Семейство разгонных блоков «Бриз» - «Бриз-М», «Бриз-КМ» - это пример аппарата, разработанного уже после распада СССР. Причин такой разработки было несколько:
- На основе МБР УР-100 разрабатывалась конверсионная ракета-носитель «Рокот», для которой был бы полезен разгонный блок (РБ).
- На «Протоне» для выведения на ГСО использовался РБ «ДМ», который использовал «неродную» для «Протона» пару «кислород-керосин», имел время автономного полёта всего 7 часов, да и грузоподъёмность его можно было бы увеличить.
Разработчиком разгоннных блоков семейства Бриз является ФГУП «Государственный космический научно-производственный центр имени М.В.Хруничева». В 1990-1994 годах прошли испытательные пуски и, в мае-июне 2000 года состоялись полёты обеих модификаций «Бриза» - «Бриз-КМ» для «Рокота» и «Бриз-М» для «Протона». Главное различие между ними - наличие дополнительных сбрасываемых топливных баков на «Бризе-М», которые дают больший запас характеристической скорости (delta-V) и позволяют выводить более тяжелые спутники.
Блоки семейства «Бриз» отличаются очень плотной компоновкой:
Особенности технических решений:
- Двигатель находится внутри «стакана» в баке
- Внутри баков также находятся баллоны с гелием для наддува
- Баки горючего и окислителя имеют общую стенку (благодаря использованию пары НДМГ/АТ это не представляет технической сложности), нет увеличения длины блока из-за межбакового отсека
- Баки являются несущими - нет силовых ферм, которые бы требовали дополнительного веса и увеличивали длину
- Сбрасываемые баки фактически являются половиной ступени, что, с одной стороны, требует лишнего веса на стенки, с другой - позволяет увеличивать запас характеристической скорости за счет сброса пустых баков.
Плотная компоновка экономит геометрические размеры и вес, но она имеет и свои недостатки. Двигатель, который, работая, излучает тепло, находится очень близко к бакам и трубопроводам.
Сочетание более высокой (на 1-2 градуса, в пределах спецификации) температуры топлива с более высокой теплонапряженностью работы двигателя в процессе работы (тоже в пределах спецификации) привело к закипанию окислителя, нарушению охлаждения турбины ТНА жидким окислителем и нарушению её работы, что вызвало аварию РБ при выведении спутника «Ямал-402» в декабре 2012 года.
В качестве двигателей РБ используется комбинация из двигателей трех типов: маршевого С5.98 (14Д30) тягой 2 тонны, четырех двигателей коррекции (фактически это двигатели осаждения, ullage motors), которые включаются перед пуском маршевого двигателя для осаждения топлива на дно баков, и двенадцати двигателей ориентации тягой 1,3 кг. Маршевый двигатель имеет весьма высокие параметры (давление в камере сгорания ~100 атм, удельный импульс 328,6 с) несмотря на открытую схему. Его «отцы» стояли на марсианских станциях «Фобос» а «деды» - на посадочных лунных станциях типа «Луна-16». Маршевый двигатель может гарантированно включаться до восьми раз, а срок активного существования блока не меньше суток.
Масса полностью заправленного блока составляет до 22,5 тонн, полезная нагрузка достигает 6 тонн. Но суммарная масса блока после отделения от третьей ступени ракеты-носителя чуть меньше 26 тонн. При выводе на геопереходную орбиту РБ недозаправляется, а полностью заполненный бак для прямого вывода на ГСО выводил максимум 3,7 тонны полезной нагрузки.Тяговооруженность блока получается равной ~0.76. Это недостаток РБ «Бриз», но небольшой. Дело в том, что после отделения РБ+ПН находятся на незамкнутой орбите, что требует импульса на довыведение, а небольшая тяга двигателя приводит к гравитационным потерям. Гравитационные потери составляют примерно 1-2%, что весьма немного. Также, длительные периоды работы двигателя повышают требования к надёжности. С другой стороны, у маршевого двигателя гарантированный срок работы до 3200 секунд (почти час!).
