Посадка шаттла на землю
Обновлено: 02.07.2024
Авторизуясь в LiveJournal с помощью стороннего сервиса вы принимаете условия Пользовательского соглашения LiveJournal
Перед входом в плотные слои атмосферы шаттл движется к земле около часа с высокой скоростью.
1. На высоте 274 км шаттл разворачивается и включает реактивные двигатели для снижения скорости двигаясь к земле все ближе и ближе. Далее шаттл снова разворачивается и выключает двигатель, начинается планирование, все управление автоматическое.
2. 120 км шаттл задирает нос для гашения скорости, также выполняет несколько виражей. В это время обшивка разогревается до 1000 градусов по Цельсию. Разогретый воздух на некоторое время обрывает связь с ЦУПом.
60 км На этой высоте взорвался челнок Коламбия
3. 24 км Шаттл делает разворот на местом посадки
4. 14 км Шаттл идет на ручном управление до посадочной полосы
5. Нос кверху, посадка
6. Выстреливает тормозной парашют.
Для сравнения глиссада шаттла идет под углом 18 градусов, в то время как пассажирский самолет идет по глиссаде в 3 градуса.
Ну и небольшое видео пришедшее на ленты пару часов назад
18 градусов - Хьюстон, покажите мне того кто решил, что это нормально! :)))
Неописуемая красота и восторг! В детстве мне нравилось бросать кирпичи в лужу - если кирпич падал плашмя, считалось большой удачей. А тут - раз за разом!
В общем, небольшая оговорка: выступление будет всего 20 минут.
Таким образом, у меня есть только время, чтобы дать вам приблизительное понятие о том, как устроена посадка.
Если вы хотите летать на настоящем Шаттле, пожалуйста убедитесь, что вы прочитали инструкцию по применению. Кроме того, вам понадобится машина времени, так как последний шаттл приземлился более пяти лет назад.
Теперь они обитают в музеях и никак не смогут взлететь. Тем не менее, я, как и все вы, последние пять лет нахожусь в состоянии отрицания этого факта. Особенно ты, Стив Фельдман. Так что, в моем мире шаттл до сих пор летает и мы просто будем использовать настоящее время для этого разговора.
Итак, давайте начнем. Наша цель состоит в том, чтобы приземлиться на взлетно-посадочной полосе (далее — ВПП) в Космическом центре Кеннеди во Флориде, но давайте предположим, что теперь мы пролетаем по орбите над Южной Америкой со скоростью 27700 км [в час] в неверном направлении.
Ну, мы не можем просто развернуться. Изменение направления на орбите требует сумасшедших энергетических затрат. Так что же нам делать?
В принципе, ничего. Так получается, что Земля вращается, что означает, что Космический центр Кеннеди сам придет к нам, стоит только подождать.
Так что на этом обороте, когда мы прилетим к Космическому центру Кеннеди, мы просто остановимся! Оно всегда так делает.
Оказывается, что мы по-прежнему летим со скоростью свыше 27700 км/ч. Чтобы вы представляли насколько это быстро, ВПП, на которую мы собираемся приземляться имеет длину в 4500 метров. Это приблизительно 40-45 футбольных полей, в зависимости от того, что вы считаете футбольным полем.
Это одна из самых длинных ВПП в мире, но при нашей текущей скорости, мы пролетим по всей ее длине всего за шесть десятых секунды. Мы могли бы добраться из Нью-Йорка в Лондон всего за 12 минут. Так что нам нужно затормозить. Сильно.
Что ж, у шаттла отличные двигатели с кучей мощности, чтобы замедлить нас. Так давайте просто снова их запустим! Кхм… здесь становится… немного неловко. Понимаете, мы, как бы, остались без топлива. В нашу защиту скажем, что запуск, на самом деле, дорогое мероприятие. Вот эти два ускорителя по бокам, они сжигают 1,1 миллиона фунтов или пятьсот тысяч килограмм твердого топлива всего за две минуты, а затем мы просто выбрасываем их.
