Баллистический керлинг, или Незаменимый «Прогресс»

11 сентября 2022

Особенность Международной космической станции — сбалансированность входящих в нее конструкций и основных систем. Все модули образуют единое целое, и у каждого сегмента есть свой «конек» в организации общего дела. О том, как российские космические корабли корректируют орбиту станции и почему без них не удастся даже ее затопить, нашему изданию рассказал начальник отдела баллистики РКК «Энергия» Рафаил Муртазин.

«Мне, наверное, повезло: после института я попал в группу, которая занималась сближением…» — вспоминает Рафаил Фарвазович, включая кофе-машину и рассаживая журналистов.

На столе царит непривычный порядок: ни к чему дотошным корреспондентам видеть творческий сумбур на рабочем месте начальника отдела баллистики «Энергии», посвятившего своей работе больше сорока лет жизни.

Именно за этим столом была разработана быстрая схема стыковки, благодаря которой космонавты добираются до МКС за 3.5 часа и которую пока не могут повторить ни за океаном, ни где-либо еще. И именно под руководством Рафаила Муртазина планируется каждый маневр коррекции орбиты Международной космической станции, без которой она не могла бы долго существовать.

Мы попросили рассказать, как математика удерживает 400-тонную конструкцию от неконтролируемого падения на Землю.

По словам специалиста, изначально, на этапе проектирования станции, в конце 1990-х, для нее планировали высоту 425 км. Но потом выяснили, что лучше ее понизить, чтобы оставлять в баках грузовых и пилотируемых кораблей больше топлива про запас.

«Те, кто предложил высоту в 425 км, не учли, что нужен резерв. Без резерва, наверное, можно было бы долететь, но если с первого раза стыковка не произошла, то что, сразу спускаться будем? У вас еще одна попытка должна быть», — объясняет Рафаил Фарвазович. Эти аргументы заставили снизить высоту МКС до 400 км. Но когда появилась схема быстрой стыковки, она обеспечила дополнительную экономию топлива: за три часа полета на управление кораблем его тратится намного меньше, чем за двое суток. Вместе с другими мероприятиями в итоге это позволило поднять станцию повыше. Текущая средняя высота орбиты МКС — 416 км.

Но дело в том, что это именно средняя высота: орбитальная станция не может оставаться на ней постоянно — она все время понемногу снижается. Ее «тормозит» трение о верхние слои атмосферы Земли, пусть и разреженные, сквозь которые она несется со скоростью 7.6 км/сек. Поэтому МКС регулярно приходится «приподнимать».

«С 416 км высота падает до 414 км, мы ее «поднимаем» до 418 км, потом она опять снижается. Этот график высотного профиля называется «пила», на этой «пиле» мы и работаем», — рассказывает Муртазин.

И оказывается, что скорость снижения станции — весьма изменчивый процесс. А влияет на него не что иное, как солнечная активность. Излучение нашей звезды выбивает электроны из атомов, нагревая верхние слои атмосферы и увеличивая плотность этого «воздуха».

В начале 11-летнего солнечного цикла, когда светило находится на минимуме активности, станция за сутки опускается лишь на 10—15?м. В это время достаточно шести-восьми коррекций орбиты в год, говорит Муртазин. А вот конкретно сейчас МКС ежесуточно снижается на сотню метров, и это требует одной или даже двух коррекций в месяц. На пике активности Солнца эти маневры придется проделывать еще чаще: скорость снижения будет составлять до 120?м в сутки.

«В 2018?году я выступал на Королёвских чтениях, и какой-то корреспондент спросил: «Скажите, а когда, по-вашему, лучше топить станцию?» Я ответил, что из моего опыта все станции «падали» в год активного Солнца. В случае МКС при необходимости срочного снижения орбиты (а такие варианты тоже просчитываются) это, конечно, выгодно, так как не потребуется много топлива. Станция будет быстрее естественным путем опускаться», — признается главный баллистик «Энергии».

Если нужно поднять орбиту, то двигатели российских космических «грузовиков» типа «Прогресс», пристыкованных к агрегатному отсеку модуля «Звезда», выдают импульсы в направлении «на разгон».

«Прогрессы» могут быть пристыкованы к отечественному сегменту станции в двух местах — к служебному модулю «Звезда» и к узловому модулю «Причал» (раньше на его месте был «Пирс»). Соответственно корабли могут занимать два разных положения по отношению к станции и ее орбите. Как правило, «Звезда» расположена позади станции, если наблюдать по полету, что очень удобно и не требует разворота МКС при выполнении импульса на «разгон».

