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Wir landen ein vielversprechendes russisches Schiff auf dem Mars

Im März dieses Jahres fand im Rahmen der Woche der Hochtechnologien eine virtuelle Expedition „Landing on Mars“ an der RUDN University statt. Tatsächlich war es eher wie eine Olympiade - Teams von Schulkindern in einem speziellen Programm legten Anfangsparameter für das Gerät fest, das eine sanfte Landung auf dem Mars machen sollte:



Als ich diese Nachricht hörte, war ich neugierig, welches Programm verwendet wurde - ich habe lange über den wunderbaren Weltraumsimulator Orbiter gesprochen, mit dem Sie Astronomie und Astronautik auf spielerische Weise studieren können, und ich bin auch an ähnlichen Programmen interessiert, die Training mit einem Spiel / Wettbewerb verbinden . Da ich nicht wirklich hoffte, dass ich das Programm direkt sehen würde, dachte ich sofort darüber nach, wie ich eine ähnliche Situation im kostenlosen und frei verfügbaren Orbiter zum Download simulieren könnte. Die Aufgabe sah nicht einfach aus - Sie müssen einen Apparat auswählen, der auf dem Roten Planeten gepflanzt werden kann, die erforderlichen Umlaufbahnparameter seiner Bewegung bilden und bestimmen, welche Parameter wir steuern werden.

Formulierung des Problems


Informationen zur Funktionsweise des Programms erhalten Sie aus Open Source. In der Fernsehsendung von Roscosmos ist die Benutzeroberfläche deutlich zu erkennen:



Auf der Website der Schule Nr. 2123 in Moskau gibt es einen Bericht über ein solches Ereignis mit einem Foto der Problemstellung . Das Foto ist nicht sehr da, aber zum Glück kann der Text gelesen werden:
  • Das Raumschiff betritt die Marsatmosphäre mit einer Anfangsgeschwindigkeit von 6 km / s. Die bedingte Grenze der Atmosphäre beträgt 100 km.
  • Für die Steuerung stehen zwei Parameter zur Verfügung - die aerodynamische Qualität und der Eintrittswinkel in die Atmosphäre.
  • Aufgabe: Das Gerät in der Atmosphäre so bremsen, dass beim Öffnen des Fallschirms in der letzten Landestufe seine Geschwindigkeit minimal ist.


Ein kleines vorläufiges Bildungsprogramm


Der Flugbahnwinkel ist der Winkel zwischen dem Geschwindigkeitsvektor des Raumfahrzeugs und dem lokalen Horizont des Planeten. Je kleiner der Flugbahnwinkel ist, desto hohler tritt die Vorrichtung in die Atmosphäre ein. Bei einem Flugbahnwinkel von 0 ° befindet sich das Gerät in einer Kreisbahn und bei 90 ° fällt es vertikal auf den Planeten.
Die aerodynamische Qualität ist das Verhältnis von Auftrieb zu Luftwiderstand eines Flugzeugs. Mit einfachen Worten, wenn ein Flugzeug mit abgestelltem Motor 10 km fliegt und dabei um 5 abnimmt, ist seine aerodynamische Qualität gleich zwei. Bei Vögeln liegt sie normalerweise im Bereich von 10, Gleitschirme können je nach Klasse eine aerodynamische Qualität von 7 bis 10 haben, Hängegleiter von 17 bis 20, und die besten Segelflugzeuge in ruhiger Luft können für jeden verlorenen Kilometer mehr als 50 km fliegen.
Die aerodynamische Qualität ist ein ziemlich komplizierter Parameter, der beispielsweise vom Anstellwinkel des Geräts abhängt:



Anstellwinkel : Der Winkel zwischen der Bewegungsrichtung des Geräts und seiner speziell ausgewählten Achse. Wenn wir über den Anstellwinkel des Flügels sprechen, wird diese Achse seine Sehne sein , und für unseren Fall eines Raumfahrzeugs wird es seine Konstruktionsachse sein.

Geräteauswahl


Am schwierigsten war die Wahl der Landevorrichtungen. Enthusiasten haben eine große Anzahl von Add-Ons für Orbiter erstellt, hatten jedoch normalerweise eine feste Aerodynamik und mussten die aerodynamische Qualität anpassen, indem sie die Parameter des Geräts in den Konfigurationsdateien änderten. Sie werden normalerweise in offener Form gespeichert, aber die manuelle Bearbeitung ist unpraktisch, und das Schreiben einer populärwissenschaftlichen Publikation mit dem Vorschlag, Konfigurationsdateien auch für Geeks ständig zu bearbeiten, ist übertrieben. Was benötigt wurde, war eine Möglichkeit, die aerodynamische Qualität des Geräts im laufenden Betrieb zu ändern. Glücklicherweise wurde eine solche Methode gefunden. Orbiter hat einen Aufzug Trimmer, die den ähnlich arbeitet Trimmern gemeinsam in der LuftfahrtDadurch wird das Gerät gezwungen, die Nase selbstständig anzuheben oder abzusenken. Um den Trimmer zu steuern, müssen Sie nicht in die Konfigurationsdateien gehen. Wenn Sie dasselbe Skript laden, erhalten Sie das Gerät mit der gewünschten aerodynamischen Qualität.
Die nächste offensichtliche Anforderung war die Möglichkeit einer sanften Landung des Raumfahrzeugs. Der Versuch, die Tatsache zu verlangsamen, dass im Finale immer noch an der Oberfläche abstürzt, ist uninteressant.
Nach vielen Experimenten gelang es mir, einen Apparat mit einem einstellbaren Trimmer und einem weichen Landesystem zu finden. Plötzlich stellte sich heraus, dass es sich um ein vielversprechendes russisches Schiff PTK NP handelte. Einerseits ist dies unrealistisch - dieses Schiff wurde nie für die Landung auf dem Mars entwickelt, aber es war nicht nur für zwei kritische Parameter geeignet, sondern hatte auch merkwürdige Vorteile. Die manuelle Freigabe des Fallschirms ermöglicht eine mehr oder weniger flexible Steuerung, und die Triebwerke des Softlanding-Systems können verwendet werden, um auf den letzten Metern des Fluges zu bremsen und trotz der Schwäche der für die Erdatmosphäre ausgelegten Fallschirme eine realistische Landung durchzuführen.

Die Bildung der gewünschten Umlaufbahn


Orbiter verfügt über einen integrierten Skripteditor, der durch Drücken von Strg-F4 aufgerufen wird : Es



gibt verschiedene Möglichkeiten, das Gerät in die Umlaufbahn des Mars zu bringen. Sie können ein Skript mit jedem Gerät in der Umlaufbahn des Mars öffnen, sofern Sie eines haben. Sie können ein neues Gerät erstellen oder ein vorhandenes in die Umlaufbahn des Mars verschieben. Ich hatte bereits ein Skript, der einfachste Weg:



Mit dem Skripteditor können Sie alle Elemente der Umlaufbahn anpassenEs ist jedoch sehr schwierig, die richtige Umlaufbahn zu finden, indem Sie sie nur manuell bearbeiten. Wir werden viel einfacher vorgehen. Zunächst werden wir das Gerät auf eine Kreisbahn über dem Äquator des Mars bringen. Die Tatsache, dass die Umlaufbahn kreisförmig ist, bedeutet, dass ihre Exzentrizität Null ist, und damit sie über den Äquator verläuft, muss die Neigung der Umlaufbahn auf Null gesetzt werden. Wir werden die Umlaufbahnhöhe im Bereich von 150 km einstellen und den Parameter der Semi-Major-Achse anpassen:



Es stellte sich heraus:



