Понять баллистику с четвертой попытки

SCC + US tilting

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.

Breeze (7)

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.

Скорость_небесного_тела

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».

Breeze (4)

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.

Тут все просто

Breeze (1)

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.

MASTERExoMars

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.

Breeze (6)

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.

Breeze (2)

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.
О «Бризах» больше.

Комментарии: