный блок "Бриз-М", который сумел "только с четвертой попытки" осуществить запуск аппаратов. Одним предложением авторы одновременно расписались в своей ангажированности и полном непонимании вопроса.
[показать]
Баллистика космических полетов - это сложнейшая наука, полная математики, как и вся космонавтика. Однако я попытаюсь объяснить на пальцах, как сам понимаю, что же происходило в космосе 14 марта между 12:41, когда состоялся запуск ракеты "Протон-М", и 23:13, когда космический аппарат отделился от разгонного блока "Бриз-М".
Для начала некоторые азы орбитальной механики. Первая космическая скорость - это скорость, которую требуется набрать, чтобы выйти на орбиту вокруг какого-либо космического объекта. Выйти на орбиту - это значит лететь так быстро над его поверхностью чтобы не упасть на нее. Для Земли такая скорость составляет около восьми километров в секунду для низкой околоземной орбиты. Для кометы Чурюмова-Герасименко такая скорость около двух метров в секунду. Как можно догадаться, космическая скорость напрямую зависит от массы и силы притяжения объекта, вокруг которого мы пытаемся крутиться.
А еще, надеюсь, все знают, что с расстоянием сила притяжения падает. На высоте МКС, кстати, сила притяжения Земли составляет около 95% от той, что действует на нас с вами, и их невесомость родственна той, которая образуется в резко пикирующем самолете или падающем лифте. Собственно, орбитальный полет - это и есть постоянное падение.
Можно догадаться, что раз с расстоянием падает сила притяжения, медленнее будет орбитальная скорость когда мы летим дальше от объекта. Например, если б у Земли не было атмосферы, то для полета на уровне моря нам пришлось бы лететь со скоростью 7,9 км/с. На низкой околоземной орбите, там где не мешает атмосфера, уже хватает 7,81 км/с. А на геостационарной орбите, на высоте 36 тыс км, первая космическая равна 3,1 км/с.
[показать]
Вторая космическая скорость - это та, которую требуется набрать чтобы покинуть окрестности тела, у которого мы крутились с первой космической. Для того чтобы стартовать с низкой околоземной орбиты Земли нужно разогнаться до 11,2 км/с.
И тут мы возвращаемся к "ЭкзоМарсу". Когда он стартовал на "Протоне", то вышел на суборбитальную траекторию, т.е. его скорость была меньше первой космической. Это норма, "Протон-М" уже 100 раз так делал. Дальше уже работа "Бриза-М".
[показать]
Если бы у нас был небольшой спутник, и был запас по массе и габаритам, то можно было бы ломануться к Марсу напрямик - врубить форсаж и рвануть сразу до второй космической. Это мог бы сделать другой разгонный блок "ДМ". У него мощнее двигатель, зато топлива улетает больше. "Бриз-М" - это коммерческий разгонный блок, созданный в 90-е годы. Его задача с минимальными затратами вытянуть максимально большой груз. Поэтому "Бриз-М" в два раза меньше "ДМ". Но при этом вытягивает почти в полтора раза больше. И для этого он пользуется хитростями орбитальной баллистики под названием "Эффект Оберта".
Тут все просто...
[показать]
Шучу. Сильно упрощая, можно сказать, что эти хитрости знает практически любой, у кого было нормальное дворовое детство. На качелях раскачивались? Помните как делать "солнышко"? Значит поймете как работает "Бриз-М" и зачем ему "четыре попытки". Вспомните, что нужно чтобы до большой скорости раскрутить качели. Чтобы провернуть их одним махом нужно быть штангистом или профессиональным гимнастом. Но "солнышко" доступно любому ловкому и достаточно смелому десятилетнему пацану, только ему потребуется больше времени и больше движений - совсем как "Бризу-М".
Итак, "ЭкзоМарс" на суборбитальной траектории, производители "Протона" принимают поздравления и пьют чай, а производители "Бриза" переходят на валерьянку. Первое включение двигателей - разгонный блок с космическим аппаратом достигают первой космической скорости и выходят на круговую орбиту.