Wir befinden uns an einer sehr guten Stelle in der Umlaufbahn - wir haben kürzlich die Terminatorlinie überquert. Wenn wir um diesen Punkt in die Atmosphäre eintreten, haben wir eine ganze beleuchtete Halbkugel, um bei Tageslicht bequem langsamer zu werden.
Die nächste Aufgabe ist es, eine Geschwindigkeit im Bereich von 6 km / s zu erreichen. Dazu beginnen wir zu beschleunigen:



Beschleunigung braucht Zeit, wir verlassen die Umgebung des Perizentrums. Daher spulen wir im Editor die Zeit bis zu dem Punkt zurück, an dem noch etwa eine Minute bis zum Perizentrum verbleibt, und wiederholen die Beschleunigung. Wir überprüfen die Geschwindigkeit, indem wir uns im Editor in den Perizentrenbereich bewegen - 6 km / s, wie wir wollten:



Und jetzt bewegen wir uns rechtzeitig vor zwei Stunden, damit wir die Umlaufbahnparameter effizienter ändern können:



Das war's, das Problem wurde gelöst. Speichern Sie das Skript.

Die Bildung der notwendigen aerodynamischen Eigenschaften der Vorrichtung


Unsere nächste Aufgabe ist es, die Parameter des PTK NP so zu ändern, dass seine aerodynamische Qualität in einem Bereich (0-1,2) geregelt wird, der mit dem ursprünglichen Programm vergleichbar ist. Dazu müssen Sie in die Konfigurationsdateien des Addons klettern. Addon PTK NP benötigt ein weiteres Addon - spacecraft3.dll. Dies ist eine ziemlich fortgeschrittene Notation für die relativ einfache Erstellung komplexer Geräte mit Aerodynamik und anderen Merkmalen. Glücklicherweise gibt es Tutorials in der Community.. Wir lesen sie und verstehen, dass wir einen einfachen Weg brauchen, um die aerodynamische Qualität zu ändern. Eine Möglichkeit besteht darin, das Gewicht des Geräts zu ändern. Theoretisch sollte eine Änderung der Masse die auf den Körper einwirkenden Kräfte ändern. Wenn wir beispielsweise unser Schiff einfacher machen, erleichtern die in der Konfigurationsdatei installierten kleinen Flügel das Anheben. Wir ändern die Masse, wir überprüfen - es funktioniert nicht.
Die zweite Idee besteht darin, den Steuereffekt von Trimmern zu erhöhen. Tatsache ist, dass es im Modell des Schiffes kleine unsichtbare Trimmer gibt. Die sie umgebende Atmosphäre erzeugt eine Kraft, die das Schiff ablenkt und es in einen Anstellwinkel ungleich Null bringt. Wenn wir ihre Fläche vergrößern, erhöht sich die Kraft, die das Schiff ablenkt. Wir überprüfen:



Wie messen wir den Auftrieb? Es gibt ein gutes Aerobrake-MFD-Add-On, das die aerodynamische Qualität im laufenden Betrieb berücksichtigt. Das Problem ist jedoch, dass es nicht mit Geräten funktioniert, die mit spacecraft3.dll hergestellt wurden. Müssen es anders messen. Dazu verwenden wir das vorgefertigte Szenario „Landung“ aus dem PTK NP-Addon und sehen die auf das Gerät einwirkenden Kräfte mit Strg-F9 :


D (Widerstand) - Luftwiderstand.
G (Schwerkraft) - Schwerkraft.
F (Kraft) - resultierend.

Wieder kein Glück - die Hubkraft wird nicht direkt angezeigt. Wir können es aber indirekt bestimmen, denn das Ergebnis ist die Summe aller auf den Körper einwirkenden Kräfte. Um das Problem zu vereinfachen, messen wir die Hubkraft, wenn die Vektoren des resultierenden und des Luftwiderstands zusammenfallen:



Es stellt sich ein einfaches geometrisches Problem heraus: Die



Hebekraft nach der pythagoreischen Formel ist gleich sqr (40 * 40 + 83 * 83) = 95. 95/73 = 1,3 bedeutet, dass wir einen geeigneten Trimmerbereich ausgewählt haben.