Тактико-технические характеристики разгонного блока “Бриз-КМ”
- Состав - Моноблок с коническим баковым отсеком и маршевым двигателем, расположенным в нише бака “Г”.
- Применение - в составе РН “Рокот” в качестве III ступени
- Основные особенности - Возможность маневрирования в полете.
- Начальная масса, т - 6.475
- Заправляемый запас топлива (АТ+НДМГ), т - до 5.055
- Тип, количество и тяга в пустоте двигателей:
- ЖРД 14Д30 (1 шт.), 2.0 тс (маршевый),
- ЖРД 11Д458 (4 шт.) по 40 кгс (двигатели коррекции),
- 17Д58Э (12 шт.) по 1.36 кгс (двигатели ориентации и стабилизации)
- Максимальное время автономного полета, час. - 7
- Год первого полета - май 2000 г.
Тактико-технические характеристики разгонного блока “Бриз-М”
- Состав - Разгонный блок, состоящий из центрального блока на базе РБ «Бриз-КМ» и окружающего его сбрасываемого дополнительного топливного бака тороидальной формы.
- Применение - в составе РН “Протон-М”, РН “Ангара-А3” и “Ангара-А5”
- Основные особенности
- предельно малые габариты;
- возможность выведения тяжелых и крупногабаритных КА;
- возможность длительного функционирования в полете
- Начальная масса, т - до 22.5
- Заправляемый запас топлива (АТ+НДМГ), т - до 20
- Число включений маршевого двигателя - до 8
- Максимальное время автономного полета, час. - не менее 24 (по ТТЗ)
Хорошая реакция на о космическом симуляторе Orbiter и, как минимум, двести человек, которые заинтересовались и скачали аддоны к нему, привели меня к идее продолжить цикл статей образовательной и игровой направленности. Также, я хочу облегчить переход от первой статьи, в которой всё делает автоматика, не требуя ваших действий, к самостоятельным экспериментам, чтобы не получился анекдот о рисовании совы . Эта статья имеет следующие цели:
- Рассказать о семействе разгонных блоков «Бриз»
- Дать представление об основных параметрах орбитального движения: апоцентре, перицентре, наклонении орбиты
- Дать представление об основах орбитальной механики и запусках на геостационарную орбиту (ГСО)
- Предоставить простое руководство по освоению ручного выхода на ГСО в симуляторе
Введение
Об этом мало задумываются, но семейство разгонных блоков «Бриз» - «Бриз-М», «Бриз-КМ» - это пример аппарата, разработанного уже после распада СССР. Причин такой разработки было несколько:
- На основе МБР УР-100 разрабатывалась конверсионная ракета-носитель «Рокот», для которой был бы полезен разгонный блок (РБ).
- На «Протоне» для выведения на ГСО использовался РБ «ДМ», который использовал «неродную» для «Протона» пару «кислород-керосин», имел время автономного полёта всего 7 часов, да и грузоподъёмность его можно было бы увеличить.
В 1990-1994 годах прошли испытательные пуски и, в мае-июне 2000 года состоялись полёты обеих модификаций «Бриза» - «Бриз-КМ» для «Рокота» и «Бриз-М» для «Протона». Главное различие между ними - наличие дополнительных сбрасываемых топливных баков на «Бризе-М», которые дают бОльший запас характеристической скорости (delta-V) и позволяют выводить более тяжелые спутники. Вот фотография, которая очень хорошо иллюстрирует разницу:
Конструкция
Блоки семейства «Бриз» отличаются очень плотной компоновкой:
Более подробный чертёж
Обратите внимание на технические решения:
- Двигатель находится внутри «стакана» в баке
- Внутри баков также находятся баллоны с гелием для наддува
- Баки горючего и окислителя имеют общую стенку (благодаря использованию пары НДМГ/АТ это не представляет технической сложности), нет увеличения длины блока из-за межбакового отсека
- Баки являются несущими - нет силовых ферм, которые бы требовали дополнительного веса и увеличивали длину
- Сбрасываемые баки фактически являются половиной ступени, что, с одной стороны, требует лишнего веса на стенки, с другой - позволяет увеличивать запас характеристической скорости за счет сброса пустых баков.