Второе включение двигателей - круговая орбита превращается в эллиптическую, на одном краю эллипса аппарат все еще пролетает на низкой орбите, а на другом конце эллипса удаляется от планеты и... замедляется. Это первое "движение качелей". Теперь когда нам еще выгоднее поддать скорости? Вспоминаем дворовое детство. Когда качели летят вниз и набирают максимальную скорость.
Точно так же на этапе максимального ускорения, ближе всего к Земле, "Бриз-М" снова поддает газу. Быстро проносится у нас над головами и снова выключает двигатели - экономит топливо.
[показать]
Но скорость прибавилась, эллипс увеличился, на дальнем его конце еще слабее сила притяжения, а на спуске выше скорость "падения" к Земле.
Снова сближение с планетой и четвертое включение двигателей. Вторая космическая преодолена, орбитальные качели набрали такую скорость, что срываются с оси и уносят своего "пилота" к Марсу.
[показать]
На все эти движения и потребовалось почти одиннадцать часов. Работа "Бриза" выполнена. Он уносится в межпланетное пространство вместе с "ЭкзоМарсом". После отделения аппарата, "Бриз" вроде бы еще раз включал двигатели чтобы гарантированно не врезаться по пути в "ЭкзоМарс" или даже в Марс.
Так Россия справилась со своей миссией на этом этапе, и пополнила "Бризом" группировку рукотворных астероидов, вращающихся вокруг Солнца между Землей и Марсом.
[показать]
Надеюсь теперь немного понятнее, как летают в космосе, и сколько инженерных и математических находок реализуется в космонавтике. За каждой операцией и каждой гайкой стоят десятки и тысячи человекочасов квалифицированной работы, которая обеспечивает изучение и освоение космоса.
Подробнее о процессе запуска "ЭкзоМарса" можно прочесть в блоге ESA
http://zelenyikot.livejournal.com/90025.html
вверх^
к полной версии
понравилось!
в evernote
[показать]zelenyikotТема "ЭкзоМарса" не отпускает. Космический аппарат успешно движется к Марсу, а все российское космическое сообщество смеется над фразой журналистов NewsRu и "Эха Москвы" про разгонный блок "Бриз-М", который сумел "только с четвертой попытки" осуществить запуск аппаратов. Одним предложением авторы одновременно расписались в своей ангажированности и полном непонимании вопроса.
[показать]Баллистика космических полетов - это сложнейшая наука, полная математики, как и вся космонавтика. Однако я попытаюсь объяснить на пальцах, как сам понимаю, что же происходило в космосе 14 марта между 12:41, когда состоялся запуск ракеты "Протон-М", и 23:13, когда космический аппарат отделился от разгонного блока "Бриз-М".
Для начала некоторые азы орбитальной механики. Первая космическая скорость - это скорость, которую требуется набрать, чтобы выйти на орбиту вокруг какого-либо космического объекта. Выйти на орбиту - это значит лететь так быстро над его поверхностью чтобы не упасть на нее. Для Земли такая скорость составляет около восьми километров в секунду для низкой околоземной орбиты. Для кометы Чурюмова-Герасименко такая скорость около двух метров в секунду. Как можно догадаться, космическая скорость напрямую зависит от массы и силы притяжения объекта, вокруг которого мы пытаемся крутиться.
А еще, надеюсь, все знают, что с расстоянием сила притяжения падает. На высоте МКС, кстати, сила притяжения Земли составляет около 95% от той, что действует на нас с вами, и их невесомость родственна той, которая образуется в резко пикирующем самолете или падающем лифте. Собственно, орбитальный полет - это и есть постоянное падение.
Можно догадаться, что раз с расстоянием падает сила притяжения, медленнее будет орбитальная скорость когда мы летим дальше от объекта. Например, если б у Земли не было атмосферы, то для полета на уровне моря нам пришлось бы лететь со скоростью 7,9 км/с. На низкой околоземной орбите, там где не мешает атмосфера, уже хватает 7,81 км/с. А на геостационарной орбите, на высоте 36 тыс км, первая космическая равна 3,1 км/с.
[показать]Вторая космическая скорость - это та, которую требуется набрать чтобы покинуть окрестности тела, у которого мы крутились с первой космической. Для того чтобы стартовать с низкой околоземной орбиты Земли нужно разогнаться до 11,2 км/с.
