Estamos pousando um navio russo promissor em Marte
Em março deste ano, no âmbito da semana de alta tecnologia, a expedição virtual “Landing on Mars” ocorreu na RUDN. De fato, era mais como uma olimpíada - equipes de crianças em idade escolar em um programa especial definiam parâmetros iniciais para o dispositivo, que deveria fazer um pouso suave em Marte:Quando ouvi essas notícias, fiquei curioso sobre o programa usado - converso há muito tempo sobre o maravilhoso simulador espacial Orbiter, com o qual você pode estudar astronomia e astronáutica de uma maneira lúdica, e também estou interessado em programas semelhantes que conectam o treinamento a um jogo / competição . Não querendo ver o programa diretamente, pensei imediatamente em como simular uma situação semelhante no Orbiter, disponível gratuitamente para download. A tarefa não parecia fácil - você precisa selecionar um aparelho que possa ser plantado no Planeta Vermelho, formar os parâmetros orbitais necessários de seu movimento e determinar quais parâmetros controlaremos.Formulação do problema
Informações sobre como o programa funciona podem ser obtidas em fontes abertas. No programa de TV da Roscosmos, sua interface é claramente visível:
e no site da escola nº 2123 em Moscou há um relatório sobre esse evento com uma fotografia da declaração do problema . A foto não está muito lá, mas, felizmente, o texto pode ser lido:- A sonda entra na atmosfera de Marte com uma velocidade inicial de 6 km / s. O limite condicional da atmosfera é de 100 km.
- Dois parâmetros estão disponíveis para controle - qualidade aerodinâmica e ângulo do caminho de entrada na atmosfera.
- Tarefa: frear o dispositivo na atmosfera para que, ao abrir o paraquedas na fase final de pouso, sua velocidade seja mínima.
Um pequeno programa educacional preliminar
O ângulo da trajetória é o ângulo entre o vetor de velocidade da espaçonave e o horizonte local do planeta. Quanto menor o ângulo de trajetória, mais oco o aparelho entrará na atmosfera. Em um ângulo de trajetória de 0 °, o dispositivo está em uma órbita circular e, a 90 °, cai verticalmente no planeta.Qualidade aerodinâmica é a razão entre o levantamento e o arrasto aerodinâmico de uma aeronave. Em palavras simples, se um avião com o motor desligado voa 10 km, enquanto diminui em 5, sua qualidade aerodinâmica será igual a dois. Nas aves, geralmente está na região de 10, os parapentes, dependendo da classe, podem ter uma qualidade aerodinâmica de 7 a 10, asa delta - 17 a 20, e os melhores planadores em ar calmo podem voar mais de 50 km por cada quilômetro de altitude perdido.A qualidade aerodinâmica é um parâmetro bastante complicado, por exemplo, depende do ângulo de ataque do dispositivo:
Ângulo de ataque : o ângulo entre a direção do movimento do dispositivo e seu eixo especialmente selecionado. Se estivermos falando sobre o ângulo de ataque da asa, esse eixo será seu acorde e, no caso de uma espaçonave, será seu eixo de construção.Seleção de dispositivo
O mais difícil foi a escolha do aparelho para o pouso. Os entusiastas criaram muitos complementos para o Orbiter, mas geralmente tinham aerodinâmica fixa e precisavam ajustar a qualidade aerodinâmica alterando os parâmetros do dispositivo nos arquivos de configuração. Eles geralmente são armazenados em formato aberto, mas editá-los manualmente é inconveniente e escrever uma publicação científica popular com a proposta de editar constantemente arquivos de configuração, mesmo para geeks, é um exagero. O que era necessário era uma maneira de alterar a qualidade aerodinâmica do dispositivo em tempo real. Felizmente, esse método foi encontrado. O Orbiter possui um aparador de elevador que funciona de maneira semelhante aos aparadores comuns na aviação, forçando o dispositivo a levantar ou abaixar o nariz por conta própria. Para controlar o aparador, você não precisa acessar os arquivos de configuração e, carregando o mesmo script, pode obter o dispositivo com a qualidade aerodinâmica desejada.O próximo requisito óbvio era a possibilidade de pouso suave da espaçonave. Tentar abrandar o fato de que no final ainda vai bater na superfície é desinteressante.Depois de muitas experiências, consegui encontrar um aparelho que tivesse um aparador ajustável e um sistema de aterrissagem suave. De repente, tornou-se um navio russo promissor PTK NP. Por um lado, isso não é realista - este navio nunca foi projetado para pousar em Marte, mas, além de ser adequado para dois parâmetros críticos, tinha vantagens curiosas. A liberação manual do paraquedas permite um controle mais ou menos flexível, e os motores do sistema de pouso suave podem ser usados para frear nos últimos metros do voo e fazer uma aterrissagem realista, apesar da fraqueza dos para-quedas projetados para a atmosfera da Terra.A formação da órbita desejada
O Orbiter possui um editor de scripts embutido, chamado Ctrl-F4 :
existem várias maneiras de colocar o dispositivo na órbita de Marte. Você pode abrir um script com qualquer dispositivo em órbita de Marte, se você tiver um. Você pode criar um novo dispositivo ou mover um existente para a órbita de Marte. Eu já tinha um script, da maneira mais fácil:
O editor de scripts permite ajustar todos os elementos da órbita, mas é muito difícil obter a órbita certa editando-as apenas manualmente. Iremos de uma maneira muito mais simples. Para começar, transferiremos o dispositivo para uma órbita circular acima do equador de Marte. O fato de a órbita ser circular significa que sua excentricidade será zero e, para passar sobre o equador, a inclinação da órbita deve ser zerada. Definiremos a altura da órbita na região de 150 km, ajustando o parâmetro do eixo semi-principal:
Descobrimos:
estamos em um lugar muito bom na órbita - cruzamos recentemente a linha do terminador. Se entrarmos na atmosfera em torno deste ponto, teremos todo um hemisfério iluminado para desacelerar convenientemente à luz do dia.A próxima tarefa é obter velocidade na região de 6 km / s. Para fazer isso, começamos a acelerar:
A aceleração leva tempo, deixamos a vizinhança do pericentro. Portanto, no editor, retrocedemos o tempo até o ponto em que resta um minuto para o pericentro e repetimos a aceleração. Verificamos a velocidade movendo o editor para a área do pericentro - 6 km / s, como queríamos:
e agora avançamos no tempo há duas horas para que possamos alterar os parâmetros de órbita com mais eficiência:
É isso, o problema foi resolvido. Salve o script.A formação das propriedades aerodinâmicas necessárias do aparelho
Nossa próxima tarefa é alterar os parâmetros do PTK NP para que sua qualidade aerodinâmica seja regulada em um intervalo (0-1,2) comparável ao programa original. Para fazer isso, você precisa acessar os arquivos de configuração do complemento. O Addon PTK NP requer outro addon - spacecraft3.dll. Essa é uma notação bastante avançada para a criação relativamente simples de dispositivos complexos com aerodinâmica e outros recursos. Felizmente, existem tutoriais na comunidade.. Nós os lemos e entendemos que precisamos de uma maneira simples de alterar a qualidade aerodinâmica. Uma opção é tentar alterar o peso do dispositivo. Em teoria, uma mudança de massa deve alterar as forças que atuam no corpo e, por exemplo, se facilitarmos nosso navio, as pequenas asas instaladas no arquivo de configuração facilitarão o seu levantamento. Mudamos a massa, verificamos - não funciona.A segunda idéia é aumentar o efeito de controle dos aparadores. O fato é que no modelo do navio existem pequenos aparadores invisíveis. A atmosfera ao seu redor cria uma força que desvia o navio, levando-o a um ângulo de ataque diferente de zero. Se aumentarmos sua área, a força que desviará o navio aumentará. Verificamos:
Como medimos o elevador? Existe um bom complemento Aerobrake MFD, que considera a qualidade aerodinâmica em tempo real, mas o problema é que ele não funciona com dispositivos fabricados com o spacecraft3.dll. Tem que medir de outra maneira. Para fazer isso, usaremos o cenário pronto "Landing" do complemento PTK NP e veremos as forças que atuam no dispositivo usando Ctrl-F9 :
D (Drag) - arrasto aerodinâmico.G (Gravidade) - gravidade.F (Força) - resultante.Novamente, sem sorte - a força de elevação não é mostrada diretamente. Mas podemos determiná-lo indiretamente, porque o resultante é a soma de todas as forças que atuam no corpo. Para simplificar o problema, medimos a força de elevação quando os vetores do arrasto resultante e aerodinâmico coincidem:
Acontece um simples problema geométrico: a
força de elevação de acordo com a fórmula pitagórica será igual a sqr (40 * 40 + 83 * 83) = 95. 95/73 = 1,3 significa que selecionamos uma área de aparador adequada.Alterando o dispositivo no script
Bem, aqui é fácil. Por analogia com os cenários em que existe um PTK NP, abrimos o script que salvamos com a órbita correta e alteramos o delta para o PTK NP; ao mesmo tempo, reabastecemos o combustível para um tanque cheio:
é tudo, estamos prontos para treinar.Toque
Para o jogo, precisamos:No cenário, controlamos o ângulo da trajetória alterando a altura do pericentro. A maneira mais fácil de fazer isso é girar o navio para a esquerda em relação ao vetor de velocidade orbital e impulsionar os motores de cruzeiro:
Infelizmente, o Orbiter não tem meios para medir diretamente o ângulo da trajetória. Em vez disso, proponho me concentrar no parâmetro de altura do pericentro. Quanto menor, mais íngreme será a entrada atmosférica:
Antes de entrar na atmosfera, é necessário disparar no mastro do cabo com o botão K e redefinir o compartimento agregado com o botão J :
A frenagem em camadas densas da atmosfera, no caso mais simples, é feita ajustando o aparador no ângulo desejado e na observação passiva. Mas, se desejar, você pode manobrar o rolo movendo a cobra e, assim, controlar a velocidade vertical. E você pode alterar a qualidade aerodinâmica já durante a frenagem, alterando a configuração do aparador.
A uma altitude de aproximadamente 5 km, que redefinir a escotilha pára-quedas com o J botão e abrir o pára-quedas do freio com o K botão . Então nós redefinir o escudo de calor com o J botão e solte o chassis com o G botão . Três cúpulas dos paraquedas principais se abrirão independentemente quando a velocidade se tornar aceitável. A uma altitude de 100 a 300 m, ligue os motores de pouso com o botão Num +e extinguir a velocidade antes do pouso.
O simulador resultante emula todos os erros possíveis - você pode colidir com um navio em Marte com alta velocidade vertical, voar de volta ao espaço sem chance de retornar ou se aproximar da superfície em alta velocidade horizontal e colidir com o navio, apesar da velocidade vertical quase zero. Mas com a prática, você certamente encontrará uma boa solução. Tenha uma boa aterrissagem!
Epílogo
É engraçado, mas o programa fonte, ao contrário das expectativas, chegou até mim. O cosmonauta Sergei Revin veio a Ufa para a teleconferência de crianças em idade escolar da ISS e deixou o programa da escola espacial de Ufa , e dali já veio a mim. Os parâmetros são um tanto contra-intuitivos, e o ângulo da trajetória é visivelmente maior que o dos dispositivos históricos, mas é curioso. Não posso fornecer um link para o programa, não tenho direitos para publicar.Existem outras publicações da série da marca Orbiter , desde cenários em que você pode assistir sem tocar nos controles até voos complexos. Source: https://habr.com/ru/post/pt380361/
All Articles