Плотная компоновка экономит геометрические размеры и вес, но она имеет и свои недостатки. Например, двигатель, который, работая, излучает тепло, находится очень близко к бакам и трубопроводам. И сочетание более высокой (на 1-2 градуса, в пределах спецификации) температуры топлива с более высокой теплонапряженностью работы двигателя в процессе работы (тоже в пределах спецификации) привело к закипанию окислителя, нарушению охлаждения турбины ТНА жидким окислителем и нарушению её работы, что вызвало аварию РБ при выведении спутника «Ямал-402» в декабре 2012 года .
В качестве двигателей РБ используется комбинация из двигателей трех типов: маршевого С5.98 (14Д30) тягой 2 тонны, четырех двигателей коррекции (фактически это двигатели осаждения, ullage motors), которые включаются перед пуском маршевого двигателя для осаждения топлива на дно баков, и двенадцати двигателей ориентации тягой 1,3 кг. Маршевый двигатель имеет весьма высокие параметры (давление в камере сгорания ~100 атм, удельный импульс 328,6 с) несмотря на открытую схему. Его «отцы» стояли на марсианских станциях «Фобос» а «деды» - на посадочных лунных станциях типа «Луна-16». Маршевый двигатель может гарантированно включаться до восьми раз, а срок активного существования блока не меньше суток.
Масса полностью заправленного блока составляет до 22,5 тонн, с полезной нагрузкой ~6 тонн получим массу блока после отделения от третьей ступени ракеты-носителя в ~28-29 тонн. Т.е. тяговооруженность блока получается равной ~0.07. Это недостаток РБ «Бриз», но не очень большой. Дело в том, что после отделения РБ+ ПН находятся на незамкнутой орбите, что требует импульса на довыведение, а небольшая тяга двигателя приводит к гравитационным потерям. Также, длительные периоды работы двигателя повышают требования к надёжности. С другой стороны, у маршевого двигателя гарантированный срок работы до 3200 секунд (почти час!).
Немного о надежности
Семейство РБ «Бриз» эксплуатируется весьма активно:
- 4 полёта «Бриз-М» на «Протоне-К»
- 72 полёт «Бриз-М» на «Протоне-М»
- 16 полётов «Бриз-КМ» на «Рокоте»
Итого 92 полёта на 16 февраля 2014 года. Из них произошло 5 аварий (частичный успех с «Ямал-402» я записал в аварию) по вине блока «Бриз-М» и 2 по вине «Бриз-КМ» что даёт нам надёжность 92%. Рассмотрим причины аварий более подробно:
- 28 февраля 2006, ArabSat 4A - преждевременный останов двигателя из-за посторонней частицы, попавшей в сопло гидротурбины ( , ), единичный производственный дефект.
- 15 марта 2008, AMC-14 - преждевременный останов двигателя, разрушение высокотемпературного газопровода (), потребовалась его доработка.
- 18 августа 2011, Экспресс-АМ4. Необоснованно «заужен» временной интервал подворота гиростабилизированной платформы, неправильная ориентация (), ошибка программистов.
- 6 августа 2012, Telkom 3, Экспресс-МД2. Останов двигателя из-за засорения магистрали наддува (), производственный дефект.
- 9 декабря 2012, Ямал-402. Останов двигателя из-за выхода из строя ТНА, сочетание неблагоприятных факторов температурного режима ()
- 8 октября 2005, «Бриз-КМ», Cryosat, неразделение второй ступени и РБ, нештатная работа ПО (), ошибка программистов.
- 1 февраля 2011, «Бриз-КМ», Гео-ИК2, нештатный импульс двигателя, предположительно из-за отказа системы управления, из-за отсутствия телеметрии точную причину установить невозможно.