Ändern des Geräts im Skript


Hier ist es einfach. In Analogie zu den Szenarien, in denen es einen PTK-NP gibt, öffnen wir das Skript, das wir mit der richtigen Umlaufbahn gespeichert haben, und ändern den Delta-Segelflugzeug in den PTK-NP. Gleichzeitig tanken wir den Kraftstoff in einen vollen Tank:



Das ist alles, wir sind bereit zu trainieren.

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Für das Spiel brauchen wir:


In diesem Szenario steuern wir den Flugbahnwinkel, indem wir die Höhe des Perizentrums ändern. Der einfachste Weg, dies zu tun, besteht darin, das Schiff relativ zum Orbitalgeschwindigkeitsvektor „nach links“ zu drehen und mit Kreuzfahrttriebwerken einen Impuls zu geben:



Leider hat Orbiter keine Möglichkeit, den Flugbahnwinkel direkt zu messen. Stattdessen schlage ich vor, mich auf den Pericenter-Höhenparameter zu konzentrieren. Je kleiner es ist, desto steiler wird der atmosphärische Eintritt:



Bevor Sie in die Atmosphäre eintreten, müssen Sie den Kabelmast mit der K- Taste abschießen und das Aggregatfach mit der J- Taste zurücksetzen :



Das Bremsen in dichten Schichten der Atmosphäre erfolgt im einfachsten Fall durch Einstellen des Trimmers auf den gewünschten Winkel und passive Beobachtung. Wenn Sie möchten, können Sie die Rolle durch Bewegen der Schlange manövrieren und so die vertikale Geschwindigkeit steuern. Und Sie können die aerodynamische Qualität bereits beim Bremsen ändern und die Trimmereinstellung ändern.



In einer Höhe von ~ 5 km setzen wir die Luke des Fallschirmabteils mit der J- Taste zurück und öffnen den Bremsfallschirm mit der K- Taste . Dann setzen wir den Hitzeschild mit der J- Taste zurück und lassen das Chassis mit der G- Taste los . Drei Kuppeln der Hauptfallschirme öffnen sich unabhängig voneinander, wenn die Geschwindigkeit akzeptabel wird. Schalten Sie in einer Höhe von 100-300 m die Landemotoren mit der Taste Num + einund löschen Sie die Geschwindigkeit vor der Landung.



Der resultierende Simulator emuliert alle möglichen Fehler - Sie können ein Schiff mit hoher vertikaler Geschwindigkeit auf den Mars stürzen, ohne Rückkehr in den Weltraum zurückfliegen oder sich mit hoher horizontaler Geschwindigkeit der Oberfläche nähern und das Schiff trotz vertikaler Geschwindigkeit nahe Null zum Absturz bringen. Aber mit etwas Übung werden Sie sicherlich eine gute Lösung finden. Gute Landung!



Epilog


Es ist lustig, aber das Quellprogramm hat mich entgegen den Erwartungen erreicht. Der Kosmonaut Sergei Revin kam zur Telefonkonferenz von Schulkindern der ISS nach Ufa und verließ das Programm der Ufa-Weltraumschule , und von dort kam es bereits zu mir. Die Parameter dort sind etwas uninteressant, und der Flugbahnwinkel ist merklich größer als der von historischen Geräten, aber es ist merkwürdig. Ich kann keinen Link zum Programm geben, ich habe keine Veröffentlichungsrechte.

Es gibt andere Veröffentlichungen der Serie von Orbiter , von Szenarien, in denen Sie nur zuschauen können, ohne die Steuerelemente zu berühren, bis hin zu komplexen Flügen.

Source: https://habr.com/ru/post/de380361/

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