Моделирование посадки на луну

Обновлено: 19.09.2024

После весомых дебатов и рассмотрения заявок троих потенциальных участников конкурса, было решено, что NASA отдаёт предпочтение компании Илона Маска Spaсe X.

Соперниками известного уже всему миру изобретателя и миллиардера И.Маска были компании "Blue Origin" и "Dynetics".

Похоже, на динамику положительного решения в пользу компании Space X повлияла цена запрашиваемая компанией на создание двух "лунных модулей" и проведение двух "лунных миссий" (меньше чем у их прямых конкурентов), да и последние успехи в сфере освоения космоса.

Как известно, успешный полет корабля Crew Dragon на международную космическую станцию показал, что частные лаборатории и работающие в них инженеры под руководством Илона Маска могут добиваться успеха в деле разработки и пуска космических кораблей.

К тому же в NASA неусыпно следят за разработкой большого корабля Starship Lunar, которым последние пять лет плотно занимается компания Илона Маска - на свои финансовые средства!

Получается, что главный "лунный модуль" спускаемый на Луну будет разработан единолично компанией Space X.

В первичны разработках по лунному полету участвовали все три вышеназванные компании. Где каждой из компаний было доверено произвести и внедрить в дело освоения Луны свои разработки.

На эти разработки, от NASA было положено финансирование на каждую компанию.

Команда National Team (которая и есть та самая Blue Origin) получила от аэрокосмического агентства финансирования на своё оборудование в количестве 580 млн.$. Другая фирма - Dynetics, получила на свои разработки 252 млн.$.

А вот компания Илона Маска довольствовалась малым - видимо ей было заказано наименьшее количество оборудования. Компания Space X получила от NASA на первом этапе работ по "Лунной программе" - 135 млн.$.

Ожидалось всеми,что и работа над так называемыми "Лунными модулями" пройдет под союзом трех фирм ,каждой из которых достанет ся какой-нибудь заказ на детали.

Но руководство NASA решило по своему - и отдало весь заказ на лунные модули компактно в одни руки.

Это показывает насколько в NASA ужа доверяют И.Маску в решительности выполнения поставленных задач.

Лунная программа "Артемида" разрабатываемая в США, сейчас в полном разгаре.

Американцами было заявлено ,что уже в 2024-ом году пуск новой лунной ракеты и полет людей на Луну.

Но пока что наблюдатели видят, что возможно эти сроки будут скорее всего сдвинуты немного вперёд - по более удаленным в будущее датам.

Не всё так гладко обстоит у разработчиков с пуском самой главной -
Большой лунной ракеты.

Но Илон Маск стремится не отступать, и испытания и пуски ракеты Starship проходят фактически ежемесячно, а то и раз в две недели.

Посмотрим, куда заведет новая "лунная эпопея" команду специалистов из NASA, в сотрудничестве с Илоном Маском! ))

Давненько у меня не было новых постов по Orbiter'у. Поэтому сегодня мы поговорим о штатном аппарате игры под названием Delta-glider, а также, взлетев с Земли, слетаем на лунную базу. Несмотря на фантастичность задания, оно должно быть достаточно любопытным — задача торможения и посадки на Луну не такая простая, как это может показаться. Дело в том, что у Луны нет атмосферы, поэтому тормозить придется двигателями.

Delta-glider

Масса пустого: 11 тонн обычный, 13 тонн модификация с гиперзвуковыми прямоточными воздушно-реактивными двигателями. Примерно столько весит пустой МиГ-29.
Масса топлива: 13 тонн.
Длина: 17,76 м.
Размах крыла: 17,86 м. Такие длина и размах крыла сравнимы со средними бомбардировщиками ВОВ (Do-17) или штурмовиком A-10.
Тяга маршевых двигателей: 2*160 кН (чуть больше РД-0124)
Удельный импульс маршевых двигателей: ~4000 с. Такими параметрами обладают ЯРД, не зря на модели аппарата у двигательного отсека значок радиационной опасности.

Также аппарат имеет подъемные двигатели, которые позволяют совершать вертикальные взлет и посадку, и крылья, позволяющие маневрировать в атмосфере. Сочетание этих свойств делает Дельта-глайдер отличным аппаратом для обучения и полетов для удовольствия.

Подготовка к полёту

Кроме самого Orbiter'а никаких аддонов не нужно.

