Блог Даніеля Маріна

Після вчорашнього допису про повернення «Союзу ТМА-10М» читач, який хоче залишитися анонімним, запитав мене, як ми можемо знати, де збирається приземлитися космічна капсула. Відповідь може здатися простою. У нас є корабель, який йде за певною орбітою, тому нам просто потрібно запустити гальмівний двигун, щоб містер Ньютон виконав свою роботу, а капсула спустилася на те місце, яке ми призначили. Шматок пирога, так? Ну очевидно, ні, це не так просто.

приземлитися
Союз ТМА-10М приземлився в Казахстані. Дим, який видно, відбувається не від сили удару, а від чотирьох твердопаливних ракет DMP, які амортизують посадку (NASA).

Для початку космічна капсула не є літаком, і її маневреність, безумовно, дуже обмежена, хоча, як ми побачимо, вона не дорівнює нулю. Зміни щільності у верхніх шарах атмосфери та вітру призводять до того, що похибка точності посадки завжди перевищує кілька кілометрів. Іншими словами, нам слід вибрати дійсно широку територію, вільну від перешкод. Звичайно, наша десантна зона не може бути розташована на широті вище 51,65º на північ або 51,65º на південь, оскільки це нахил орбіти міжнародної космічної станції (МКС) і, отже, будь-якого корабля "Союз". Це обмеження залишає значну частину території Російської Федерації, тому з часу їх перших польотів космічний корабель "Союз" приземлився, за кількома винятками, у нескінченних степах Казахстану, практика, яка тривала без перерви після падіння Радянський Союз. Казахстанська степ також має ту перевагу, що не має лісів, природних перешкод або великих населених пунктів, що заважають спуску капсули.

Повернення "Союзу" з МКС (НАСА).

Але, звичайно, недостатньо вибрати смугу шириною в сотні кілометрів і сказати, що це наша зона висадки. Під час повернення астронавти можуть мати проблеми, можливо, вони навіть можуть бути поранені і потребують негайної медичної допомоги. Але навіть без надзвичайних ситуацій повернення на Землю, провівши півроку в космосі, не є приємним досвідом для людського організму. Тому необхідно значно зменшити площу посадки, якщо ми хочемо, щоб рятувальна команда якомога швидше дійшла до екіпажу.

Як ми можемо це зробити? Ну, використовуючи капсулу так, ніби це літак, щоб генерувати невелику тягу і тим самим регулювати траєкторію спуску, що на перший погляд може здатися неможливим. Зрештою, капсула не має крил та інших аеродинамічних поверхонь для створення підйому. Але вони вам не потрібні, оскільки сама капсула використовується як підтримуючий орган. Не забуваємо, що капсула рухається зі швидкістю майже 28 000 км/год, потрапляючи в атмосферу, тому будь-яка мала сила, що утворюється в цій фазі, може мати величезний вплив на відстань від кінцевої зони посадки. Фокус полягає в тому, щоб розташувати центр маси капсули таким чином, щоб він був трохи зміщений від осі транспортного засобу та/або кута атаки. Таким чином створюється сила підйому, яка, крім того, дозволяє нам зменшити величезне прискорення, яке зазнали космонавти під час повторного входу.

Капсула "Союз", де центр маси не суміщений з центром тиску для створення сили підйому (RKK Energy).

Траєкторія спуску "Союз ТМА-10М" (NASA TV).

Гаразд, це нормально, але як ми орієнтуємо капсулу, щоб генерувалась ця сила підйому? Ах, гарне запитання. Перш за все ми повинні переконатися, що точно знаємо центр мас СА. З цієї причини місця космонавтів калібруються з надзвичайно точною точкою перед зльотом, і насправді самі космонавти повинні виміряти свою масу перед поверненням за допомогою спеціальних "ваг" для нульової гравітації. Раніше для центру управління (ЦУП) було зовсім не дивним наказ члену екіпажу набирати або худнути під час підготовки до повторного входу, хоча в даний час переважно використовувати корисне навантаження як баласт. Різниця в декілька кг у транспортному засобі вагою 2,9 тонни (маса ГС) може здатися мізерною, але це не так, якщо врахувати, що вона може бути перетворена на зміщення центру маси на кілька сантиметрів.