И тут мы возвращаемся к "ЭкзоМарсу". Когда он стартовал на "Протоне", то вышел на суборбитальную траекторию, т.е. его скорость была меньше первой космической. Это норма, "Протон-М" уже 100 раз так делал. Дальше уже работа "Бриза-М".
[показать]Если бы у нас был небольшой спутник, и был запас по массе и габаритам, то можно было бы ломануться к Марсу напрямик - врубить форсаж и рвануть сразу до второй космической. Это мог бы сделать другой разгонный блок "ДМ". У него мощнее двигатель, зато топлива улетает больше. "Бриз-М" - это коммерческий разгонный блок, созданный в 90-е годы. Его задача с минимальными затратами вытянуть максимально большой груз. Поэтому "Бриз-М" в два раза меньше "ДМ". Но при этом вытягивает почти в полтора раза больше. И для этого он пользуется хитростями орбитальной баллистики под названием "Эффект Оберта".
Тут все просто...
[показать]Шучу. Сильно упрощая, можно сказать, что эти хитрости знает практически любой, у кого было нормальное дворовое детство. На качелях раскачивались? Помните как делать "солнышко"? Значит поймете как работает "Бриз-М" и зачем ему "четыре попытки". Вспомните, что нужно чтобы до большой скорости раскрутить качели. Чтобы провернуть их одним махом нужно быть штангистом или профессиональным гимнастом. Но "солнышко" доступно любому ловкому и достаточно смелому десятилетнему пацану, только ему потребуется больше времени и больше движений - совсем как "Бризу-М".
Итак, "ЭкзоМарс" на суборбитальной траектории, производители "Протона" принимают поздравления и пьют чай, а производители "Бриза" переходят на валерьянку. Первое включение двигателей - разгонный блок с космическим аппаратом достигают первой космической скорости и выходят на круговую орбиту.
Второе включение двигателей - круговая орбита превращается в эллиптическую, на одном краю эллипса аппарат все еще пролетает на низкой орбите, а на другом конце эллипса удаляется от планеты и... замедляется. Это первое "движение качелей". Теперь когда нам еще выгоднее поддать скорости? Вспоминаем дворовое детство. Когда качели летят вниз и набирают максимальную скорость.
Точно так же на этапе максимального ускорения, ближе всего к Земле, "Бриз-М" снова поддает газу. Быстро проносится у нас над головами и снова выключает двигатели - экономит топливо.
[показать]Но скорость прибавилась, эллипс увеличился, на дальнем его конце еще слабее сила притяжения, а на спуске выше скорость "падения" к Земле.
Снова сближение с планетой и четвертое включение двигателей. Вторая космическая преодолена, орбитальные качели набрали такую скорость, что срываются с оси и уносят своего "пилота" к Марсу.
[показать]На все эти движения и потребовалось почти одиннадцать часов. Работа "Бриза" выполнена. Он уносится в межпланетное пространство вместе с "ЭкзоМарсом". После отделения аппарата, "Бриз" вроде бы еще раз включал двигатели чтобы гарантированно не врезаться по пути в "ЭкзоМарс" или даже в Марс.
Так Россия справилась со своей миссией на этом этапе, и пополнила "Бризом" группировку рукотворных астероидов, вращающихся вокруг Солнца между Землей и Марсом.
[показать]Надеюсь теперь немного понятнее, как летают в космосе, и сколько инженерных и математических находок реализуется в космонавтике. За каждой операцией и каждой гайкой стоят десятки и тысячи человекочасов квалифицированной работы, которая обеспечивает изучение и освоение космоса.
Подробнее о процессе запуска "ЭкзоМарса" можно прочесть в блоге ESA
http://zelenyikot.livejournal.com/90025.html
Комментарии (1):
Атронах_из_плоти
15-04-2016-17:19
удалить
zelenyikot В марте я опубликовал материал “Понять баллистику с четвертой попытки” где объяснил ошибочность заголовков некоторых СМИ, которые написали, что космический зонд “ЭкзоМарс” был запущен разгонным блоком “Бриз-М” с “четвертой попытки”. В описании принципов орбитальной механики я сам допустил несколько ошибочных утверждений, но с помощью читателей разобрался, и теперь рассказываю.