План полёта

Старт с Земли и выход на низкую круговую орбиту.
Совмещение плоскостей орбит.
Разгон к Луне.
Выход на орбиту Луны.
Совмещение плоскости орбиты с местом посадки.
Торможение и посадка.

Используемые определения

Этап 1. Старт с Земли и выход на низкую круговую орбиту

DG-S — это версия с воздушно-реактивными двигателями, нам они не нужны, но этот сценарий удобен тем, что мы уже стоим на взлетно-посадочной полосе.

Для управления маневрами корабля используется цифровая клавиатура. В начале сценария двигатели ориентации выключены, и кнопки цифровой клавиатуры управляют только аэродинамическими поверхностями — элеронами и рулями направления. Перед взлетом установим триммер руля высоты до упора вверх, нажав и удерживая Delete над блоком курсорных клавиш. Запускаем маршевый двигатель и фиксируем его, нажав Num+ и, не отпуская, Ctrl. При полностью поднятом триммере Дельта-глайдер взлетит самостоятельно.

После взлета убираем шасси (G) и начинаем разворот на азимут 90°. Почему 90°? В этом случае мы будем разгоняться в направлении вращения Земли, и наклонение нашей орбиты будет равно широте места старта (~30° для мыса Канаверал, откуда мы взлетели). После разворота устанавливаем угол тангажа 30°, манипулируя триммером (Insert — вниз, Delete — вверх).

С ростом высоты воздух будет становиться реже, и триммеров станет недостаточно для поддержания постоянного тангажа 30°. Включим двигатели ориентации, нажав кнопку ROT слева-сверху и поддерживая угол тангажа в режиме стабилизации KillRot (Num 5). Но на высоте ~20 км этот режим перестанет нормально справляться. Можно помогать триммерам активным управлением (удобнее, если у вас есть джойстик). Но самый изящный вариант — это поворот маршевых двигателей. Дело в том, что у Дельта-глайдера, как и у многих современных ракет, маршевые двигатели могут поворачиваться на карданном подвесе, создавая управляющий момент. Для того, чтобы изменить угол поворота двигателей, переключаем кокпит в режим 2D (нажимая F8). Управление вертикальным углом двигателей слева-сверху, нажатие на желтые точки изменяет положение обоих двигателей сразу:

Продолжаем разгон до тех пор, пока на орбитальном индикаторе высота апоцентра не составит 200 км. По достижении этого параметра выключаем двигатели нажатием Num *.

Переводим индикатор на лобовом стекле в орбитальный режим (кнопка H) и занимаем положение по вектору орбитальной скорости (носом вперед) — кнопка [ или PROGRD внизу.

Теперь мы можем не только разгоняться по Num+ но и тормозить по Num-. Тормозные двигатели менее мощные, чем маршевые, но ими удобно пользоваться для выполнения точных маневров.

Итак, мы на низкой орбите Земли. Эта орбита устойчивая, поэтому рекомендую сохраниться, нажав Ctrl-S. Сохранения лежат в папке Quicksave сценариев:

Этап 2. Совмещение плоскостей орбит

В районе узла начинаем разгон. Такой большой угол означает, что потребуется несколько маневров.

После первого маневра угол уменьшился в два раза. Повторяем на восходящем узле. Для того, чтобы не было скучно ожидать узла, воспользуйтесь ускорением времени — кнопка T ускоряет время в 10 раз, R — замедляет в 10 раз. Не злоупотребляйте ускорением, при включенном режиме автоматической ориентации корабль может закувыркаться на ускорении больше 1000х.
После второго или третьего маневра относительный угол будет стремиться к 0:

Этап завершен, не забудьте сохраниться.

Этап 3. Разгон к Луне

Совмещаем точку нашего ожидаемого положения с точкой ожидаемого положения Луны.

Параметр DTe — это время до начала маневра. DV — необходимое приращение скорости. Нам стоит начать разгон за некоторое время до достижения точки маневра, чтобы хотя бы частично скомпенсировать боковую составляющую разгона по вектору орбитальной скорости:

Не забудьте заранее занять положение по вектору орбитальной скорости. Разгоняемся:

Очень важно запомнить наше ускорение — 11,8 м/с^2. Это то ускорение, с которым мы будем тормозить у Луны, и оно пригодится нам для расчетов.