Если проанализировать причины аварий, то с проблемами конструкции и ошибками проектирования связаны только две - прогар газопровода и нарушение охлаждения ТНА. Все прочие аварии, причина которых известна достоверно, связаны с проблемами качества производства и подготовки к пуску. Это неудивительно - космическая отрасль требует очень высокого качества работы, и ошибка даже рядового сотрудника может привести к аварии. Сам по себе «Бриз» не является неудачной конструкцией, однако, стоит отметить отсутствие запаса прочности из-за того, что для обеспечения максимальных характеристик РБ материалы работают близко к границе своей физической прочности.
Полетаем
Пора перейти к практике - отправиться вручную на геостационарную орбиту в Orbiter"е. Для этого нам потребуются:
Релиз Орбитера, если вы его ещё не скачали после прочтения первой статьи, вот ссылка .
Аддон «Proton LV» скачать отсюда
Немного теории
Из всех параметров орбиты здесь нас будут интересовать три параметра: высота перицентра (для Земли - перигей), высота апоцентра (для Земли - апогей) и наклонение:
- Высота апоцентра - это высота самой высокой точки орбиты, обозначается как На.
- Высота перицентра - это высота самой низкой точки орбиты, обозначается как Нп.
- Наклонение орбиты - это угол между плоскостью орбиты и плоскостью, проходящей через экватор Земли (в нашем случае орбит вокруг Земли), обозначается как i .
Геостационарная орбита - это круговая орбита с высотой перицентра и апоцентра 35 786 км над уровнем моря и наклонением 0 градусов. Соответственно, наша задача разбивается следующие этапы: выйти на низкую околоземную орбиту, поднять апоцентр до 35 700 км, изменить наклонение до 0 градусов, поднять перицентр до 35 700 км. Изменять наклонение орбиты выгоднее в апоцентре, потому что там меньше скорость спутника, а, чем меньше скорость, тем меньшую delta-V надо приложить для её изменения. Одна из хитростей орбитальной механики состоит в том, что иногда выгоднее поднять апоцентр гораздо выше нужного, изменить наклонение там, и позже опустить апоцентр до нужного. Траты на подъем и спуск апоцентра выше нужного + изменение наклонения могут быть меньше, чем изменение наклонения на высоте нужного апоцентра.
План полёта
В сценарии с «Бризом-М» надо вывести «Sirius-4», шведский спутник связи, запущенный в 2007 году. За прошедшие годы его уже успели переименовать, теперь это «Астра-4А» . План его выведения был такой:
Понятное дело, что мы, выходя на орбиту вручную, лишаемся точности автоматов, исполняющих расчеты баллистиков, поэтому наши параметры полёта будут с довольно большими ошибками, но это не страшно.
Этап 1. Выход на опорную орбиту
Этап 1 занимает время от запуска программы до выхода на круговую орбиту высотой примерно 170 км и наклонением 51 градус (тяжкое наследие широты Байконура, при пуске с экватора было бы сразу 0 градусов).
Сценарий Proton LV / Proton M / Proton M - Breeze M (Sirius 4)
От загрузки симулятора до отделения РБ от третьей ступени можно любоваться видами - всё делает автоматика. Разве что необходимо переключить фокус камеры на ракету с вида с земли (нажимать F2
до значений слева-сверху absolute direction
или global frame
).
В процессе выведения рекомендую переключиться на вид «изнутри» по F1
, подготовиться к тому, что нас ждет:
Кстати, в Orbiter можно включить паузу по Ctrl-P
, это может вам пригодиться.
Немного пояснений о значениях важных для нас показателей:
После отделения третьей ступени мы оказываемся на незамкнутой орбите с угрозой упасть в район Тихого океана, если мы будем действовать медленно или неверно. Для того, чтобы избежать такой печальной участи, нам следует выйти на опорную орбиту, для чего нам следует:
- Остановить вращение блока нажатием кнопки Num 5 . Т.н. режим KillRot (остановка вращения). После фиксации положения режим автоматически выключается.
- Переключить вид назад на вид вперед кнопкой C .
- Переключить индикатор лобового стекла в орбитальный режим (Orbit Earth сверху) нажатием кнопки H .