Многим понравилась аналогия с качелями, которую я привел когда рассказывал о процессе поэтапного набора скорости космическим аппаратом. Однако, надо учесть, что это сходство внешнее. За набор скорости качелями и спутником отвечают различные физические законы.
Главный фактор обеспечивающий ускорение качелей - не отталкивание ногами, а отклонение нашего тела, и этот процесс описывается уравнением маятника. Амплитуда качания качелей увеличивается путем удлинения и укорочения маятника, частью которого на качелях становится наше тело. Отталкивание ногами тоже может вносить вклад, обеспечивая реактивную силу, но эта прибавка незначительна и вполне можно обойтись без нее.
В случае с космосом физические процессы работают другие. Набор скорости при выведении разгонным блоком “Бриз-М” обеспечивается “эффектом Оберта”. Суть его в том, что набирать скорость тем выгоднее чем ближе к планете мы движемся. Соответственно, в этот момент "Бриз-М" и запускал ракетные двигатели и набирал скорость.
[показать]
Вторая моя ошибка была в утверждении, что невесомость получают в пикирующем самолете. Это представление у меня сформировалось когда я недостаточно внимательно читал о деятельности авиалаборатории, в которой космонавты готовятся к условиям космоса.
Для получения невесомости самолет действительно проходит этап снижения, но это завершающая часть маневра.
При выполнении фигуры “горка” человек оказывается в невесомости, когда центробежная сила, вызванная маневром и подъемом самолета, компенсирует силу притяжения Земли. Т.е. людей в самолете запускают по баллистической траектории, как катапультой. Подобный момент можно пережить как раз во время выполнения “солнышка” на качелях, в верхней точке траектории.
[показать]
Такой же эффект на секунду переживает ребенок, которого папа подбрасывает в воздух. Возможно это является причиной почему дети хотят стать космонавтами?
[показать]
В свое оправдание могу сказать, что в Википедии изложено такое же неполное описание процесса.
В состоянии свободного падения человек тоже может ощутить себя в невесомости, но лучше падать в лифте, чтобы ощущениям не мешал встречный поток воздуха. Собственно в состоянии “падения в лифте” и находятся космонавты на станции или в корабле.
Еще я указал, что на высоте МКС сила притяжения на 5% меньше чем на Земле. Тут тоже неточность, в действительности на экипаж МКС действует около 89% той силы притяжения, что действует на нас.
Для того чтобы добраться до полного нуля силы тяжести надо удалиться намного дальше от Земли. Формально, гравитационное поле планеты нигде не заканчивается, хотя по факту, на некотором удалении, ослабленное поле планеты уже компенсируется гравитационными полями других тел.
Например, ближайшее место, где должна быть “настоящая” невесомость - это точка Лагранжа L1 между Землей и Луной. Там сила притяжения Земли равна силе притяжения Луны. Хотя солнечная гравитация там никуда не денется, поэтому невесомость будет такой же природы, как и для космонавтов на орбите Земли.
Опять-таки между Землей и Солнцем есть такая же точка, где силы притяжения Земли и Солнца взаимоподавляются. Подобные точки Лагранжа есть в системах различных космических тел, и некоторые из них активно используются космонавтикой.
Например точка Лагранжа L1 системы Солнце-Земля используется солнечными обсерваториями. Это позволяет им держать Солнце под неусыпным наблюдением.
А космический аппарат NASA DSCOVR может оттуда же наблюдать Землю с необычного ракурса - он всегда смотрит на планету в полдень.
В точку L1 системы Земля-Луна NASA вынашивает планы доставки небольшого астероида, чтобы потом слетать к нему астронавтам.
Еще стоит отметить, что “точки Лагранжа” являются точками только в математическом смысле. Фактически же, космические аппараты, “подвешенные” в этих точках, движутся по замысловатой траектории называемой “Гало орбитой”, которая намного больше околоземной орбиты, поэтому не стоит опасаться столкновения, если в одной "точке" собрано несколько аппаратов.
[показать]
http://zelenyikot.livejournal.com/92314.html
Многим понравилась аналогия с качелями, которую я привел когда рассказывал о процессе поэтапного набора скорости космическим аппаратом. Однако, надо учесть, что это сходство внешнее. За набор скорости качелями и спутником отвечают различные физические законы.
