Последние 6 лет поступают новости, что российские космические аппараты (КА) летят к МКС по каким-то необычным траекториям. Где-то пишут про "быструю схему", кто-то упоминает "двухвитковую". Кто-то вообще умудряется в одной статье упомянуть обе! И при всем при этом, какие-то КА, в том числе пилотируемые, все равно летят два дня. Так что же это такое, в конце-концов?!
Вкратце: вывести КА на орбиту с точностью до миллиметра невозможно. Вообще! Все бы хотели, но пока ни у кого не получается. Из-за этого, достигнув целевой орбиты, всегда приходится проводить коррекцию по итогам измерений с земли.
Дело в двух моментах:
- Несовершенство исполнительных механизмов. Попросту говоря - "железа". Системы управления подачей топлива могут вносить ошибку, а сами двигатели ограничены режимами работы. Из-за этого даже идеальный управляющий импульс может не дать идеального результата.
- Атмосфера Земли. Многие её параметры можно заранее измерить, но полностью предсказать их на всей протяженности траектории просто невозможно. Даже в теории, что уж говорить про практику где с каждой минутой до запуска все измерения устаревают.
Всё это ведет к тому, что когда КА выходит на орбиту, она почти никогда не соответствует расчетной. Ситуация эта штатная, и она решается серией импульсов коррекции уже на основной орбите (бывает, что на опорной, но это для высоких орбит). Однако, такая возможность есть только если надо "просто" выйти на орбиту, как, например, при выводе коммуникационного спутника. Если же выход планируется на орбиту МКС для стыковки, то времени на коррекцию может и не быть: попал - значит попал, промахнулся - значит промахнулся. Это не то чтобы совсем невозможно, это просто статистически плохо предсказуемо, а в этой области постоянство куда более важно чем меткость. Так-то рекорды по скорости стыковки в прошлом ставили как советские, так и американские аппараты.
В общем, чтобы минимально зависеть от условий на земле и позиции станции на орбите, обычно применяется "длинная" (она же "обычная") схема. Аппарат выводится на опорную орбиту ниже станции, после чего наземные службы измеряют ее параметры. Далее делается коррекция для выравнивания наклонения и эксцентриситета орбиты. После этого аппарат ждет окна для выполнения перехода на основную орбиту. Это может занять до двух дней, но может и меньше (зависит от стартовых условий). Выглядит это так:
Чем хороша такая схема? Надежностью! Взлететь можно когда удобно, и гарантированно будешь на станции через максимум двое суток. Если повезет, то и через сутки. Чем она плоха? Для транспортников - практически ничем (под словом "практически" кроется дьявол, но об этом не в этой статье), а вот для пилотируемых пусков тут все понятно: мало кто обрадуется перспективе двое суток сидеть в модуле, справляя надобности в памперс. Людям хотелось бы лететь быстрее.
И вот тут на помощь пришла современная вычислительная техника. Дело в том, что на опорной орбите ведь совсем не обязательно торчать двое суток. Если подгадать момент пуска так чтобы станция была более-менее "где надо", то сделать все необходимые коррекции можно бы и быстрее. Да, условия пуска сильно сузятся, но оно того стоит. Идея это хорошая, и так родилась "быстрая схема".
Не стоит заблуждаться на тему слова "быстрая". Она быстрая только в сравнении с двумя сутками, а так-то она 6-ти часовая. Почему именно 6 часов? Потому, что на коррекцию опорной орбиты выделяется только 4 витка (это те самые "суженные условия"), а каждый виток на этой орбите занимает примерно 90 минут - 4х90=360 минут. Все погрешности запуска должны быть компенсированы за эти 4 витка или придется возвращаться к "обычной" схеме. Например, именно такая история однажды приключилось с «Союз ТМА-18М» - ничего страшного, но и ничего приятного.
В общем, если упростить и отбросить детали, то "быстрая" схема - это "обычная", но с использованием хорошего калькулятора. И некоторой доли везения - как же без неё.
Совсем другое дело схема двухвитковая! Таковая физически невозможна на старых ракетоносителях в виду того, что они не могут обеспечить достаточной степени точности выведения. Обусловлено это тем, что места для серьезных ошибок там нет: весь выход должен уложиться в 4 маневра, каждый из которых поднимает орбиту. Это, в частности, означает, что на коррекцию ошибки наклонения орбиты выделяется только две попытки. На данный момент только одна версия российских РН умеет выходить на орбиту достаточно точно - это "Союз 2.1а", что обусловлено её цифровой системой управления (об этом в других статьях). Если с наклонением у нас полный порядок, то надо "всего лишь" поднять высоту орбиты и встретиться с МКС. Выглядит оно так:
Заметьте, что импульсы перехода выдаются до того как КА выполнит полный виток хотя бы по одной из переходных орбит. И вот поэтому, несмотря на то, что опорных орбит две, вывод происходит всего за два витка. Теоретически, промахнуться можно и тут, но тут все просто - здравствуй "обычная" схема на орбите фазирования.
Может возникнуть вопрос: а зачем нам орбита выведения? Чего бы сразу не полететь на орбиту фазирования? Ответ в том, что отработанные ступени нельзя оставлять на орбите или сбрасывать где попало. У каждого РН своя баллистика, и с этим приходится считаться чтобы ступени разделялись в расчетных точках траектории.
В этой статье многое оказалось за кадром. Писать монументальный труд задачи не было. Если кому-то покажется интересным этот пост, распишу другие моменты, без которых описанные схемы были бы невозможны (или сильно затруднены).