- Клавишами Num 2 (поворот вверх), Num 8 (поворот вниз), Num 1 (поворот влево), Num 3 (поворот вправо), Num 4 (крен влево), Num 6 (крен вправо) и Num 5 (остановка вращения) повернуть блок по направлению движения с углом тангажа примерно 22 градуса и зафиксировать положение.
- Начать процедуру запуска двигателя (сначала Num + , потом, не отпуская, Ctrl ).
Если вы все сделаете правильно, картинка будет примерно такая:
После включения двигателя:
- Создать вращение, которое зафиксирует угол тангажа (пара нажатий Num 8 и угол не будет заметно меняться).
- В процессе работы двигателя удерживать угол тангажа в диапазоне 25-30 градусов.
- Когда значения перицентра и апоцентра будут в районе 160-170 км, выключить двигатель кнопкой Num * .
Если всё прошло хорошо, будет что-то вроде:
Самая нервная часть закончилась, мы на орбите, упасть уже некуда.
Этап 2. Выход на промежуточную орбиту
Из-за низкой тяговооруженности, апоцентр до 35 700 км приходится поднимать в два этапа. Первый этап - это выход на промежуточную орбиту с апоцентром ~5000 км. Специфика проблемы - надо разгоняться так, чтобы апоцентр не оказался в стороне от экватора, т.е. надо разгоняться симметрично относительно экватора. В этом нам поможет проекция схемы выведения на карту Земли:
Картина для запущенного на днях Турксат 4А, но это неважно.
Подготовка к выходу на промежуточную орбиту:
- Переключить левый многофункциональный дисплей в режим карты (Левый Shift F1 , Левый Shift M ).
- R , замедлить в 10 раз T ) подождать до пролёта над Южной Америкой.
- Сориентировать блок в проградное (носом по направлению движения) положение. Можно нажать кнопку [ , чтобы это делала автоматика, но здесь это не очень эффективно, лучше вручную.
- Придать блоку вращение вниз для сохранения проградного положения
Должно получиться что-то вроде:
В районе широты 27 градусов надо включить двигатель, и, удерживая проградное положение, лететь до достижения апоцентра 5000 км. Можно включать ускорение 10х. По достижении апоцентра 5000 км, выключить двигатель.
Музыка, по-моему, очень подходит к разгону на орбите
Если всё прошло хорошо, то получим что-то типа:
Этап 3. Выход на переходную орбиту
Очень похоже на этап 2:
- С помощью ускорения времени (ускорить в 10 раз R , замедлить в 10 раз T , можно спокойно ускорять до 100х, 1000х не советую) подождать до пролёта над Южной Америкой.
- Сориентировать блок в проградное (носом по направлению движения) положение.
- Придать блоку вращение вниз для сохранения проградного положнения.
- В районе широты 27 градусов надо включить двигатель, и, удерживая проградное положение, лететь до достижения апоцентра 35700 км. Можно включать ускорение 10х.
- Когда во внешнем топливном баке кончится топливо, сбросить его нажатием D . Запустить двигатель снова.
Сброс топливного бака, видна работа двигателей осаждения
Результат. Обратите внимание, я поторопился выключить двигатель, апоцентр 34,7 тысячи км. Это не страшно, для чистоты эксперимента оставим так.
Красивый вид
Этап 4. Изменение наклонения орбиты
Если вы всё делали с небольшими ошибками, то апоцентр будет в районе экватора. Порядок действий:
- Ускоряя время до 1000х подождать подлёта к экватору.
- Сориентировать блок перпендикулярно полёту, вверх, если смотреть с внешней стороны орбиты. Для этого подойдет автоматический режим Nml+, который активируется нажатием кнопки ; (она же ж )
- Включить двигатель.
- Если после маневра по обнулению наклонения останется топливо, можно потратить его на поднятие перицентра.