Разгон закончен. Для перелета Земля-Луна такая точность вполне достаточна, дополнительная коррекция не требуется. Не забудьте сохраниться.

Этап 4. Выход на орбиту Луны

Готовимся к перелету к Луне. Стабилизируем аппарат режимом KillRot. Он выключится автоматически, и мы сможем спокойно ускорять время.
Чтобы не было скучно, включаем музыку:

В процессе перелета к Луне рекомендую обратить внимание на взаимное положение нас и Луны. Сначала мы её обгоним, но ближе к апоцентру наша скорость станет практически незаметной, и уже Луна догонит нас. Всё по второму закону Кеплера. При подлете к Луне обратите внимание на изменение нашей орбиты — Луна находится сзади нас и тормозит наше движение вперед своей гравитацией.

Необходимо произвести маневр коррекции траектории. Для этого поворачиваем корабль на 90° вправо от направления движения (в интерфейсе есть угломерные инструменты). Почему вправо? Маркер направления нашего движения находится справа от центра Луны, так нам придется меньше маневрировать. Но при желании можно смещаться влево, вверх или вниз. Автопилота для этого режима нет, надо будет удерживать курс 90° вправо вручную. Начинаем маневр:

Когда высота перицентра составит 40-80 км, заканчиваем маневр.

Незадолго до перицентра занимаем положение против вектора орбитальной скорости (кормой вперед) и тормозим, переходя на круговую орбиту:

Отлично, мы на низкой круговой орбите вокруг Луны. Не забудьте сохраниться.

Этап 5. Совмещение плоскости орбиты с местом посадки

Зеленая линия — наша траектория. Нда, так мы на Брайтон Бич никак не попадем. Надо менять наклонение орбиты, чтобы пролететь над базой. Для этого занимаем положение NML+ или NML- по нормали к вектору орбитальной скорости вверх или вниз (для орбиты с почти нулевым наклонением это неважно) и изменяем наклонение орбиты до тех пор, пока зеленая нить траектории не пройдет над базой. Изменять наклонение орбиты лучше не в любой точке, а в районе 90° широты слева или справа от базы. Одна клетка на карте — это 30° широты и долготы.

Убедиться что мы точно прицелились.
Снизить орбиту до 10-15 км.

Масштаб карты меняется кнопками ZM+ и ZM-. Режим сопровождения корабля включается кнопкой TRK.
После этого не забудьте сохраниться. Начинается самое интересное — мы идём на посадку.

Этап 6. Торможение и точная посадка

Рекомендую сохраниться километров за 500 от базы.
За 106 км начинаем торможение. После того, как станет заметной вертикальная скорость, начнем её парировать подъемными двигателями (Num 0 — увеличить тягу, Num . — уменьшить тягу). Не допускайте большой вертикальной скорости и большого вертикального ускорения!

Затормозили. Выключаем маршевые двигатели, продолжаем плавно снижаться на подъемных двигателях.

Внизу уже видна база. Целимся маркером направления движения на неё, постепенно снижаем поступательную и вертикальную скорости и выпускаем шасси:

Главное — двигаться плавно, не делать резких движений. Двигатели ориентации можно переключить в режим смещения (Num /) для точного маневрирования.

Осталось совсем чуть-чуть. Обратите внимание на то, что скорость почти погашена.

Можно переключиться на внешний вид по F1, чтобы лучше контролировать процесс посадки.

Рекомендую сохранить сценарий — потом может захотеться слетать, например, к Марсу, а с Луны взлёт и выход на орбиту проще.

Заключение

Не знаю, доживем ли мы до настоящей лунной базы, но такой виртуальный полёт — интересное приключение. И познавательное.
Если хочется что-то изучить глубже, есть переведенный на русский язык мануал. Ну и другие посты серии Orbiter.

Встреча космического аппарата с Луной, если не будут приняты специальные меры, должна привести к его разрушению вследствие удара о поверхность Луны. Попробуем выяснить величину скорости соударения.

