Nous débarquons un navire russe prometteur sur Mars
En mars de cette année, dans le cadre de la semaine des hautes technologies, une expédition virtuelle «Landing on Mars» s'est tenue à l'Université RUDN. En fait, cela ressemblait plus à une olympiade - des équipes d'écoliers dans un programme spécial fixaient les paramètres initiaux de l'appareil, qui devait effectuer un atterrissage en douceur sur Mars:Quand j'ai entendu cette nouvelle, j'étais curieux de savoir quel programme était utilisé - je parle depuis longtemps du merveilleux simulateur spatial Orbiter, avec lequel vous pouvez étudier l'astronomie et l'astronautique de manière ludique, et je suis également intéressé par des programmes similaires qui combinent la formation avec un jeu / une compétition . N'espérant pas vraiment que je verrais le programme directement, j'ai immédiatement réfléchi à la façon de simuler une situation similaire dans l'Orbiter, téléchargeable gratuitement et gratuitement. La tâche n'a pas été facile - vous devez sélectionner un appareil qui peut être planté sur la planète rouge, former les paramètres orbitaux nécessaires à son mouvement et déterminer les paramètres que nous contrôlerons.Formulation du problème
Des informations sur le fonctionnement du programme peuvent être obtenues auprès de sources ouvertes. Dans le programme télévisé de Roscosmos, son interface est assez clairement visible:
et sur le site Web de l'école n ° 2123 à Moscou, il y a un reportage sur un tel événement avec une photo de l'énoncé du problème . La photo n'est pas très là, mais heureusement, le texte peut être lu:- Le vaisseau spatial pénètre dans l'atmosphère de Mars à une vitesse initiale de 6 km / s. La limite conditionnelle de l'atmosphère est de 100 km.
- Deux paramètres sont disponibles pour le contrôle: la qualité aérodynamique et l'angle de trajectoire d'entrée dans l'atmosphère.
- Tâche: freiner l'appareil dans l'atmosphère de sorte que lors de l'ouverture du parachute au stade final de l'atterrissage, sa vitesse soit minimale.
Un petit programme éducatif préliminaire
L'angle de trajectoire est l'angle entre le vecteur vitesse de l'engin spatial et l'horizon local de la planète. Plus l'angle de trajectoire est petit, plus l'appareil pénètre dans l'atmosphère. À un angle de trajectoire de 0 °, l'appareil se trouve sur une orbite circulaire et à 90 °, il tombe verticalement sur la planète.La qualité aérodynamique est le rapport entre la portance et la traînée aérodynamique d'un avion. En termes simples, si un avion avec le moteur éteint vole 10 km, tout en diminuant de 5, alors sa qualité aérodynamique sera égale à deux. Chez les oiseaux, il est généralement de l'ordre de 10, les parapentes, selon la classe, peuvent avoir une qualité aérodynamique de 7-10, des deltaplanes - 17-20, et les meilleurs planeurs en air calme peuvent voler plus de 50 km pour chaque kilomètre d'altitude perdu.La qualité aérodynamique est un paramètre assez compliqué, par exemple, elle dépend de l'angle d'attaque de l'appareil:
Angle d'attaque : l'angle entre la direction de déplacement de l'appareil et son axe spécialement sélectionné. Si nous parlons de l'angle d'attaque de l'aile, alors cet axe sera son accord , et pour notre cas d'un vaisseau spatial, ce sera son axe de construction.Sélection de l'appareil
Le plus difficile a été le choix de l'appareil pour l'atterrissage. Les amateurs ont créé un grand nombre d'add-ons pour Orbiter, mais ils avaient généralement une aérodynamique fixe, et ils devaient ajuster la qualité aérodynamique en changeant les paramètres de l'appareil dans les fichiers de configuration. Ils sont généralement stockés sous forme ouverte, mais les modifier manuellement n'est pas pratique, et écrire une publication scientifique populaire avec une proposition de modifier constamment les fichiers de configuration, même pour les geeks, est exagéré. Ce qu'il fallait, c'était un moyen de changer d'une manière ou d'une autre la qualité aérodynamique de l'appareil à la volée. Heureusement, une telle méthode a été trouvée. Orbiter a une tondeuse élévatrice qui fonctionne de manière similaire aux tondeuses courantes en aviation, forçant l'appareil à lever ou à baisser le nez de lui-même. Pour contrôler le trimmer, vous