- После окончания топлива кнопкой J отделить спутник, раскрыть его солнечные панели и антенны Alt-A , Alt-S
Начальная позиция перед маневром
После маневра
Этап 5. Самостоятельное выведение спутника на ГСО
У спутника есть двигатель, с помощью которого можно поднять перицентр. Для этого в районе перицентра ориентируем спутник проградно и включаем двигатель. Двигатель слабый, надо повторять несколько раз. Если всё будете делать правильно, у спутника ещё останется примерно 20% топлива на коррекцию возмущений орбиты. В реальности, воздействие Луны и других факторов приводит к тому, что орбита спутников искажается, и приходится тратить топливо на поддержание требуемых параметров.
Если у вас всё получилось, картинка будет примерно следующей:
Разгонный блок «Бриз-М» предназначен для повышения возможностей ракет-носителей тяжелого класса типа «Ангара А5», «Протон-К»,
«Протон-М» как по массе полезной нагрузки, выводимой в широком диапазоне орбит, так и по предоставляемому объему зоны полезной нагрузки.
Разгонный блок «Бриз-М» имеет компактную компоновку. Он состоит из центрального блока и окружающего его тороидального сбрасываемого дополнительного блока топливных баков.
Рисунок 1 - Схема выведения КА с помощью РБ «Бриз-М»
Маршевый жидкостной ракетный двигатель 14Д30 установлен в нише внутри топливного бака центрального блока и обладает возможностью многократного включения. Жидкостные ракетные двигатели малой тяги, работающие на тех же компонентах топлива, что и маршевый двигатель, обеспечивают ориентацию и стабилизацию РБ на пассивных участках автономного полета, а также осаждение топлива в баках при повторных запусках маршевого двигателя.
Установленная в приборном отсеке, находящемся на верхней части центрального блока, инерциальная система управления осуществляет управление полетом разгонного блока и его бортовыми системами. Разгонный блок «Бриз-М» оснащен также системой энергопитания и аппаратурой для сбора телеметрической информации и внешнетраекторных измерений.
Выведение КА осуществляется с помощью разгонного блока (РБ) «Бриз-М». Для оптимизации энергетических затрат предложена схема полета РБ на целевую орбиту с пятью включениями маршевого двигателя (МД) раз-
гонного блока.
Первое включение МД РБ выполняется через 93 секунды после отделения от РН, в результате чего осуществляется выход орбитального блока (ОБ) на опорную орбиту.
Второе включение МД производится в районе узла опорной орбиты и обеспечивает формирование промежуточной орбиты, в перигее которой через виток осуществляется третье и четвертое включение МД, в результате которых орбитальный блок выводится на переходную орбиту. В паузе между третьим и четвертым включениями МД осуществляется сброс дополнительных топливных баков (ДТБ) разгонного блока. Четвертое включение МД выполняется через 125 с после окончания третьего включения МД. Полет по переходной и промежуточной орбитам осуществляется с закруткой ОБ вокруг продольной оси.
Рисунок 2 – РБ «Бриз-М» на испытаниях в МИКе
Основные характеристики РБ «Бриз-М»:
Габаритные размеры, м:
Длина, м 2 654
Диаметр, м 4
Сухая масса, м 2 665
Компоненты топлива:
Окислитель: Азотный тетроксид
Горючее: НДМГ
Масса заправленного топлива, кг
Окислитель: 13 26
Горючее: 6660
Маршевый двигатель: 14Д30
Тяга, кН 20
Удельный импульс тяги, Н*с/кг 3255
Пятое включение МД РБ закрепляет ОБ на целевой орбите и производится в районе апогея переходной орбиты.
Перед отделением КА орбитальный блок разворачивается в положение для отделения КА, которое определено требованиями Заказчика. Отделение КА производится через 700 с после выключения МД на целевой орбите.
Разрыв механических связей между КА и РБ в процессе разделения производится по стыку КА с переходной системой. После разрыва стяжной ленты КА с помощью пружинных толкателей отталкивается от РБ с относительной скоростью 0,75 м/с.
После отделения КА и проведения сеанса измерения параметров орбиты разгонный блок уводится из рабочей зоны КА и переводится в безопасное состояние (сбрасывается давление из всех емкостей).
Общая продолжительность выведения от момента старта ракеты-носителя до отделения КА составляет 33020 секунд (~ 9 ч 10 мин).