Пусть полет происходит по полуэллиптической траектории с начальной скоростью 11,09 км/с, сообщаемой у поверхности Земли в направлении ее вращения (траектория 3 на рис. 63). В апогее в момент достижения орбиты Луны расстояние космического аппарата от Земли будет составлять 60 земных радиусов. Согласно формуле (6) § 5 гл. 2 скорость аппарата в этот момент будет равна причем движение будет происходить в ту же сторону, куда движется Луна. Но скорость Луны равна Поэтому относительная скорость сближения космического аппарата с нагоняющей его Луной составит

С такой скоростью аппарат ударился бы о поверхность Луны, если бы Луна не притягивала его. Сфера действия Луны нагоняет аппарат в тот момент, когда он приближается к своему апогею. При этом скорости аппарата и Луны имеют почти одинаковые направления. Поэтому можно считать, что начальная селеноцентрическая скорость движения космического аппарата внутри сферы действия Луны (селеноцентрическая скорость входа в сферу действия) равна По формуле (3) § 4 гл. 2, учитывая, что начальное расстояние равно мы сможем вычислить скорость аппарата на расстоянии радиуса Луны (1737 км), т. е. в момент удара. Она оказывается равной 2,5 км/с.

Если увеличить скорость отлета с Земли, то еще сильнее увеличится скорость космического аппарата на подходе к Луне. Если, например, полет совершается по параболической траектории с начальной скоростью то аппарат в момент пересечения границы сферы действия Луны будет иметь скорость порядка 1,3-1,6 км/с [3.1], т.е. увеличение скорости отлета с Земли

всего лишь на 1% (по сравнению с минимальной скоростью) приводит к увеличению скорости на границе сферы действия Луны в 64-8 раз. К тому же Луна теперь будет двигаться не вдогонку аппарата, а наперерез ему. В результате относительная скорость входа аппарата в сферу действия Луны составит Соответственно скорость падения на поверхность Луны по формуле (3) гл. 2 составит

Как видим, с увеличением начальной скорости скорость падения на Луну заметно увеличивается, хотя и не в такой степени, как скорость встречи со сферой действия Луны.

Попутно отметим примечательное свойство селеноцентрических траекторий внутри сферы действия Луны-. Скорость освобождения от лунного притяжения на границе сферы действия Луны равна (ее можно подсчитать по формуле (10) § 5 гл. 2). Следовательно, даже минимальная селеноцентрическая скорость входа в сферу действия ( более чем вдвое превышает параболическую. Поэтому селеноцентрические траектории внутри сферы действия всегда представляют собой ярко выраженные гиперболы.

Благополучная посадка на Луну автоматической станции требует полного или почти полного погашения скорости ее падения. Так как Луна не обладает атмосферой, то единственным способом погашения скорости является торможение с помощью ракетного двигателя.

Запас топлива для тормозной двигательной установки (ТДУ) должен содержаться на борту космического аппарата. Каков этот запас? Бхли предположить, что характеристическая скорость торможения (скорость, которая гасится, плюс гравитационные потери) равна а скорость истечения продуктов сгорания также равна то согласно формуле Циолковского масса космического аппарата при начале торможения должна быть в 2,7 раза больше массы в конце торможения, т. е. топливо должно составлять 63% массы аппарата.

Чтобы затраты топлива на торможение были минимальны, необходимо вывести автоматическую станцию на траекторию полета к Луне с минимальной начальной скоростью. При этом, как мы видели, скорость, которую надо погасить, равна

Чтобы уменьшить количество топлива, затрачиваемое на торможение, теоретически выгоднее всего начинать гасить скорость на минимальном расстоянии от Луны. Чем дольше происходит

торможение, тем больше гравитационные потери (тормозной Двигатель должен не только погасить уже имеющуюся скорость, но и дольше препятствовать ее дальнейшему возрастанию под действием притяжения Луны). Ограничением здесь является то, что чересчур быстрое торможение вблизи Луны может привести к столь большим перегрузкам, что они разрушат научную аппаратуру или погубят космонавтов. Нецелесообразно также разбивать торможение на несколько активных участков (например, первый расположить на высоте над Луной), так как это только увеличило бы энергетические затраты.

Здесь действует общий принцип механики космического полета: всегда выгоднее расходовать топливо вблизи от небесного тела, чем вдали от него.