Этот большой оранжевый внешний бак содержит еще 1,6 миллиона фунтов, или семьсот двадцать пять тысяч килограммов жидкого топлива для трех главных двигателей Шаттла, но после восьмиминутного пуска, они тоже опустели. Так что мы должны выкинуть и их. Пока!
Всё, что у нас осталось — эти крохотные маневровые орбитальные двигатели, которые вместе производят менее 1% от тяги главных двигателей. Они не смогут замедлить нас со скорости 27700 км/ч, но есть одна уловка.
На самом деле, нам не нужно тормозить так сильно. Если мы замедлимся всего на 360 км/ч то этого будет достаточно, чтобы начать падать в атмосферу, где сопротивление воздуха может сделать остальную работу.
Таким образом, мы сжигаем топливо для схода с орбиты, что занимает около трех минут, используя орбитальные маневровые двигатели. После этого мы просто собираемся дрейфовать около получаса, прежде чем достигнем атмосферы. Но мы не можем войти в атмосферу задом-наперёд!
Прежде всего, мы будем выглядеть смешно, НО что, возможно, важнее, сопротивление воздуха так велико, что в конце концов мы расплавимся. Тогда, мы задираем угол атаки до 40 градусов. Это угол между тем направлением, куда вас влечет скорость и тем, куда направлен нос корабля.
При таком угле, наш легкоплавкий алюминиевый корпус может быть защищён с помощью более чем 20 000 кремниевых плиток, а также этими усиленными углерод-углеродными панелями на носу и переднем крае крыльев.
Занимательный факт: поверхности орбитального аппарата, которые нагреваются, покрыты этими термическими пластинами, а также тканью из номекса, которая покрывает крылья и
грузовые двери. Всё это совсем не похоже на обычный самолет, но ладно, вернемся к спуску.
Итак, если все пойдет хорошо, мы должны соприкоснуться с первыми слоями атмосферы на высоте 122 км приблизительно в 8000 км от нашего места посадки.
Это всё хорошо, но через несколько минут появляется некоторая проблема. У нас есть крылья! И крылья создают подъемную силу, и, по мере погружения в более плотный воздух, они генерируют столько подъемной силы, что мы вообще-то начнем снова подниматься и покидать атмосферу.
Это не очень хорошо. Нам вообще-то нужно продолжать спускаться. Что ж, мы могли бы задирать нос еще выше… Это увеличило бы сопротивление и уменьшило подъёмную силу, но мы рискуем перегреться, превысить нагрузки или просто потерять контроль над орбитальным аппаратом.
Итак, мы не можем изменить наш угол атаки, что означает, что мы не можем изменить сколько подъемной силы мы генерируем. Однако, мы можем изменить направление этой силы. Она не обязана быть направлена вверх.
Но это поднимает интересный вопрос: как быстро мы хотим опускаться? По сути, вход в атмосферу — большая проблема распределения энергии. У нас есть много скорости и много расстояния для преодоления. Цель состоит в том, чтобы уменьшить скорость таким образом, чтобы преодолеть нужную дистанцию.
Если мы замедлимся слишком быстро, мы не долетим до места посадки, а если мы затормозим слишком медленно, мы проскочим прямо мимо Космического центра Кеннеди и потерпим крушение в Атлантическом океане, что тоже плохо. Таким образом, мы выяснили, что для того, чтобы управлять спуском нам просто нужно изменить угол крена. Но как мы будем контролировать торможение (как быстро мы замедляемся)?
Вспомните, в первую очередь мы замедляемся, потому что мы сталкиваемся с воздухом. Если мы хотим тормозить сильнее, всё что нам нужно — это всего лишь больше воздуха. И где же больше воздуха? Конечно, ниже в атмосфере — она становится плотнее по мере вашего спуска.
Так что мы вроде как определили правильные инструменты для управления замедлением, потому что если мы накренимся сильнее, то мы будем опускаться быстрее, как вы уже знаете. Тогда мы скорее достигнем плотного воздуха, а плотный воздух поможет нам сильнее замедлиться.
И наоборот, дать меньший крен, то мы не будем спускаться так быстро, поэтому мы будем дольше находиться в разреженном воздухе, что означает, что торможение будет происходить медленнее.
Это фото возвращения последнего Шаттла в ходе миссии STS-135. Кое-что интересное об этом свечении при вхождении: технически, это не огонь, хотя очень похоже. Это, на самом деле, горячий газ, который так горяч, что электроны отрываются от своих атомов и молекул, и они начинают светиться, этот мягкий оранжевый цвет. Это другое состояние материи, называемое плазмой, которое, даже если вы никогда не слышали о нём, вы видели его постоянно, в виде неоновых знаков, молнии, и самое главное — Солнце является большим светящимся шаром плазмы.
Теперь, пока мы замедляемся, мы получаем меньше этой плазмы, и мы получаем меньше тепла, поэтому мы меньше беспокоимся о плавлении. Но мы всё больше и больше озабочены просто падением через воздух. Мы правда превращаемся из космического корабля в самолёт.
Со скоростью в 13000 км/ч мы начинаем опускать нос, понижая наш угол атаки. Тогда при скорости в 2750 км/ч, мы переключаемся в совсем другой режим управления, называемый Управление Энергией в Терминальной Зоне, или TAEM.
Теперь мы летаем как самолёт. Очень плохой самолет. У нас нет двигателей, но мы функционируем примерно как самолет. Мы задираем нос, чтобы контролировать нашу скорость спуска.
Мы кренимся, чтобы повернуть, и у нас ещё есть эта штука, сбрасывающая скорость, которая может открываться и закрываться, чтобы помочь нам контролировать нашу скорость полёта.
Также, до этого момента мы летели на автопилоте. Автопилот управляется пятью этими резервными компьютерами, каждый с целым мегабайтом памяти. Вы бы не смогли поместить туда даже одно фото с телефона, но Шаттлом он управлял довольно хорошо.
Но при приближении к ВПП Командир берет на себя управление, этот режим называется CSS, т.е. Управление Рычагом-Штурвалом (не каскадные таблицы стилей). Тем не менее, Шаттл управляется машинно, на самом деле это означает, что компьютеры контролируют всё не останавливаясь. Даже во время CSS компьютер просто притворяется, что дал людям полетать, прямо как в рутинной жизни.
Примечание: ни один пилот Шаттла не хочет, чтобы его называли вторым пилотом. Это просто оскорбительно. В общем, в левом сидении у нас сидит командир, который управляет полётом. А в правом кресле, у нас сидит пилот. И не летает.
Я не совсем уверен, что NASA не сделали это, чтобы запутать СМИ, потому что срабатывает очень хорошо.
Но вернёмся к ТАЕМ. TAEM проводит нас за осевую линию ВПП, а затем по этой воображаемой спирали, называемой Конусом Выравнивания Курса. Если всё прошло хорошо, мы будем выровнены с ВПП и будем планировать с высоты в 3000 метров.
Его ласково называют летающим кирпичом.
Астронавты NASA тренируются в модифицированном самолёте Гольфстрим II, который, чтобы моделировать неаэродинамичность Шаттла летает с выпущенными шасси и с двигателями на обратной тяге.
Таким образом, нам понадобится спуск, чуть более подходящий для кирпича с углом наклона в 20 градусов, скоростью в 555 км/ч и со скоростью снижения более 3050 метров в минуту.
Чтобы предоставить вам контекст, насколько это высокая скорость снижения 3050 метров в минуту, это примерно 190 км/ч. Это критическая скорость для скайдайвера в свободном падении.
Очевидно, мы так не приземлимся, так что на высоте 600 метров, мы начинаем поднимать нос до состояния, называемого предпосадочным манёвром. Мы тратим энергию, которая у нас есть в виде скорости полёта в обмен на уменьшение нашей сумасшедшей скорости снижения. Шасси выпускаются на 91 метре.