Рятувальна команда наближається до капсули "Союз" (NASA). Сейф "Союз на землі" (NASA). Тепловий щит "Союзу" (від'єднується на висоті 5 км) ("Новости Космонавтики").

Після того, як центр мас буде розрахований експертною групою балістики ЦУП, ми повинні ввести дані в комп’ютер «Союз», який буде відповідальним за пілотування капсули під час повторного вступу звіра. Для цього він буде використовувати вісім невеликих рушіїв потужністю 10 кгс кожен, які використовують перекис водню як паливо (погіршення каталізатора в цих рушіях є саме головним фактором, який обмежує термін корисного використання на орбіті Союзу). Ці мікромотори називаються URMD (Управляючі реактивні мікродвігателі, «реактивні мікромотори») і є частиною системи SIO-S («система управління реакцією спуску»). Двигуни URMD працюють на висоті від 80 до 11 кілометрів, тоді як теплозахисний щит страждає від суворості теплоти, що надходить знову. Перед посадкою та при вже розгорнутому основному парашуті надлишок 30 кг перекису, який несе капсула, викидається, щоб уникнути пошкодження екіпажу.

Етапи на вході в Союз. Зв'язок під час спуску з "Союзу" ("Новости Космонавтики"). Цикл спуску "Союз ТМА-10М" (ЦУП).

Може здатися, що, на відміну від записів AUS або RUS, балістичний запис є "неконтрольованим", але це не так. Дійсно, комп’ютер керує не траєкторією руху корабля, а його положенням. Не існує неконтрольованого балістичного входу як такого. Або добре, скоріше, якщо це станеться, екіпаж можна вважати мертвим. Існує два режими балістичного спуску, звичайний (BS) і резервний (BSR). У режимі BS комп'ютер регулює швидкість обертання до 12,5 ° в секунду, щоб стабілізувати капсулу, одночасно гасячи будь-які поперечні рухи рушіями URMD. У режимі BSR швидкість обертання збільшується до 18º в секунду, оскільки передбачається, що комп'ютер не може стабілізувати поперечні рухи (принцип кутового моменту говорить нам, що чим вище швидкість обертання, тим стабільнішою буде капсула, хоча космонавти не почуваюся дуже комфортно). Режим BSR ніколи не використовувався, але БС використовували "Союз ТМА-1", "Союз ТМА-10" і "Союз ТМА-11" для різних проблем (екіпаж повертався без проблем у всіх трьох випадках).

Після того, як ми врахуємо ці фактори, нам залишиться лише позначити пункт посадки та відправити туди рятувальну команду. "Союз" здійснить гальмівне запалювання свого головного двигуна SKD - що зазвичай триває близько п'яти хвилин - приблизно за чверть орбіти до спуску, тобто за півгодини до цього. Зараз, очевидно, нам недостатньо запустити двигун в будь-якій точці орбіти і чекати, щоб приземлитися в Казахстані! Спочатку ми повинні дуже ретельно вибрати, які орбіти проходять через зону посадки залежно від дня. І не тільки це, ми також повинні вибрати орбіту таким чином, що якщо екіпаж не зможе з якихось причин вчасно запустити двигун, капсула зможе приземлитися в запланованій зоні. протягом принаймні наступних двох орбіт, досить обмежувальна вимога, якщо врахувати, що між орбітою та орбітою Земля рухається під космічним кораблем, змінюючи всю геометрію входу.

Досить поглянути на карту Казахстану, щоб зрозуміти, що вона розташована в широтах, близьких до межі широти 51,65º на північ, про яку ми згадали раніше. Це означає, що Союз спускається по степу, рухаючись загалом у напрямку на північ. Точка на орбіті Союзу, в якій він перетинає екватор, що рухається на північ, називається висхідним вузлом і є ключовим параметром при визначенні зони посадки. За винятком надзвичайних ситуацій, висхідний вузол орбіти спуску Союза повинен бути розташований на захід від 20-го меридіана на схід, щоб він пролетів над Казахстаном. Вибираючи зону посадки, балістична група спочатку встановлює свою довготу, а потім регулює широту відповідно до орбіт, наявних у той день. Номінальна довжина посадкової зони для «Союзу» теоретично становить від 63º до 74º на схід, хоча на практиці використовуються дві зони від 67º-68º до 69º-70º. Ці два райони, перший біля міста Аркалик, а другий не дуже далеко - з точки зору казахської відстані, зрозуміло - від Джезказгана, мають відповідні широти 50º-52º на північ і 47º-49º на північ.