Управление при посадке должно осуществляться бортовой автономной системой, так как точность слежения за движением аппарата с Земли недостаточна и вдобавок сигналы с Земли будут запаздывать (радиосигнал от Земли до Луны и обратно идет 2,5 с). Лишь первый сигнал о начале маневров по спуску может даваться с Земли [3.91. Тормозная двигательная установка не может включаться по сигналу программного временного устройства, находящегося на борту космического аппарата, так как ничтожная ошибка в величине начальной скорости отлета с Земли, равная, например, приведет к ошибке во времени встречи с Луной на 100 с, и торможение начнется на нерасчетной высоте, поскольку аппарат за это время пролетит примерно [3.10].

При мягкой посадке после полного или почти полного погашения скорости основным двигателем могут включаться

При разгоне с орбиты станция получила скорость, обеспечивавшую достижение Луны через 3,5 сут. Благодаря этому в момент прилунения станция должна была быть наблюдаема с Земли высоко над горизонтом. Как видно из графика на рис. 69, траектория полета была близка к траекториям минимальной скорости. Скорость соударения с Луной, которую нужно было погасить при посадке, равнялась Ее можно было бы уменьшить, уменьшив скорость схода с околоземной орбиты, но это привело бы к большей чувствительности траектории перелета к ошибкам и, как следствие, к возрастанию количества топлива для коррекции, от чего полезная нагрузка станции только бы уменьшилась.

Обработка траекторных измерений показала, что станция должна пройти на расстоянии примерно от центра Луны. Понадобилась коррекция траектории, которая была проведена 1 февраля в мин на расстоянии от Луны. Перед

коррекцией система ориентации остановила вращение станции и, используя в качестве опорных светил Солнце, Землю и Луну, разверя нула станцию в положение, при котором ось бортового двигателя приняла заданное направление. Корректирующий импульс равнялся Одновременно с запуском двигателя была включена система стабилизации, удерживавшая станцию в заданном положении, пока действовала тяга двигателя. Корректирующий двигатель работал с весьма высокой точностью (при ошибке в величине приращения скорости на или в направлении на место встречи с Луной отклонилось бы на

Чтобы была погашена скорость сближения станции с Луной, ось тормозного двигателя должна быть расположена вдоль вектора скорости, соплом вперед. Ориентация станции в таком направлении была бы легко достигнута, если бы падение на Луну происходило вертикально по траектории, проходящей через центр Луны, так как оптические средства позволяют легко определить направление на центр видимого со станции диска Луны, т. е. построить лунную вертикаль.

Проведем через центр Луны О (рис. 78) прямую, параллельную вектору скорости соударения в точке до пересечения ее в точке В с гиперболой падения на Луну. Заставим ось тормозного двигателя расположиться в точке В по лунной вертикали и пусть при последующем движении до точки А система ориентации будет удерживать космический аппарат в заданном положении, так что аппарат будет перемещаться поступательно. Таким путем в точке А тяга двигателя сможет быть направлена необходимым образом

(фактически точка А включения двигателя находится, конечно, на некоторой высоте, незначительной по сравнению с расстоянием

Рис. 78. Способ ориентации оси тормозного двигателя по вектору скорости соударения с Луной.

На расстоянии 15—20 тыс. км от Луны начал проводиться последний сеанс астроориентации станции. На высоте за час до падения на Луну станция была сориентирована по лунной вертикали и далее перемещалась поступательно до момента достижения высоты На этой высоте за 48 с до посадки по командному сигналу от радиовысотомера (ось его параболической антенны была параллельна оси двигателя) был включен тормозной двигатель. (Перед этим от станции были отделены два отсека, ненужные при посадке.) Работа двигателя продолжалась до того момента, когда автоматическая обработка (интегрирование) показаний акселерометра, измеряющего реактивное ускорение, показала, что расчетная скорость сближения с Луной погашена. На высоте примерно основной двигатель был выключен, и дальнейшее гашение скорости, а также стабилизация станции при спуске производились с помощью малых ракетных двигателей.

Когда станция оказалась на высоте специально выдвинутый штыревой датчик соприкоснулся с лунной поверхностью, что послужило сигналом к отделению и отбрасыванию лунной станции от тормозной установки. В результате станция прилунилась несколько в стороне, опустившись на не поврежденный выхлопными газами участок. Скорость посадки составляла Свойства грунта Луны до этого полета были неизвестны, и поэтому станция была заключена в амортизирующее устройство — эластичную оболочку, которая перед прилунением надувалась сжатым газом и должна была предохранить станцию от удара и при скальном и при песчаном грунте. Подпрыгнув несколько раз, надутая оболочка остановилась и распалась на две части, которые были отброшены через 4 мин, и станция оказалась на грунте [3.13]. Прилунение

произошло 3 февраля 1966 г. в 21 ч. 45 мин 30 с в небольшом углублении в районе Океана Бурь. После посадки раскрылись 4 передающих лепестковых антенны, одновременно стабилизировавших станцию на поверхности, и 4 принимающих штыревых антенны.