Главный фактор обеспечивающий ускорение качелей - не отталкивание ногами, а отклонение нашего тела, и этот процесс описывается уравнением маятника. Амплитуда качания качелей увеличивается путем удлинения и укорочения маятника, частью которого на качелях становится наше тело. Отталкивание ногами тоже может вносить вклад, обеспечивая реактивную силу, но эта прибавка незначительна и вполне можно обойтись без нее.
В случае с космосом физические процессы работают другие. Набор скорости при выведении разгонным блоком “Бриз-М” обеспечивается “эффектом Оберта”. Суть его в том, что набирать скорость тем выгоднее чем ближе к планете мы движемся. Соответственно, в этот момент "Бриз-М" и запускал ракетные двигатели и набирал скорость.
[показать]Вторая моя ошибка была в утверждении, что невесомость получают в пикирующем самолете. Это представление у меня сформировалось когда я недостаточно внимательно читал о деятельности авиалаборатории, в которой космонавты готовятся к условиям космоса.
Для получения невесомости самолет действительно проходит этап снижения, но это завершающая часть маневра.
При выполнении фигуры “горка” человек оказывается в невесомости, когда центробежная сила, вызванная маневром и подъемом самолета, компенсирует силу притяжения Земли. Т.е. людей в самолете запускают по баллистической траектории, как катапультой. Подобный момент можно пережить как раз во время выполнения “солнышка” на качелях, в верхней точке траектории.
[показать]Такой же эффект на секунду переживает ребенок, которого папа подбрасывает в воздух. Возможно это является причиной почему дети хотят стать космонавтами?
[показать]В свое оправдание могу сказать, что в Википедии изложено такое же неполное описание процесса.
В состоянии свободного падения человек тоже может ощутить себя в невесомости, но лучше падать в лифте, чтобы ощущениям не мешал встречный поток воздуха. Собственно в состоянии “падения в лифте” и находятся космонавты на станции или в корабле.
Еще я указал, что на высоте МКС сила притяжения на 5% меньше чем на Земле. Тут тоже неточность, в действительности на экипаж МКС действует около 89% той силы притяжения, что действует на нас.
Для того чтобы добраться до полного нуля силы тяжести надо удалиться намного дальше от Земли. Формально, гравитационное поле планеты нигде не заканчивается, хотя по факту, на некотором удалении, ослабленное поле планеты уже компенсируется гравитационными полями других тел.
Например, ближайшее место, где должна быть “настоящая” невесомость - это точка Лагранжа L1 между Землей и Луной. Там сила притяжения Земли равна силе притяжения Луны. Хотя солнечная гравитация там никуда не денется, поэтому невесомость будет такой же природы, как и для космонавтов на орбите Земли.
Опять-таки между Землей и Солнцем есть такая же точка, где силы притяжения Земли и Солнца взаимоподавляются. Подобные точки Лагранжа есть в системах различных космических тел, и некоторые из них активно используются космонавтикой.
Например точка Лагранжа L1 системы Солнце-Земля используется солнечными обсерваториями. Это позволяет им держать Солнце под неусыпным наблюдением.
А космический аппарат NASA DSCOVR может оттуда же наблюдать Землю с необычного ракурса - он всегда смотрит на планету в полдень.
В точку L1 системы Земля-Луна NASA вынашивает планы доставки небольшого астероида, чтобы потом слетать к нему астронавтам.
Еще стоит отметить, что “точки Лагранжа” являются точками только в математическом смысле. Фактически же, космические аппараты, “подвешенные” в этих точках, движутся по замысловатой траектории называемой “Гало орбитой”, которая намного больше околоземной орбиты, поэтому не стоит опасаться столкновения, если в одной "точке" собрано несколько аппаратов.
[показать]http://zelenyikot.livejournal.com/92314.html
Комментарии (1):
вверх^
Вы сейчас не можете прокомментировать это сообщение.
Дневник Понять баллистику с четвертой попытки | Атронах_из_плоти - Астрономия для всех |
Лента друзей Атронах_из_плоти
/ Полная версия
Добавить в друзья
Страницы:
раньше»