Зона посадки майже всіх капсул "Союз". Існує дві основні зони. Вільні місця - це в основному балістичні вхідні дані (Google Maps/Novosti Kosmonavtiki).

Щоб трохи краще зрозуміти справу, давайте розглянемо одну з карт, що використовується рятувальними групами (у даному випадку - «Союз ТМА-5»):

Траєкторії та зони посадки ТМ-5 "Союз" ("Новости Космонавтики").

На цій карті чітко видно три основні зони посадки, що відповідають трьом орбітам, які проходять над зоною посадки того дня у день повернення додому. Кожна орбіта представлена ​​пунктиром, а з лівого боку ви можете побачити квадрати, що представляють зони посадки у випадку балістичного входу (найменший ящик - це область з найбільшою ймовірністю). Наявність різних зон посадки означає, що існує також кілька рятувальних груп, хоча більшість засобів зосереджені в основному. Команди використовують для переміщення по казахському степу гелікоптери Mil Mi-8, позашляхові земноводні Zil 4906 (PEM) та звичайні автомобілі. Літаки Антонов Ан-12 та Антонов Ан-24 використовуються для подорожей між казахстанськими аеропортами. Зазвичай вісім чи десять тисяч Мі-8 та чотири машини ЕМП відправляються в основну зону, тоді як поруч із однією або двома балістичними зонами завжди є принаймні два вертольоти. Коротше кажучи, значне розгортання, що коштує власних витрат.

Після успішного врятування екіпажу космонавтів переправляють до Карагандинського міжнародного аеропорту, де їх розважають на церемонії прийому, яку більшість воліють не відвідувати, але це одна з умов, яку уряд Казахстану поставив перед росіянами. продовжувати використовувати свою країну як поле для посадки. Звідти російські космонавти літають безпосередньо до московського Зоряного міста (ЦПК), тоді як американці вирішують поїхати самостійно і поїхати до Х'юстона на літаку NASA Gulfstream III (до кількох років тому вони також їздили до ЦПК з його російською супутники). Капсулу Зіл передає в аеропорт, звідки відправляється до Москви.

Рятувальна команда чекає посадки "Союзу". Вітаємо блиск DMP ("Новости Космонавтики"). Союз підбирає Зіл.

Але що, якщо у нас надзвичайна ситуація, і нам доведеться сісти прямо зараз? У разі виникнення проблеми з самим «Союзом» - наприклад, розгерметизації - ми повинні приземлитися якомога швидше, оскільки запаси кисню у водолазних костюмах «Сокол-КВ2» складають близько двох годин. Ось чому по всьому світу завжди існує кілька зон аварійної посадки. Таким чином, дані про запуск двигуна "Союз" відповідно до зони спуску змінюються щодня, тому одним із завдань космонавтів МКС є друк - так, на папері - інформації про параметри спуску щодня і покласти в Союз про всяк випадок. Зони посадки для перших трьох-чотирьох орбіт даного дня знаходяться в Казахстані і є тими, що ми бачили раніше, для решти орбіт аварійними зонами посадки є: нижня частина Волги, Одеська область, Угорщина, Франція (три зони), США (вісім зон, переважно на середньому заході), Японське море (Союз може висадитися в аварійному стані), Хабаровська область та південь Казахстану.

Після більш ніж чотирьох десятиліть місій "Союз" відбулися хиткі посадки, але до цих пір жоден не приземлився в одній із надзвичайних зон (хоча "Союз 18-1" був близький до посадки в Китаї). Але ніколи не знаєш. Про всяк випадок вивчіть, що робити, якщо у вашому саду приземлиться «Союз».

Союз спускається, продуваючи перекис водню від своїх рушіїв SIO-S (NASA).

Відео повернення "Союзу", видно зсередини капсули (ми вже розмістили його тут, але воно того варте):