Prototype this по-русски - выпуск сорок gпервый. Ракетная посадка
Что меня в этом действительно интересует, так это то, как они строят вертикаль...
Дело в том, что поскольку центр тяжести находится существенно выще управляющего органа (ракетного двигателя), коррекция вертикального положения ракеты требует больших качаний нижней части. Что означает высокую горизонтальную скорость движения посадочных опор относительно земли в момент касания, если в этот же самый момент требуется коррекция вертикальности корпуса ракеты. Земля как бы ставит ракете подножку, и скорее всего для ракеты и посадочных опор - точнее, сперва для опор, а потом для ракеты - это закончится очень хреново... Если бы двигатели были расположены в верхней части, то коррекция вертикальности положения ракеты осуществлялась бы амплитудным движением верхней части, что привело бы к значительно меньшим качаниям низа ракеты и посадочных опор. А значит, допустимые углы отклонения от вертикали при посадке были бы больше, как и горизонтальные скорости (которые можно было бы парировать двигателями).
Для того, чтобы осуществить ракетную посадку (то есть посадку на двигателе) требуется всего ничего. Во-первых, иметь качественную вычислительную часть, способную обсчитать кинематику взаимодействия сил, моментов, скоростей и координат для ракеты с учетом переменной массы бултыхающегося топлива в баках. Во-вторых, качественную систему сенсоров, способных сообщить вычислительному устройству необходимую информацию. И наконец, и это самое главное - необходимо иметь вертикаль, то есть вектор устойчивого положения ракеты, вокруг которого она может балансировать. С точностью до угловых минут, возможно - меньше.
И вот как они строят вертикаль - это особенно интересно. Постулируем некоторые моменты.
1. Посадить ракету в точку старта невозможно. На старте другие массы, другая тяга, другая огневая нагрузка на стартовые устройства, в частности - на посадочные опоры, если старт производится с них. Соответственно, будет утяжеление посадочных опор и термозащиты корпуса, снижение полезной нагрузки и прочие неприятности. Потому старт и посадочная площадка должны быть разнесены.
2. Поскольку ракетная посадка потенциально может закончиться аварией носителя, точка посадки должна быть разнесена с точкой старта, все-таки заправочное оборудование, центр управления (диспетчерская), возможные зрители...
3. Каждые 110 км расстояния точки старта от точки посадки - это один градус отклонения от вертикали. Это очень много. Плюс - возможное отклонение траектории (посадка в нерассчетном месте).
4. В полете построить вертикаль невозможно. Ракета не стоит, она летит под действием тяги двигателя и набегающего потока воздуха, гравитационной вертикали нет, ибо нет устойчивой неподвижной относительно земли опоры.
5. Вертикаль можно построить на старте и сохранять гироскопом. При этом вибрация может привести к прецессии гироскопа и отклонению вертикали. При этом чтобы компенсировать естественное отклонение вертикали из-за расстояния точки посадки от точки старта, нужно знать точные координаты обоих мест и точное время в полете. То есть - без навигационного обеспечения, и обеспечения точного и наземного (!) при снижении ракеты у нас вертикаль будет с отклонением. Пересчитывая показатели гироскопа с учетом навигационной информации, теоретически можно разобраться с географией зоны посадки, но не с прецессией.
6. Можно отказаться от точной вертикали, если при посадке ориентироваться на движение ракеты относительно поверхности, например, с использованием доплеровских или оптических датчиков. В этом случае мы, отталкиваясь от гироскопической вертикали, и зная положение ракеты относительно этой вертикали, измеряем дельту вертикальной и горизонтальной скорости относительно поверхности за дельту времени, и на основании математической модели (помните, мы говорили о вычислительной части?) пересчитываем вертикаль. После некоторой итерации мы получим скорректированное значение вертикали, от которой уже можно опираться при приземлении.
Недостатков тут два. Переменная ветровая нагрузка (порывистый ветер), да еще и разница в расположении цнтра масс ракеты и центра приложения аэродинамических сил, приводят к непросчитываемым возмущениям параметров движения ракеты, влияющим на нашу попытку скорректировать вертикаль. Это раз. И второе - наши оценки горизонтальной скорости целиком и полностью базируются на доплеровских либо оптических характеристиках поверхности. Если мы садимся на платформу в море (как был в случае посадки Фалькона на морской платформе), визуально и рельефно переменчивая среда подстилающей поверхности, которая абсолютно не годится для доплеровского либо оптического ориентирования, не позволит нам получить необходимые данные о горизонтальной скорости. Это два.
Для самостоятельной посадки ракете необходимо получать корректную и точную навигационную информацию, например, от GPS, либо от системы разнесенных реперов (маркеров) на поверхности. А то и от наземного контрольно-измерительного траекторного комплекса. Проблемы с посадкой Фалькона на морскую платформу могли быть вызваны малыми размерами платформы при полной негодности окружающей обстановки (море) для дополнительных измерений.
И кстати, GPS вряд ли способен по самой своей природе давать точную информацию в реальном масштабе времени. Метровое отклонение верха ракеты GPS не покажет, а точное определение горизонтальной скорости требует накопления координатной информации в течении некоторого времени, в отличие от доплеровских датчиков, которые работают моментально.
Конец постулирования.
Успешные посадки ракет в безветненную погоду на специально подготовленную наземную площадку с заранее известными координатами, с точным измерением времени полета и подходящей для коррекции, возможно с помощью маркирования или внешних траекторных измерений, обстановкой - это, конечно, хорошо. Однако на память приходят корабли Союз, которым приходилось садиться очень далеко от расчетных координат, и никаких проблем с приземлением у них не было. Потому что парашютная система плюс датчик высоты в виде банальной выпускной штанги, приводящей в действие двигатели мягкой посадки - это просто, надежно и дешево. Ну и приходят на память неудачи Грассхопера при посадке на платформу в море...
Можно ли улучшить ситуацию с ракетной посадкой? Какие меры могут повысить надежность такого типа посадки?
1. Требуется установка на ракету датчиков скорости потока и угла атаки для оценки аэродинамической нагрузки.
2. Требуется использование внешнего источника навигационной информации, хотя бы GPS или Глонасс, как для пересчета гироскопической вертикали (по координатам и астронимическому времени, исчисляемому от координат и точного времени) места посадки, так и для начального определения вектора горизонтальной скорости.
3. Требуется выбирать для посадки заранее отмаркированную либо подходящую местность с неподвижными и контрастными в используемых методах измерения ориентирами.
4. Требуется пересчитывать вертикаль на протяжении всего процесса посадки.
5. Пожалуй самое главное. В верхней части ракеты должны быть установлены дополнительные двигатели, работающие в горизонтальной плоскости. Это необходимо для того, чтобы управление горизонтальным перемещением ракеты производилось отклонением верха, а не низа.
Вот эти вот двигатели в верхней части ракеты - они тут вообще ключевые...
Дело в том, что поскольку центр тяжести находится существенно выще управляющего органа (ракетного двигателя), коррекция вертикального положения ракеты требует больших качаний нижней части. Что означает высокую горизонтальную скорость движения посадочных опор относительно земли в момент касания, если в этот же самый момент требуется коррекция вертикальности корпуса ракеты. Земля как бы ставит ракете подножку, и скорее всего для ракеты и посадочных опор - точнее, сперва для опор, а потом для ракеты - это закончится очень хреново... Если бы двигатели были расположены в верхней части, то коррекция вертикальности положения ракеты осуществлялась бы амплитудным движением верхней части, что привело бы к значительно меньшим качаниям низа ракеты и посадочных опор. А значит, допустимые углы отклонения от вертикали при посадке были бы больше, как и горизонтальные скорости (которые можно было бы парировать двигателями).
Для того, чтобы осуществить ракетную посадку (то есть посадку на двигателе) требуется всего ничего. Во-первых, иметь качественную вычислительную часть, способную обсчитать кинематику взаимодействия сил, моментов, скоростей и координат для ракеты с учетом переменной массы бултыхающегося топлива в баках. Во-вторых, качественную систему сенсоров, способных сообщить вычислительному устройству необходимую информацию. И наконец, и это самое главное - необходимо иметь вертикаль, то есть вектор устойчивого положения ракеты, вокруг которого она может балансировать. С точностью до угловых минут, возможно - меньше.
И вот как они строят вертикаль - это особенно интересно. Постулируем некоторые моменты.
1. Посадить ракету в точку старта невозможно. На старте другие массы, другая тяга, другая огневая нагрузка на стартовые устройства, в частности - на посадочные опоры, если старт производится с них. Соответственно, будет утяжеление посадочных опор и термозащиты корпуса, снижение полезной нагрузки и прочие неприятности. Потому старт и посадочная площадка должны быть разнесены.
2. Поскольку ракетная посадка потенциально может закончиться аварией носителя, точка посадки должна быть разнесена с точкой старта, все-таки заправочное оборудование, центр управления (диспетчерская), возможные зрители...
3. Каждые 110 км расстояния точки старта от точки посадки - это один градус отклонения от вертикали. Это очень много. Плюс - возможное отклонение траектории (посадка в нерассчетном месте).
4. В полете построить вертикаль невозможно. Ракета не стоит, она летит под действием тяги двигателя и набегающего потока воздуха, гравитационной вертикали нет, ибо нет устойчивой неподвижной относительно земли опоры.
5. Вертикаль можно построить на старте и сохранять гироскопом. При этом вибрация может привести к прецессии гироскопа и отклонению вертикали. При этом чтобы компенсировать естественное отклонение вертикали из-за расстояния точки посадки от точки старта, нужно знать точные координаты обоих мест и точное время в полете. То есть - без навигационного обеспечения, и обеспечения точного и наземного (!) при снижении ракеты у нас вертикаль будет с отклонением. Пересчитывая показатели гироскопа с учетом навигационной информации, теоретически можно разобраться с географией зоны посадки, но не с прецессией.
6. Можно отказаться от точной вертикали, если при посадке ориентироваться на движение ракеты относительно поверхности, например, с использованием доплеровских или оптических датчиков. В этом случае мы, отталкиваясь от гироскопической вертикали, и зная положение ракеты относительно этой вертикали, измеряем дельту вертикальной и горизонтальной скорости относительно поверхности за дельту времени, и на основании математической модели (помните, мы говорили о вычислительной части?) пересчитываем вертикаль. После некоторой итерации мы получим скорректированное значение вертикали, от которой уже можно опираться при приземлении.
Недостатков тут два. Переменная ветровая нагрузка (порывистый ветер), да еще и разница в расположении цнтра масс ракеты и центра приложения аэродинамических сил, приводят к непросчитываемым возмущениям параметров движения ракеты, влияющим на нашу попытку скорректировать вертикаль. Это раз. И второе - наши оценки горизонтальной скорости целиком и полностью базируются на доплеровских либо оптических характеристиках поверхности. Если мы садимся на платформу в море (как был в случае посадки Фалькона на морской платформе), визуально и рельефно переменчивая среда подстилающей поверхности, которая абсолютно не годится для доплеровского либо оптического ориентирования, не позволит нам получить необходимые данные о горизонтальной скорости. Это два.
Для самостоятельной посадки ракете необходимо получать корректную и точную навигационную информацию, например, от GPS, либо от системы разнесенных реперов (маркеров) на поверхности. А то и от наземного контрольно-измерительного траекторного комплекса. Проблемы с посадкой Фалькона на морскую платформу могли быть вызваны малыми размерами платформы при полной негодности окружающей обстановки (море) для дополнительных измерений.
И кстати, GPS вряд ли способен по самой своей природе давать точную информацию в реальном масштабе времени. Метровое отклонение верха ракеты GPS не покажет, а точное определение горизонтальной скорости требует накопления координатной информации в течении некоторого времени, в отличие от доплеровских датчиков, которые работают моментально.
Конец постулирования.
Успешные посадки ракет в безветненную погоду на специально подготовленную наземную площадку с заранее известными координатами, с точным измерением времени полета и подходящей для коррекции, возможно с помощью маркирования или внешних траекторных измерений, обстановкой - это, конечно, хорошо. Однако на память приходят корабли Союз, которым приходилось садиться очень далеко от расчетных координат, и никаких проблем с приземлением у них не было. Потому что парашютная система плюс датчик высоты в виде банальной выпускной штанги, приводящей в действие двигатели мягкой посадки - это просто, надежно и дешево. Ну и приходят на память неудачи Грассхопера при посадке на платформу в море...
Можно ли улучшить ситуацию с ракетной посадкой? Какие меры могут повысить надежность такого типа посадки?
1. Требуется установка на ракету датчиков скорости потока и угла атаки для оценки аэродинамической нагрузки.
2. Требуется использование внешнего источника навигационной информации, хотя бы GPS или Глонасс, как для пересчета гироскопической вертикали (по координатам и астронимическому времени, исчисляемому от координат и точного времени) места посадки, так и для начального определения вектора горизонтальной скорости.
3. Требуется выбирать для посадки заранее отмаркированную либо подходящую местность с неподвижными и контрастными в используемых методах измерения ориентирами.
4. Требуется пересчитывать вертикаль на протяжении всего процесса посадки.
5. Пожалуй самое главное. В верхней части ракеты должны быть установлены дополнительные двигатели, работающие в горизонтальной плоскости. Это необходимо для того, чтобы управление горизонтальным перемещением ракеты производилось отклонением верха, а не низа.
Вот эти вот двигатели в верхней части ракеты - они тут вообще ключевые...