В случае же «Причала» требуется разворот на 90°. Кроме того, эти положения неравнозначны, так как «Причал» не проходит через центр масс cтанции, что приводит к увеличению затрат топлива почти на 40?% на импульс за счет парирования «паразитного» момента.

Бывает также, что МКС, наоборот, нужно именно «притормозить»: например, чтобы «правильно» уклониться от «космического мусора». Тогда импульс дается в обратном направлении, то есть против движения станции, что в случае «Звезды» требует разворота МКС на 180°.

Коррекции делают также для подготовки к сближению с прибывающим «Союзом» и для обеспечения посадки корабля в заданный район — для чего необходимо, чтобы трасса станции проходила над ним на витке посадки. Все эти маленькие, но ответственные импульсы выполняются по заранее разработанному графику и рассчитываются с целью одновременно «убить всех зайцев»: обеспечить посадку, «быструю» стыковку и одновременно внести вклад в подъем орбиты.

А особенно сложной и азартной эта игра становится, когда возникает хорошо знакомая, но непредсказуемая проблема в виде вышеупомянутого «космического мусора». В РКК «Энергия» эту игру называют «баллистическим керлингом».

Как разъяснил баллистик, ключевая проблема партнеров в этом смысле — топливо. Дело в том, что импульс тяги двигателя измеряется в метрах в секунду, и математика коррекции орбиты МКС такова, что каждый метр в секунду для нынешней размерности МКС «стоит» примерно 165 кг топлива. А за год для поддержания станции надо выдать в общей сложности до пары десятков метров в секунду. Скажем, за три «сеанса» в августе–сентябре 2022 года двигатели «Прогресса» дадут 2?м/с.

При этом надо учитывать, что топливо кораблю нужно не только на коррекцию орбиты, а еще, само собой, на то, чтобы состыковаться со станцией, а потом при необходимости безопасно свести ее в заданный район акватории Тихого океана.

Так вот, по утверждению Рафаила Муртазина, американский «грузовик» Cygnus в состоянии выделить на поддержание орбиты МКС не более 450 кг топлива. С учетом того, что эти корабли запускают в космос максимум дважды в год, это означает годовой запас в 900 кг, которых хватит на суммарный импульс 5.5–6?м/с.

А ведь еще надо учесть, что если Cygnus пристыкован к осевому узлу, то для выполнения импульса «на разгон» потребуется разворот всей станции на 180°, да к тому же — за счет необходимости поддерживать ориентацию из-за описанного выше «паразитного» момента — при осуществлении этой коррекции нужна неслабая поддержка «Прогресса».

При выполнении кораблем Cygnus тестовой коррекции в июне величиной 0.3?м/с дополнительно потребовалось включать наши двигатели, которые потратили 24 кг. Так что и тут без нашего корабля не обойтись!

«Шесть метров в секунду в год мало для поддержания орбиты! То есть станция будет опускаться быстрее, чем Cygnus’ы будут ее поднимать. Они, конечно, продлят полет МКС при отсутствии «Прогрессов», но ненадолго, всего лишь на полгода или чуть больше», — говорит баллистик.

Та же самая ситуация и с кораблями Dragon от SpaceX. Теоретически в баках пилотируемой версии корабля Илона Маска Crew Dragon остается около 2 тонн топлива: оно предусмотрено для системы аварийного спасения экипажа.

«Но я изучал этот вопрос: они могут дать нужную, очень большую тягу в несколько тонн через большие двигатели при аварии на выведении. Но использовать эти двигатели для поддержания орбиты нельзя. Большая тяга «разорвет» конструкцию МКС. Надо суметь направить это топливо через малые двигатели орбитального маневрирования. И не будем опять же забывать про «паразитный» момент. Так что пока это все разговоры. Успеют они подготовить корабли и МКС для такого вида маневров или нет — пока непонятно».

И это поднимает еще один тревожный вопрос: по данным начальника отдела баллистики РКК «Энергия», для затопления станции понадобится выдать не менее 20?м/с для заключительного импульса и примерно столько же для формирования предспусковой орбиты, то есть потребуется, как минимум, 6—6.5 тонн топлива.

Теоретически это топливо есть в баках модуля «Заря». Но МКС построена так, что «выработать» это топливо можно либо через двигатели «Звезды», либо через двигатели пристыкованных к станции «Прогрессов». А для этой операции потребуются три «грузовика». Если их в распоряжении не будет, это неизбежно означает неконтролируемое падение обломков 400-тонной станции.

источник - https://www.roscosmos.ru/38195/