Журнал «Компьютерра» № 15 от 17 апреля 2007 года - Компьютерра

Везде по-разному… Вообще-то, это чрезвычайно «нервный» этап работы. Дело в том, что космический аппарат, особенно если это межпланетная исследовательская станция, несет на борту море оборудования для проведения многочисленных измерений и экспериментов. Практически каждый такой эксперимент требует, чтобы космический аппарат оказался в определенной точке пространства в соответствующей ориентации. Зачастую сама программа эксперимента требует многочисленных переориентаций исследовательской станции и вдобавок включает в себя сеансы измерений в нескольких точках траектории — в открытом космосе, на подлете к планете, при пролете через верхние слои атмосферы и т. д.

Каждый комплекс аппаратуры имеет своего «хозяина» — организацию, планирующую эксперимент. Все такие организации выдают требования, касающиеся баллистических параметров в точках измерений (баллистики, разрабатывающие траекторию движения и программу коррекций, должны учесть в своих расчетах все нюансы). Это не всегда легко сделать, тогда начинается более или менее длительный процесс согласований, совещаний, поиска компромиссов…

При разработке траекторий приходится учитывать множество факторов как «внешнего» (пространственное положение небесных тел, гравитация, предположения о распределении плотности атмосфер и т. п.), так и «внутреннего» свойства (например, запасы топлива или рабочего тела двигателей космического аппарата, накладывающие ограничения на возможные значения импульсов коррекции и смены ориентаций). В частности, существуют временные «окна», когда целесообразно отправлять космическую станцию по некоторому конкретному маршруту. Эти «окна» определяются исходя из возможности минимизировать затраты энергии, времени полета и, как правило, известны заранее, однако вписаться в них не всегда удается по техническим или экономическим причинам.

Практически программа полета разбивается на этапы — например, этап выведения на промежуточную орбиту вокруг Земли, этап доразгона с выведением на траекторию движения к выбранной планете, этап движения по траектории с необходимым числом коррекций, этап подлета, этап перехода на орбиту спутника планеты или торможения и спуска в атмосфере. Если аппарат должен вернуться к Земле, траектория возврата строится сходным образом.

Баллистическое сопровождение полета осуществляется на каждом из этих этапов. К примеру, на этапе выведения используются данные, получаемые сетью наземных измерительных пунктов, которые непрерывно измеряют дальность, азимут и угол места выводимого аппарата. В результате вычислений мы получаем значения отклонений реальной траектории движения от программной и оценку ее допустимости. В конце этапа выведения мы имеем параметры орбиты, на которую выведен аппарат, что в дальнейшем позволяет рассчитать необходимый импульс доразгона и уставки для его выдачи (время, ориентация аппарата).

Довести космическую станцию до цели, лишь единожды рассчитав все параметры траектории, конечно же, нереально. Практически всегда есть расхождения в величинах действительных и теоретически необходимых импульсов двигателей коррекции и ориентации, что вносит своеобразную «помеху». Поэтому на трассе движения выполняются сеансы определения положения аппарата и уточняется его ориентация (знать ее очень важно, так как сопла двигателей, при помощи которых осуществляются коррекции траектории и ориентации, конструктивно «привязаны» к корпусу космического аппарата). Эта работа ведется в течение всего полета. Конечно же, наиболее точно определить расхождение действительной и программной траекторий можно «в конце пути», у цели, но в этом случае может оказаться, что промах так велик, что для коррекции не хватит ни энергетики космического аппарата, ни времени. Поэтому приходится многократно корректировать траекторию, не забывая об экономии топлива.

Отдельная «головная боль» — солнечные элементы (если они есть на борту и имеют плоскостную конструкцию). Дело в том, что для подзарядки бортовых аккумуляторов их время от времени необходимо разворачивать к Солнцу, а это не всегда, но частенько означает, что необходимо определенным образом сориентировать весь космический аппарат. При этом часть научной аппаратуры не может продолжать работу, и после сеанса подзарядки станцию необходимо вновь сориентировать должным образом.