Мы дожидаемся последней минуты, так как шасси вызывают сильное сопротивление, и после их выпуска в полёте, их уже не поднять. Мы пересекаем ВПП всего в 8 метрах, скорость полёта падает как бешеная. Касание происходит при скорости в 410 км/ч, тормозной парашют развернут, нос постепенно опускается вниз.
Всего через час и пять минут после нашего тормозного манёвра на обратной стороне планеты мы посадили Space Shuttle.
Естественно. Откуда ещё вы бы его сажали?
Я покажу вам, как это выглядит с точки зрения пилота, потому как лётчик, я думаю, что это самая крутая вещь в принципе.
Конечно, никто из тех, кому я это показывал, не соглашается с тем, что это самая крутая вещь в истории, но я надеюсь, Стив согласится.
Это ночная посадка STS-115. Мы летим вокруг Конуса Выравнивания Курса прямо сейчас. Мы смотрим через зрительный дисплей пилота. Это все вот эти мигающие зелёные цифры. Слева указана скорость полёта. У нас примерно 260-270 узлов. Справа указана высота. Сейчас мы идём ниже 8500 метров. Совсем скоро сверху, вы увидите восточное побережье Флориды появляющееся в поле зрения.
Это огни к югу от Космического центра Кеннеди.
В самом центре экрана есть квадрат с эдаким нечётким бриллиантом, исходящим из него. Этот бриллиант показывает наш курс. В общем, командир, по сути, сейчас пытается привести эту коробку на алмаз, и это позволит держать Шаттл на правильном пути снижения и по Конусу Выравнивания Курса. Кстати, эта коробка превратится в круг через некоторое время… Это не очень важно. Ну, это важно, но я не хочу объяснять, как. В нижней части, которая теперь исчезла, потому что управление открыто, судя по всему, здесь эта штука, там написано: CSS, и выше написано HDG, т.е. курс. Это Конус Выравнивания Курса, и справа есть горизонтальная линия с парой треугольников, указывающих на неё. Верхний треугольник изображает воздушный тормоз, где он сейчас находится. Он открыт примерно на семьдесят процентов, и нижний треугольник показывает, куда компьютер хочет его поставить, что совпадает в данный момент. Вы увидите, как он делает корректировки, по мере движения, и он сделает большую корректировку на 900-х метрах (незадолго до посадки).
Вот ВПП появляется в поле зрения, и от 3000 метров. Я просто дам астронавтам говорить за себя, потому что мне кажется, это гораздо интереснее. Главный голос, что вы будете слышать — это пилот, говорящий с командиром во время посадки.
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, 30% скидка для пользователей Хабра на уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от $20 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Начнем с того, что во всех своих полетах при сходе с орбиты бОльшую часть времени Шаттл также летел в автоматическом режиме. Вот типичная траектория схода с орбиты (см. Space Shuttle Avionics System):
Командир брал на себя управление на высоте менее 50 тысяч футов, когда скорость челнока уже становилась дозвуковой. Обычно это делалось перед финальным разворотом на взлетно-посадочную полосу (ВПП), heading alignment cylinder на иллюстрации ниже, когда до посадки оставалось несколько минут:
Мог ли автопилот Шаттла работать вплоть до самой посадки? В конце концов, посадка уже подлетающего к ВПП летательного аппарата не являлась на тот момент такой уж сложной. Первая автоматическая посадка самолета была совершена в далеком 1937 году, на модифицированном самолете C-14B:
В 1957 году были впервые проведены экспериментальные автоматические посадки самолета F3D Skyknight на авианосец USS Antietam -- в общей сложности пятьдесят посадок при различных погодные условия. А с 1965 года начались рутинные автоматические посадки самолетов Hawker Siddeley HS 121 Trident, которые эксплуатировались авиакомпанией British European Airways.