а основной тормозной двигатель сбрасывался. Верньерные двигатели постепенно переводили движение аппарата на вертикаль, уменьшали скорость до на высоте и поддерживали ее постоянной (реактивное ускорение в точности равнялось ускорению лунного притяжения до высоты после чего выключались. Аппарат падал на поверхность, отклоняясь от вертикали не более чем на 5°, со скоростью от 3 до Удар смягчался тремя костылями-амортизаторами. Вся операция посадки продолжалась 2 мин. В момент посадки масса аппарата составляла примерно из которых на научную аппаратуру приходилось

Рассмотренные нами программы мягкой посадки на Луну соответствуют случаю так называемой прямой посадки, т. е. посадки, не сопровождающейся предварительным выходом на орбиту спутника Луны. Посадки с окололунной орбиты будут рассмотрены в § 5 гл. 10 и § 5 гл. 12. Они, в частности, необходимы для достижения тех областей Луны, которые недоступны при прямой посадке.

Общая масса	Масса научной аппаратуры*	Скорость приема данных	Скорость исходящих данных	Максимальная дальность связи	Срок службы
1540 кг	30** кг	не менее 128 кбит/с	не менее 64 кбит/с	до 410 000 км	1 год

* – включая руку-манипулятор и служебную телесистему

** – данное значение было приведено до сокращения числа научных приборов

Этап полета от старта до прибытия к Луне займет 5 суток. Прибыв к спутнику Земли, аппарат затормозит при помощи собственной двигательной установки и выйдет на круговую околополярную орбиту высотой 100 км. После этого он проведет измерение фактических параметров орбиты и выполнит один или два маневра для формирования посадочной орбиты с перицентром высотой 12-18 км и апоцентром высотой 90-110 км. Перицентр должен находиться над местом будущей посадки с погрешностью не более 7° по истинной аномалии. По техническим причинам допускается существование аппарата на орбите искусственного спутника Луны сроком от 4 до 7 суток.

На восьми витках посадочной орбиты планируется серия измерений (4-6 интервалов) для уточнения орбитальных параметров и расчета полетного задания.

На конец декабря 2016 года выбрано одно основное и два резервных места посадки, а точный район должен быть утвержден учеными (т. е. ИКИ РАН) в 2017 году. Тем не менее, есть свои требования и у разработчиков посадочного аппарата. В частности, имеет значение высота Солнца над горизонтом, поскольку основным источником энергии для аппарата являются солнечные батареи, и наклон площадки. Не допускается угол наклона поверхности в месте посадки более 10°.

Наименование района посадки	Координаты
Основной (к северу от кратера Богоуславского)	69,5° ю.ш. 43,5° в.д.
Резервный (на юго-запад от кратера Манцини)	68,8° ю.ш. 21,2° в.д.

Посадка должна произойти с вертикальной скоростью от 1,5 до 3 м/с, горизонтальной скоростью не более 1 м/с и углом отклонения продольной оси от гравитационной вертикали не более 7°. Планируемая точность посадки – эллипс размером 30x15 км.

1. Подготовительный участок. Ориентация аппарата по звездным датчикам с использованием бесплатформенных инерциальных блоков.
2. Участок управления КА с проведением калибровки нулевых сигналов углоизмерительных и акселерометрических каналов измерений.
3. Участок переориентации с калибровкой масштабных коэффициентов углоизмерительных каналов.
4. Участок успокоения космического аппарата.
5. Участок переориентации аппарата в положение, соответствующее включению корректирующего тормозного двигателя.
6. Участок включения доплеровского измерителя скорости и дальности, проверки его работоспособности и работоспособности других бортовых систем.
7. Участок последовательного выполнения участков основного торможения, свободного падения, повторного торможения и участка спуска с постоянной скоростью.

Читайте также: