Дорогой длинною: как космические корабли добираются до МКС
Международная космическая станция находится на высоте около 400 километров. Эта величина постоянно меняется, ведь даже разреженная атмосфера тормозит огромный объект, из-за чего МКС снижается и ее орбиту приходится периодически корректировать. Вращается вокруг Земли станция со скоростью 28 тысяч километров в час.
Земля, кстати, тоже вращается вокруг своей оси. А теперь представьте, что запущенный с нашей планеты небольшой корабль должен не только встретиться с МКС на своем пути, но и не врезаться в нее, и не затормозить раньше положенного. Рассчитать все параметры — задача нетривиальная, но она уже почти рутинно выполняется десятки лет.
к содержанию ↑Долгий путь
В середине 1980-х годов, когда МКС еще не существовало, но на орбите успешно заработала станция «Мир» (а до нее были и другие — советские «Салюты» и американская Skylab) была разработана двухсуточная схема полета, которая долгое время считалась классической. Полет занимал 50 часов, за которые космический корабль успевал сделать 34 витка вокруг Земли.
Для ее реализации прежде всего нужно рассчитать момент запуска: корабль должен выйти на орбиту в той же плоскости, что и МКС. Далее момент стыковки должен приходиться на время, когда станция освещена солнцем. Космонавтам важно ее видеть, чтобы контролировать процесс и при необходимости перейти на ручное управление.
В кромешной темноте сделать это невозможно.
Первый этап полета — вывод космического корабля на низкую околоземную орбиту. Для этого ракета-носитель разгоняет его до скорости 27 тысяч километров в час и выводит на высоту 200 километров. Здесь он может оставаться без дополнительного включения двигателей, если, конечно, разогнался до первой космической скорости — 28,8 тысячи километров в час.
Далее выполняется гомановский переход — маневр, названный в честь немецкого инженера Вальтера Гомана, который в 1925 году первым математически обосновал переход космического корабля между двумя орбитами с минимальными затратами топлива. Чтобы его осуществить, осуществляют два включения двигателей: первый поднимает корабль на новую высоту по эллиптической траектории, а второй помогает на ней остаться на круговой орбите.
Второй этап — это полет по орбите фазирования на высоте 320 километров на скорости 27,8 тысячи километров в час. Именно в это время инженеры проводят все вычисления, чтобы космический корабль занял верное положение по отношению к МКС. На Земле эти расчеты выполнить невозможно, потому что невозможно достаточно точно предсказать поведение ракеты-носителя во время полета.
Когда все вычисления выполнены, корабль остается на орбите до достижения нужного фазового угла (это угол между положением корабля и МКС).
Теперь нужно выполнить биэллиптический переход. Чтобы корабль точно перешел на заданную высоту с заданной скоростью, гомановский переход применить невозможно. Поэтому корабль выполняет три включения двигателей, последний из которых отправляет его в зону сближения со станцией.
Третий этап — пожалуй, самый ответственный. Космический корабль с большой скоростью догоняет станцию. При этом короткий боковой импульс двигателя уводит его чуть в сторону, чтобы избежать столкновения в случае ошибки.
Когда до станции остается 200 километров, корабль поворачивается к ней задом, включает двигатели, тормозит, и вновь поворачивается передом. Примерно за 180 километров до станции включается радарная система, и компьютер автоматически проводит стыковку. Но командир корабля всегда может переключить управление на себя.
Такой путь хоть и долог, но довольно надежен: на каждом этапе можно провести корректировки, если что-то пошло не так. Однако для космонавтов такой полет — тяжелое испытание. Во-первых, «Союз» — довольно тесный корабль, и находится в нем 50 часов просто-напросто некомфортно.
Во-вторых, за это время случаются «глухие витки», когда с кораблем пропадает связь, потому что он слишком далеко от наземных станций. В это время двое членов экипажа переходят в бытовой отсек для отдыха, а один остается следить за параметрами полета. Но отдых — это хорошо сказано.
«Союз» постоянно крутится, ориентируясь по Солнцу, чтобы зарядить аккумуляторы. А это непростое испытание для вестибулярного аппарата.
к содержанию ↑Мне пришлось стать мумией. Я делала лишь небольшие медленные движения, и даже от этого меня сильно тошнило
Ануше Ансари, первая женщина, ставшая космической туристкой
Путь покороче
Нужно отметить, что еще во время первых полетов к орбитальным станциям, советские инженеры придумал односуточную схему сближения. Однако она оказалась не идеальной: дело в том, что примерно через пять часов проходит эйфория от пребывания в невесомости, а концу первых суток наступает острая фаза адаптации. Координация движений сильно ухудшается, и проводить стыковку в ручном режиме становится опасно.
Поэтому такую схему применять не стали.
Вообще же, самое короткое время между стартом и стыковкой составляет всего 47 минут. И этот рекорд установили еще в 1968 году аппараты «Космос-212» и «Космос-213». Правда, их «состыковать», конечно, значительно проще.
Спутники запускали навстречу друг друга, подгадывая так, чтобы их орбиты пересеклись. Поэтому они оказывались на близком расстоянии и быстренько стыковались.
Однако инженеры продолжали думать над тем, как бы доставить космонавтов на МКС поскорее — еще до ухода корабля на «глухой» пятый виток. Так появилась четырехвитковая схема, и время в пути сократилось с 50 до шести часов!
При двухсуточной схеме много времени тратится на расчеты орбиты в космосе. Теперь предварительные вычисления стали делать на Земле, а космический корабль запускался сразу на орбиту фазирования. Там в течение нескольких витков в расчеты вносились необходимые корректировки, чтобы обеспечить безопасную стыковку.
В случае каких-то проблем корабль мог уйти на привычную двухсуточную схему.
Новый подход испытали на грузовых «Прогрессах» в 2012 и 2013 годах, а уже в марте 2013-го Павел Виноградов, Александр Мисуркин и Кристофер Кэссиди долетели до МКС за шесть часов. Затем появились модернизированные корабли «Союз МС», и такие полеты стали привычным делом.
Но такая схема оказалась очень утомительной для космонавтов. У них больше не было «глухих витков» для отдыха, а от подъема до стыковки проходило 16–18 часов, из них — в скафандре. Поэтому время полета решили сократить еще больше.
Этому помогло и развитие техники.
к содержанию ↑Очень короткий путь
В середине 2010-х Роскосмос перешел на более совершенную ракету-носитель «Союз-2.1» с цифровой системой управления (до этого использовались «Союзы-ФГ» с аналоговой). Благодаря усовершенствованию параметры полета ракеты стали значительно более точными, и необходимость в дополнительных расчетах в космосе отпала. Поэтому космический корабль с низкой околоземной орбиты выходил сразу на орбиту МКС за два витка и три часа.
Также это давало значительную экономию топлива.
Однако это добавило работы баллистикам, рассчитывающим траекторию полета. Если для двухсуточной схемы фазовый угол составлял 150 градусов, то для двухвитковой — всего шесть. Сблизиться с МКС в таких условиях становится довольно сложно — в случае ошибки в расчетах придется переходить на двухсуточную схему.
Кроме того, для реализации короткого полета приходится корректировать орбиту самой станции.
Впервые двухвитковую схему полета отработали на корабле «Прогресс МС-09» в июле 2018 года. Он добрался до МКС всего за 3 часа 40 минут. Первым пилотируемым кораблем, долетевшим до МКС за два витка, стал «Союз МС-17» в октябре 2020 года: с момента старта до стыковки прошло лишь 3 часа 3 минуты.
Благодаря столь быстрому полету космонавты переживают острую фазу адаптации к невесомости уже в комфортных условиях МКС.
Следующая