Завершилось признание космической баллистики как одного из научных направлений НИИ-4 созданием в институте (май 1956 года) специализированной лаборатории с задачами: организация баллистического обеспечения управления полётом ИСЗ и определение перспектив использования спутников в интересах Министерства обороны. Начальником первой лаборатории космической баллистики был назначен опытный ракетный баллистик, доктор технических наук Павел Ефимович Эльясберг…

Наша космическая лаборатория при этом оказалась в сложнейшем положении. Из-за отсутствия ЭВМ пришлось искать «ручные способы» решения баллистических задач. А эти способы должны были решить задачу определения орбиты по данным измерений, прогнозирование движения спутника, расчет целеуказаний всем средствам наблюдений и измерений. Была создана графоаналитическая методика, основу которой составляло определение по данным измерений на специальных планшетах периода обращения спутника. Сравнением периодов обращения, вычисленных на нескольких соседних витках, можно было определить «падение» периода в функции времени, что давало возможность спрогнозировать движение спутника на несколько витков, а затем и рассчитать целеуказания всем средствам наблюдения и измерения.

В дальнейшем обстоятельства сложились так, что нашему институту была поручена разработка проектов командно-измерительных комплексов (КИК): полигонного КИК в районе старта ракеты, КИК в районе падения боевых частей, КИК для обеспечения пусков ИСЗ и космических аппаратов различного назначения, корабельного КИК. Для выполнения этих работ потребовалась разработка новых методов, которые пополнили методологию космической баллистики. В части баллистического обеспечения управления полетом КА при подготовке каждого пуска основная нагрузка ложилась на наш институт, так как он исполнял роль головного центра по баллистическому обеспечению пуска.

А. В. Брыков — лауреат Ленинской премии, доктор технических наук, профессор, ведущий научный сотрудник 4-го Центрального научно-исследовательского института Министерства обороны Российской Федерации.

Существует ли математическая модель солнечной системы, позволяющая в любой момент времени знать местоположение и параметры движения всех ее тел?

Параметры движения планет и большого числа астероидов Солнечной системы хорошо известны. Космические баллистики пользуются этими астрономическими данными, однако в расчет, конечно, принимается лишь движение тел, существенно влияющих на полет космического аппарата. Чем более сложной и «многозаходной» является программа полета станции, тем больше влияющих факторов учитывается.

Математическая модель солнечной системы?.. Похоже, мы никогда ею не пользовались, если даже она существует. Зато имеются многочисленные программы-визуализаторы астрономической обстановки, например Planet’s orbits 1.41 [На www.astrogalaxy.ru/095.html есть эта программа и много похожих] — бесплатная программа для домашнего компьютера, позволяющая промоделировать и, главное, увидеть «со стороны» орбиты и текущее положение на них всех планет солнечной системы, и большинства известных астероидов. Это, конечно же, не профессиональный инструмент, хотя позволяет получить множество числовых параметров. Но очень забавный…

В последние несколько месяцев средства массовой информации все чаще трубят об угрозе Земле со стороны астероидов. Понятно, что самыми компетентными экспертами в этом вопросе могут быть не столько астрономы, сколько космические баллистики. Можем ли мы расчетным путем определить моменты критической близости траекторий Земли и известных нам астероидов? Что мы знаем об их движении в Солнечной системе? Готовы ли мы оперативно рассчитывать полетные задания для ракет-перехватчиков, если это понадобится? И вообще, насколько серьезна эта угроза?

ТЕОРИЯ

Элементы орбиты представляются в виде рядов по степеням времени. Применяемые варианты теорий позволяют изучать возмущенное движение больших планет Солнечной системы на интервале времени в десятки тысяч лет (50 тысяч лет для планет от Меркурия до Нептуна; 10 тысяч лет для Плутона).

Если говорить о траекториях известных астероидов, конечно, можно рассчитать моменты опасного сближения, но что понимать под этим? Опасность представляет, по сути дела, прямое попадание… Чрезвычайно маловероятное событие. А если допустить, что не все малые объекты солнечной системы нами обнаружены, то становится ясно, что дело не в баллистике, а в астрономии.