n'avez pas besoin d'aller dans les fichiers de configuration, et en chargeant le même script, vous pouvez obtenir l'appareil avec la qualité aérodynamique souhaitée.La prochaine exigence évidente était la possibilité d'un atterrissage en douceur du vaisseau spatial. Essayer de ralentir le fait que dans la finale va encore planter en surface n'est pas intéressant.Après de nombreuses expériences, j'ai réussi à trouver un appareil doté d'un trimmer réglable et d'un système d'atterrissage en douceur. Soudain, il s'est avéré être un navire russe prometteur PTK NP. D'une part, ce n'est pas réaliste - ce navire n'a jamais été conçu pour atterrir sur Mars, mais il, en plus d'être adapté à deux paramètres critiques, avait de curieux avantages. La libération manuelle du parachute permet un contrôle plus ou moins souple, et les moteurs du système d'atterrissage en douceur peuvent être utilisés pour freiner sur les derniers mètres du vol et effectuer un atterrissage réaliste, malgré la faiblesse des parachutes conçus pour l'atmosphère terrestre.La formation de l'orbite souhaitée
Orbiter a un éditeur de script intégré, qui est appelé en appuyant sur Ctrl-F4 : Il
existe plusieurs façons de placer l'appareil sur l'orbite de Mars. Vous pouvez ouvrir un script avec n'importe quel appareil en orbite autour de Mars, si vous en avez un. Vous pouvez créer un nouvel appareil ou déplacer un appareil existant sur l'orbite de Mars. J'avais déjà un script, la manière la plus simple: l'
éditeur de script vous permet d'ajuster tous les éléments de l'orbite, mais obtenir la bonne orbite en les modifiant uniquement manuellement est très difficile. Nous irons d'une manière beaucoup plus simple. Pour commencer, nous transférerons l'appareil sur une orbite circulaire au-dessus de l'équateur de Mars. Le fait que l'orbite soit circulaire signifie que son excentricité sera nulle, et pour qu'elle passe sur l'équateur, l'inclinaison de l'orbite doit être mise à zéro. Nous allons régler la hauteur de l'orbite aux alentours de 150 km, en ajustant le paramètre du demi-grand axe:
Il s'est avéré:
nous sommes très bien placés sur l'orbite - nous avons récemment franchi la ligne de terminaison. Si nous entrons dans l'atmosphère autour de ce point, nous aurons tout un hémisphère illuminé pour ralentir commodément à la lumière du jour.La prochaine tâche consiste à atteindre une vitesse de l'ordre de 6 km / s. Pour ce faire, nous commençons à accélérer:
L'accélération prend du temps, nous quittons le voisinage du péricentre. Par conséquent, dans l'éditeur, nous remontons le temps au point où il reste environ une minute au péricentre et répétons l'accélération. Nous vérifions la vitesse en nous déplaçant dans l'éditeur vers la zone du péricentre - 6 km / s, comme nous le voulions:
Et maintenant nous remontons de deux heures dans le temps afin de pouvoir changer les paramètres d'orbite plus efficacement:
Voilà, le problème a été résolu. Enregistrez le script.La formation des propriétés aérodynamiques nécessaires de l'appareil
Notre tâche suivante consiste à modifier les paramètres du PTK NP afin que sa qualité aérodynamique soit régulée dans une plage (0-1,2) comparable au programme d'origine. Pour ce faire, vous devez monter dans les fichiers de configuration de l'addon. L'addon PTK NP nécessite un autre addon - spacecraft3.dll. Il s'agit d'une notation assez avancée pour la création relativement simple de dispositifs complexes avec aérodynamique et autres fonctionnalités. Heureusement, il existe des tutoriels dans la communauté.. Nous les lisons et comprenons que nous avons besoin d'un moyen simple de changer la qualité aérodynamique. Une option consiste à essayer de changer le poids de l'appareil. En théorie, un changement de masse devrait changer les forces agissant sur le corps, et, par exemple, si nous facilitons notre vaisseau, les petites ailes installées dans le fichier de configuration faciliteront le levage. On change la masse, on vérifie - ça ne marche pas.La deuxième idée est d'augmenter l'effet de contrôle des trimmers. Le fait est que dans le modèle du navire, il y a de petits trimmers invisibles. L'atmosphère qui les entoure crée une force qui dévie le navire, l'amenant à un angle d'attaque non nul. Si nous augmentons leur surface, alors la force déviant le navire augmentera. Nous vérifions:
Comment mesurons-nous la portance? Il existe un bon module complémentaire Aerobrake MFD, qui à la volée considère la qualité aérodynamique, mais le problème est qu'il ne fonctionne pas avec les appareils fabriqués à l'aide de spacecraft3.dll. Je dois le mesurer d'une autre manière. Pour ce faire, nous utiliserons le scénario «Landing» prêt à l'emploi de l'addon PTK NP et verrons les forces agissant sur l'appareil en utilisant Ctrl-F9 :
D (Drag) - traînée aérodynamique.G (gravité) - gravité.F (Force) - résultant.Encore une fois, pas de chance - la force de levage n'est pas directement indiquée. Mais nous pouvons le déterminer indirectement, car la résultante est la somme de toutes les forces agissant sur le corps. Pour simplifier le problème, nous mesurons la force de levage lorsque les vecteurs de la traînée résultante et aérodynamique coïncident:
Il en résulte un problème géométrique simple: la
force de levage selon la formule de Pythagore sera égale à sqr (40 * 40 + 83 * 83) = 95. 95/73 = 1,3 signifie que nous avons sélectionné une zone de coupe appropriée.Changer l'appareil dans le script
Eh bien, ici, c'est facile. Par analogie avec les scénarios où il y a un PTK NP, nous ouvrons le script que nous avons enregistré avec l'orbite correcte et passons le delta-planeur au PTK NP, en même temps nous ravitaillerons le carburant dans un réservoir plein:
c'est tout, nous sommes prêts à nous entraîner.Jouer
Pour le jeu, nous avons besoin de:Dans le scénario, nous contrôlons l'angle de la trajectoire en modifiant la hauteur du péricentre. La façon la plus simple de le faire est de tourner le navire «vers la gauche» par rapport au vecteur de vitesse orbitale et de donner une impulsion avec les moteurs de croisière:
Malheureusement, Orbiter n'a aucun moyen de mesurer directement l'angle de trajectoire. Au lieu de cela, je propose de me concentrer sur le paramètre de hauteur du péricentre. Plus il est petit, plus l'entrée atmosphérique sera raide:
Avant d'entrer dans l'atmosphère, vous devez tirer sur le mât de câble avec le bouton K et réinitialiser le compartiment d'agrégat avec le bouton J :
Le freinage dans les couches denses de l'atmosphère dans le cas le plus simple se fait en réglant le trimmer à l'angle souhaité et en l'observation passive. Mais si vous le souhaitez, vous pouvez manœuvrer le rouleau en déplaçant le serpent, et ainsi contrôler la vitesse verticale. Et vous pouvez changer la qualité aérodynamique déjà pendant le freinage, en changeant le réglage du trimmer.
A une altitude de ~ 5 km , nous remettons à zéro la trappe du compartiment en parachute avec le J bouton et ouvrir le parachute de freinage avec le K bouton . Ensuite , nous remettons à zéro le bouclier thermique avec le J bouton et relâchez le châssis avec le G bouton . Trois dômes des parachutes principaux s'ouvriront indépendamment lorsque la vitesse deviendra acceptable. À une altitude de 100-300 m, allumez les moteurs d'atterrissage avec le bouton Num +et éteindre la vitesse avant l'atterrissage.
Le simulateur résultant émule toutes les erreurs possibles - vous pouvez écraser un navire sur Mars à une vitesse verticale élevée, retourner dans l'espace sans possibilité de revenir, ou approcher de la surface à une vitesse horizontale élevée et planter le navire malgré une vitesse verticale proche de zéro. Mais avec de la pratique, vous trouverez sûrement une bonne solution. Bon atterrissage!
Épilogue
C'est drôle, mais le programme source, contrairement aux attentes, m'a touché. Le cosmonaute Sergei Revin est venu à Ufa à la téléconférence des écoliers de l'ISS et a quitté le programme de l' école spatiale Ufa , et de là, il m'est déjà venu. Les paramètres y sont quelque peu contre-intuitifs, et l'angle de trajectoire est sensiblement plus grand que celui des appareils historiques, mais c'est curieux. Je ne peux pas donner de lien vers le programme, je n'ai pas le droit de publier.Il existe d' autres publications de la série par tag Orbiter , des scénarios où vous pouvez simplement regarder sans toucher aux commandes, aux vols complexes. Source: https://habr.com/ru/post/fr380361/
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