Так вот. Как следует из вышеупомянутого документа Space Shuttle Avionics System, полная автоматическая посадка Шаттла была доступна вплоть до касания ВПП (стр. 25). Более того, она испытывалась в первых полетах Шаттла: так, в миссии STS-3 (1982г.) Шаттл снижался на автопилоте до высоты в 40-60 метров. Траектория полета была расчетной вплоть до момента когда командир принял на себя управление. А вот после вмешательства астронавта чуть не произошла авария из-за человеческого фактора: изначально Роберт Лаусма отключил автопилот только по крену, но не по тангажу. Второй астронавт подсказал ему это в последние моменты перед касанием, и слегка запаниковавший Лаусма перекомпенсировал: на этом видео отлично видно как "колбасит" Шаттл прямо перед посадкой, и сразу после касания ВПП (смотреть с 2:00).
Впрочем самое смешное тут то, что сфероконический спорщик из первого параграфа таки прав: несмотря на все вышенаписанное, Шаттл и впрямь не мог садиться автоматически. Но причина тому заключается не в невозможности американцев сделать нормальный автопилот, а в том, что без человека на борту челнок не смог бы выпустить шасси и тормозной парашют. Я не шучу: по настоятельным требованиями астронавтов, влияние которых в американской пилотируемой космонавтике было велико с времен "Меркурия", приводы выпуска шасси и тормозного парашюта была "завязаны" на рычаги в кабине и не контролировались бортовым компьютером. Таким образом астронавты исключили для "яйцеголовых" из НАСА или вояк из ВВС возможность использовать челнок в качестве непилотируемой ракеты-носителя. Их можно понять -- они шли в отряд космонавтов дабы летать в космос, и не собирались дать какой-то машине себя заменить.
Разумеется, при желании решалось это элементарно: шасси можно выпускать по команде альтиметра (собственно астронавты и дергали за рычаг выпуска шасси в момент снижения до определенной высоты), тормозной парашют можно выпускать по обжатию шасси. Но из-за противодействия астронавтов это все так и не было сделано вплоть до последнего полета Шаттла. Вроде как после катастрофы "Колумбии" в рамках Contingency Shuttle Crew Support собирались все же делать автоматическую посадку, но до этого руки так и не дошли, ибо Шаттл все равно уже уходил на пенсию. Так что первую полностью автоматическую посадку американского орбитального самолета совершил уже полностью беспилотный X-37B.
И ещё из той же дискуссии:
Guidance software during TAEM generates the necessary commands to enable the vehicle to achieve the proper A/L conditions by following an energy/weight versus range profile. During TAEM, as the name implies, the goal is to manage the vehicle's energy while the orbiter travels around an imaginary arc called the heading alignment cone (HAC). A HAC is an imaginary cone that when projected on the Earth, lies tangent to the extended runway centerline.
The guidance software performs the TAEM function as follows:
• S-Turns: If the vehicle is high on energy, it dissipates the excess by turning away from the HAC until the proper energy conditions are met.
• HAC Acquisition: Turns the vehicle toward the targeted tangent point on the HAC and flies to this point.
• Heading Alignment: Flies the vehicle around the HAC to the point at which the HAC is tangent to the runway centerline, called the nominal energy point (NEP).
• Prefinal: From the NEP, flies the vehicle down the runway centerline until the proper A/L conditions (airspeed, altitude, flight path angle, distance off centerline) are met.
Фаза возвращения подразделяется на три отдельных этапа, на каждом из которых выдвигаются свои требования к программному обеспечению:
• Этап ENTRY продолжается от EI-5 [Entry Interface minus 5 min] до момента, когда аппарат достигнет скорости 2500 футов в секунду (на высоте 83,000 футов).
• Этап TAEM [Terminal Area Energy Management: управления энергией в пограничной зоне] начинается со скорости 2500 футов в секунду и продолжается до зоны захода и приземления, то есть, когда аппарат находится на глиссаде и осевой линии взлетно-посадочной полосы, ниже высоты 10,000 футов, и его воздушная скорость находится в рабочих пределах.
