Estamos aterrizando un prometedor barco ruso en Marte
En marzo de este año, en el marco de la semana de las altas tecnologías, se realizó una expedición virtual "Landing on Mars" en la Universidad RUDN. De hecho, se parecía más a una olimpiada: los equipos de escolares en un programa especial establecieron parámetros iniciales para el dispositivo, que se suponía que debía hacer un aterrizaje suave en Marte:Cuando escuché esta noticia, tenía curiosidad sobre qué programa se usó: he estado hablando durante mucho tiempo sobre el maravilloso simulador espacial Orbiter, con el que puedes estudiar astronomía y astronáutica de una manera lúdica, y también estoy interesado en programas similares que combinan el entrenamiento con un juego / competencia . Sin esperar realmente ver el programa directamente, inmediatamente pensé en cómo simular una situación similar en el Orbiter gratuito y de descarga gratuita. La tarea no parecía fácil: debe seleccionar un aparato que se pueda plantar en el Planeta Rojo, formar los parámetros orbitales necesarios de su movimiento y determinar qué parámetros controlaremos.Formulación del problema
La información sobre cómo funciona el programa se puede obtener de fuentes abiertas. En el programa de televisión de Roscosmos, su interfaz es claramente visible:
y en el sitio web de la escuela No. 2123 en Moscú hay un informe sobre tal evento con una fotografía de la declaración del problema . La foto no está muy allí, pero afortunadamente, el texto se puede leer:- La nave espacial ingresa a la atmósfera de Marte con una velocidad inicial de 6 km / s. El límite condicional de la atmósfera es de 100 km.
- Hay dos parámetros disponibles para el control: calidad aerodinámica y ángulo de entrada de la trayectoria a la atmósfera.
- Tarea: frenar el dispositivo en la atmósfera para que al abrir el paracaídas en la etapa final de aterrizaje, su velocidad sea mínima.
Un pequeño programa educativo preliminar
El ángulo de trayectoria es el ángulo entre el vector de velocidad de la nave espacial y el horizonte local del planeta. Cuanto más pequeño sea el ángulo de la trayectoria, más hueco entrará el aparato a la atmósfera. En un ángulo de trayectoria de 0 °, el dispositivo está en una órbita circular, y a 90 ° cae verticalmente en el planeta.La calidad aerodinámica es la relación entre la elevación y la resistencia aerodinámica de una aeronave. En palabras simples, si un avión con el motor apagado vuela 10 km, mientras disminuye en 5, entonces su calidad aerodinámica será igual a dos. En las aves, generalmente se encuentra en la región de 10, los parapentes, dependiendo de la clase, pueden tener una calidad aerodinámica de 7-10, alas delta - 17-20, y los mejores planeadores en aire tranquilo pueden volar más de 50 km por cada kilómetro de altitud perdido.La calidad aerodinámica es un parámetro bastante complicado, por ejemplo, depende del ángulo de ataque del dispositivo:
Ángulo de ataque : el ángulo entre la dirección de movimiento del dispositivo y su eje especialmente seleccionado. Si estamos hablando del ángulo de ataque del ala, entonces este eje será su acorde , y para nuestro caso de una nave espacial será su eje de construcción.Selección de dispositivo
Lo más difícil fue la elección del aparato para el aterrizaje. Los entusiastas hicieron una gran cantidad de complementos para Orbiter, pero generalmente tenían una aerodinámica fija, y tendrían que ajustar la calidad aerodinámica cambiando los parámetros del dispositivo en los archivos de configuración. Por lo general, se almacenan en forma abierta, pero editarlos manualmente es un inconveniente, y escribir una publicación científica popular con una propuesta para editar constantemente archivos de configuración, incluso para geeks, es excesivo. Lo que se necesitaba era alguna forma de cambiar de alguna manera la calidad aerodinámica del dispositivo sobre la marcha. Afortunadamente, tal método fue encontrado. Orbiter tiene un trimmer de elevador que funciona de manera similar a los trimmers comunes en la aviación, obligando al dispositivo a subir o bajar la nariz por sí solo. Para controlar el recortador, no necesita ingresar a los archivos de configuración, y al cargar el mismo script, puede obtener el dispositivo con la calidad aerodinámica deseada.El siguiente requisito obvio era la posibilidad de un aterrizaje suave de la nave espacial. Intentar ralentizar el hecho de que en el final todavía se estrellará en la superficie no es interesante.Después de muchos experimentos, logré encontrar un aparato que tenga una recortadora ajustable y un sistema de aterrizaje suave. De repente, resultó ser un prometedor barco ruso PTK NP. Por un lado, esto no es realista: esta nave nunca fue diseñada para aterrizar en Marte, pero además de ser adecuada para dos parámetros críticos, tenía curiosas ventajas. El lanzamiento manual del paracaídas permite un control más o menos flexible, y los motores del sistema de aterrizaje suave se pueden usar para frenar en los últimos metros del vuelo y hacer un aterrizaje realista, a pesar de la debilidad de los paracaídas diseñados para la atmósfera de la tierra.La formación de la órbita deseada.
Orbiter tiene un editor de script incorporado, que se llama presionando Ctrl-F4 :
hay varias formas de colocar el dispositivo en la órbita de Marte. Puede abrir un script con cualquier dispositivo en órbita de Marte, si tiene uno. Puede crear un nuevo dispositivo o mover uno existente a la órbita de Marte. Ya tenía un guión, la forma más fácil:
el editor de guiones le permite ajustar todos los elementos de la órbita, pero obtener la órbita correcta editándolos solo manualmente es muy difícil. Iremos de una manera mucho más simple. Para comenzar, transferiremos el dispositivo a una órbita circular sobre el ecuador de Marte. El hecho de que la órbita sea circular significa que su excentricidad será cero, y para que pase sobre el ecuador, la inclinación de la órbita debe ser cero. Estableceremos la altura de la órbita en la región de 150 km, ajustando el parámetro del eje semi-mayor:
Resultó:
Estamos en un lugar muy bueno en la órbita; recientemente hemos cruzado la línea del terminador. Si ingresamos a la atmósfera alrededor de este punto, tendremos todo un hemisferio iluminado para desacelerar convenientemente a la luz del día.La siguiente tarea es obtener velocidad en la región de 6 km / s. Para hacer esto, comenzamos a acelerar:
La aceleración lleva tiempo, dejamos la vecindad del pericentro. Por lo tanto, en el editor retrocedemos el tiempo hasta el punto en que queda aproximadamente un minuto para el pericentro, y repetimos la aceleración. Verificamos la velocidad moviéndonos en el editor al área del pericentro: 6 km / s, como queríamos:
y ahora nos movemos a tiempo hace dos horas para que podamos cambiar los parámetros de la órbita de manera más eficiente:
eso es, el problema se ha resuelto. Guarda el guión.La formación de las propiedades aerodinámicas necesarias del aparato.
Nuestra siguiente tarea es cambiar los parámetros del PTK NP para que su calidad aerodinámica se regule en un rango (0-1.2) comparable al programa original. Para hacer esto, debe acceder a los archivos de configuración del complemento. El complemento PTK NP requiere otro complemento: spacecraft3.dll. Esta es una notación bastante avanzada para la creación relativamente simple de dispositivos complejos con aerodinámica y otras características. Afortunadamente, hay tutoriales en la comunidad.. Los leemos y entendemos que necesitamos una forma simple de cambiar la calidad aerodinámica. Una opción es intentar cambiar el peso del dispositivo. En teoría, un cambio en la masa debería cambiar las fuerzas que actúan sobre el cuerpo y, por ejemplo, si hacemos que nuestro barco sea más fácil, las pequeñas alas instaladas en el archivo de configuración harán que sea más fácil levantarlo. Cambiamos la masa, comprobamos que no funciona.La segunda idea es aumentar el efecto de control de los trimmers. El hecho es que en el modelo del barco hay pequeños recortadores invisibles. La atmósfera que los rodea crea una fuerza que desvía la nave y la lleva a un ángulo de ataque distinto de cero. Si aumentamos su área, entonces aumentará la fuerza que desvía la nave. Verificamos:
¿Cómo medimos el ascensor? Hay un buen complemento Aerobrake MFD, que sobre la marcha considera la calidad aerodinámica, pero el problema es que no funciona con dispositivos creados con spacecraft3.dll. Hay que medirlo de otra manera. Para hacer esto, usaremos el escenario “Aterrizaje” listo para usar del complemento PTK NP y veremos las fuerzas que actúan en el dispositivo usando Ctrl-F9 :
D (Arrastrar) - arrastre aerodinámico.G (Gravedad) - gravedad.F (Fuerza) - resultante.De nuevo, no hubo suerte: la fuerza de elevación no se muestra directamente. Pero podemos determinarlo indirectamente, porque la resultante es la suma de todas las fuerzas que actúan sobre el cuerpo. Para simplificar el problema, medimos la fuerza de elevación cuando los vectores de la resistencia resultante y aerodinámica coinciden:
Resulta un problema geométrico simple: la
fuerza de elevación según la fórmula de Pitágoras será igual a sqr (40 * 40 + 83 * 83) = 95. 95/73 = 1.3 significa que hemos seleccionado un área de recorte adecuada.Cambiar el dispositivo en el script
Bueno, aquí es fácil. Por analogía con los escenarios donde hay un PTK NP, abrimos el guión que guardamos con la órbita correcta y cambiamos el planeador Delta al PTK NP, al mismo tiempo que repostaremos el combustible en un tanque lleno:
eso es todo, estamos listos para entrenar.Jugar
Para el juego necesitamos:En el escenario, controlamos el ángulo de trayectoria cambiando la altura del pericentro. La forma más fácil de hacer esto es girar el barco "hacia la izquierda" en relación con el vector de velocidad orbital y dar un impulso con los motores de crucero:
Desafortunadamente, Orbiter no tiene medios para medir directamente el ángulo de trayectoria. En cambio, propongo centrarme en el parámetro de altura del pericentro. Cuanto más pequeño sea, más empinada será la entrada atmosférica:
antes de ingresar a la atmósfera, debe disparar el mástil del cable con el botón K y restablecer el compartimento agregado con el botón J :
El frenado en capas densas de la atmósfera en el caso más simple se realiza ajustando el trimmer al ángulo deseado y la observación pasiva. Pero si lo desea, puede maniobrar el rollo moviendo la serpiente, y así controlar la velocidad vertical. Y ya puede cambiar la calidad aerodinámica durante el frenado, cambiando la configuración del trimmer.
A una altitud de ~ 5 kilometros reiniciamos la escotilla del compartimiento del paracaídas con el J botón y abrir el paracaídas de freno con la K botón . A continuación, hemos restablecido el escudo de calor con el J botón y suelte el chasis con el G botón . Tres cúpulas de los paracaídas principales se abrirán independientemente cuando la velocidad sea aceptable. A una altitud de 100-300 m, encienda los motores de aterrizaje con el botón Num +y apague la velocidad antes de aterrizar.
El simulador resultante emula todos los errores posibles: puede estrellar una nave en Marte con alta velocidad vertical, volar de regreso al espacio sin posibilidad de regresar o acercarse a la superficie a alta velocidad horizontal y estrellar la nave a pesar de la velocidad vertical cercana a cero. Pero con la práctica, seguramente encontrará una buena solución. ¡Que tengas un buen aterrizaje!
Epílogo
Es divertido, pero el programa fuente, contrario a las expectativas, me llegó. El cosmonauta Sergei Revin vino a Ufa a la teleconferencia de escolares de la ISS y abandonó el programa de la escuela espacial de Ufa , y desde allí ya llegó a mí. Los parámetros allí son algo contradictorios, y el ángulo de trayectoria es notablemente mayor que el de los dispositivos históricos, pero es curioso. No puedo dar un enlace al programa, no tengo derechos para publicar.Hay otras publicaciones de la serie por etiqueta Orbiter , desde escenarios en los que puedes mirar sin tocar los controles, hasta vuelos complejos. Source: https://habr.com/ru/post/es380361/
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