• Этап захода и приземления (A/L) начинается в зоне захода и приземления и продолжается до остановки колес после приземления. Программное обеспечение подсистемы Guidance во время фазы возвращения выполняет различные задачи во время каждого из этапов ENTRY, TAEM и A/L. Во время этапа ENTRY подсистема Guidance старается удержать аппарат на траектории, которая обеспечивает защиту от чрезмерных температур, динамического давления и центробежных сил (Nz). Для этого система отправляет на исполнительные органы команды для полета с определенным профилем сопротивления / ускорения, проводя таким образом аппарат по узкому коридору, ограниченному, с одной стороны, высотой и скоростью, требуемыми для достижения необходимой дальности (для того, чтобы достичь взлетно-посадочной полосы), и, с другой стороны, пределами по температуре, давлению и динамическим нагрузкам.
Во время TAEM подсистема Guidance генерирует необходимые команды, позволяющие аппарату достичь надлежащих условий A/L, следуя профилю зависимости дальности от энергии и веса. Как следует из названия, во время TAEM цель состоит в том, чтобы управлять энергией аппарата, пока он движется по воображаемой дуге, называемой Конусом Выравнивания Курса [Heading Alignment Cone, HAC; в ранних миссиях – Heading Alignment Cylinder]. HAC - это воображаемый конус, который при проецировании на Землю проходит по касательной к удлиненной осевой линии взлетно-посадочной полосы.
Подсистема Guidance выполняет функцию TAEM следующим образом:
• S-образные манёвры: если энергия аппарата слишком высока, он будет рассеивать её излишки, отворачивая от HAC до тех пор, пока не будут выполнены надлежащие энергетические условия.
• Захват HAC: аппарат поворачивается к целевой точке касания на HAC и летит к этой точке.
• Выравнивание курса: Аппарат облетает вокруг HAC до точки, в которой HAC касается осевой линии взлетно-посадочной полосы, называемой Номинальной Энергетической Точкой [Nominal Energy Point, NEP].
• Предварительный заход: от NEP [Guidance] ведёт аппарат по осевой линии взлетно-посадочной полосы до тех пор, пока не будут выполнены надлежащие условия для захода и приземления (воздушная скорость, высота, угол траектории полета, отклонение от осевой линии).
Режим захода и приземления подсистемы Guidance запускается, когда аппарат находится на высоте около 10,000 футов (на расстоянии 5,8 или 6,3 морских миль от порога взлетно-посадочной полосы) и приближается к нужной высоте, воздушной скорости и углу внешней глиссады (20° или 18° в зависимости от веса аппарата). Подсистема Guidance подаёт команды, чтобы аппарат придерживался осевой линии взлетно-посадочной полосы и крутой [внешней] глиссады примерно до 2000 футов, после чего выполняется маневр предвыравнивания, чтобы перевести аппарат на пологую [внутреннюю] глиссаду (уклон 1.5°). Окончательное выравнивание инициируется между 30 и 80 футами (в зависимости от скорости снижения), снижая скорость снижения до 3 футов в секунду – для приземления. На этом этапе подсистема Guidance генерирует команды, удерживающие аппарат у осевой линии взлетно-посадочной полосы.
Особенно далеко в процессе тестирования зашёл экипаж миссии STS-3, где автопилот оставался в работе вплоть до высоты 125 футов (~40 метров). На эту тему, кстати, Кирилл vakhnenko опубликовал как-то довольно подробный пост. Интересно, что в ходе тестирования командир STS-3 намеренно вносил возмущения в ориентацию снижающегося корабля, кратковременно переходя в ручной режим, чтобы посмотреть, насколько хорошо система справится с возвращением корабля на курс после переключения обратно в автоматический режим.
источник - sergeich_vl
[2 ссылок 58 комментариев 2350 посещений]
читать полный текст со всеми комментариями
Читайте также: