Краткие сообщения
А. Е. БОБКОВ, И. С. ПУРТОВ, А. И. ШУРОВ, Д. Ю. ЩЕРБИНИН
ВИРТУАЛЬНАЯ РЕКОНСТРУКЦИЯ ИСТОРИИ КОСМИЧЕСКИХ ПОЛЕТОВ СОВЕТСКИХ / РОССИЙСКИХ ПИЛОТИРУЕМЫХ КОРАБЛЕЙ *
Обычно в истории космонавтики обращают внимание на космонавтов, нештатные ситуации, проводимые космические эксперименты. При этом бал-листико-навигационное обеспечение оказывается «забытой характеристикой», хотя его параметры могут много рассказать историку науки и техники. «Всякое проектирование начинается с баллистики и ею же заканчивается», -как-то отметил С. П. Королев 1 Это действительно так, потому что в руках баллистиков оказывается вся траектория космического корабля: они проводят расчеты участка выведения, орбитального полета и спуска с орбиты на Землю.
Пилотируемые космические полеты выполняются уже более пятидесяти лет. За этот период космические средства доставки людей и грузов претерпели существенные изменения, вызванные эволюцией ракетно-космической техники. По мере изменения задач, решаемых в околоземном космическом пространстве, изменялась их конструкция, изменялись и траектории движения пилотируемых космических аппаратов (КА). Сегодня можно говорить о целесообразности ретроспективного анализа данных о траекториях движения пилотируемых КА, который дает историку немало дополнительных сведений.
Орбиты кораблей серии «Восток» имели наклонение 2 около 65°, отличаясь лишь во втором знаке после запятой, и практически одинаковые высоты в апогее и перигее. Однако для первого пилотируемого полета (Ю. А. Гагарин) высота в апогее превышала расчетное значение в результате нештатной ситуации при выведении. Корабли «Восток-3» и «Восток-4» были выведены на орбиту столь точно, что космонавт Павел Попович визуально наблюдал корабль Андрияна Николаева на расстоянии 6,5 км. Но поскольку высоты и периоды обращения кораблей отличались, «Восток-3» и «Восток-4» в ходе совместного полета удалялись друг от друга. В следующем парном полете кораблей «Восток-5» и «Восток-6» космонавтам Валерию Быковскому и Валентине Терешковой не удалось визуально наблюдать друг друга. Высота орбиты «Востока-5» оказалась ниже расчетной, а через четыре дня после старта из-за усилившейся солнечной активности его орбита начала резко снижаться 3.
* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, грант № 11-07-00781-а.
1 См.: Аппазов Р. Ф. Следы в сердце и в памяти. Симферополь, 2001. С. 159.
2 Угол между плоскостью орбиты и плоскостью экватора.
3 См.: Мировая пилотируемая космонавтика. История. Техника. Люди // Ред. Ю. М. Батурин. М., 2005. С. 20-25.
© А. Е. Бобков, И. С. Пуртов, А. И. Шуров, Д. Ю. Щербинин. ВИЕТ. 2013. № 4. С. 138-144.
Для кораблей типа «Союз» была принята орбита с наклонением 51,6°, поскольку оно позволяет выводить на орбиту существенно большую полезную нагрузку, чем наклонение орбиты «Востоков». Но были и исключения: так, корабль «Союз-22» (Валерий Быковский и Владимир Аксенов) был запущен на орбиту с наклонением 64,76°, характерную для «Востоков», поскольку она проходила почти над всей территорией СССР (кроме самых северных районов), в том числе над Москвой и Ленинградом и была очень удобна для фотосъемок 4.
Когда была поставлена задача стыковки двух космических аппаратов, необходимо было добиться того, чтобы второй корабль оказался в плоскости орбиты первого корабля (иначе говоря, орбиты двух кораблей должны быть компланарными). В противном случае потребуются значительные затраты топлива (для «Союза» - до 300 кг, чтобы изменить наклонение орбиты на 1°) на совмещение плоскостей орбит. Когда плоскости орбит совмещены, максимально сближают их остальные параметры. При первой попытке стыковки космических кораблей - беспилотного «Союза-2» и пилотируемого Георгием Береговым «Союза-3» - совмещение плоскостей их орбитального движения было достигнуто, а точность выведения была достаточно высокой - всего 11 км друг от друга, но все же не такой, как у «Востока-3» и «Востока-4». Тем не менее, в результате ошибки космонавта стыковка не удалась.
Сложным было согласование баллистической схемы советско-американского экспериментального полета «Аполлон» - «Союз» (ЭПАС), поскольку стартовые комплексы находились на разных материках, отличались и характеристики ракет-носителей и самих кораблей. Американский космодром находился на мысе Канаверал на восточном, атлантическом побережье полуострова Флорида (США), и при запуске ракеты-носителя проблем с районами падения за исключением первых нескольких секунд нет. При запуске с Байконура накладываются серьезные ограничения, поскольку полет ракеты-носителя проходит над населенными районами. Поэтому наклонение орбит космических объектов, запускаемых с Байконура, т. е. направление их запуска, строго фиксировано. Для ЭПАС было выбрано значение 51,8°. Корабль был выведен на орбиту 228 х 192 км (по расчетам должно было быть 228 х 188). «Аполлон» выводился на орбиту 167 х 150 км с тем же наклонением. Для формирования монтажной орбиты была выбрана круговая орбита высотой 225 км («круговая» орбита допускала изменение в пределах двух километров из-за влияния гравитационного поля сплюснутой Земли и до 11 км из-за отличия поверхности Земли от правильной сферы). Интересно, что понимание круговой орбиты у советских и американских специалистов отличались. Договорились, что минимальная высота такой орбиты - 225 км над экватором, а максимальная - 236 км (через четверть витка после пролета над экватором) 5. Максимальное отклонение сформированной «Союзом» монтажной орбиты от согласованной с американскими баллистиками соста-
4 Там же. С. 258.
5 См.: Сытин О. Г. Баллистика ЭПАС // «Союз» и «Аполлон». Рассказывают советские ученые, инженеры и космонавты - участники совместных работ с американскими специалистами / Ред. К. Д. Бушуев. М., 1976. С. 77-99.
«Трубка» орбит полетов космических кораблей серии «Союз»
вило 250 м при допустимой величине 1500 м, а отклонение времени прихода «Союза-19» в заданную точку от расчетного момента - 7,5 сек при допустимом отклонении 90 сек.
Исторически значимым является предложение России совместить плоскости орбит «Мира» и МКС, тогда можно было бы с помощью межорбитальных перелетов перевезти часть научной аппаратуры с одной станции на другую. Для этого необходимо было всего лишь задержать запуск первого модуля МКС «Заря» на 6 час. Однако американцы на это не пошли 6.
Таким образом, многие технические и политические решения в истории космических полетов, различия подходов советских и американских специалистов, нештатные ситуации выразились в том числе и в особенностях траекторий КА. Визуализация этих траекторий, их наглядный анализ позволяет историку техники лучше понять взаимосвязи различных процессов в истории освоения космоса, поставить новые задачи для исторического исследования.
Описание проекта
При моделировании траекторий движения пилотируемых КА необходимо представить положение и траекторию движения КА в пространстве, реальную форму Земли, модель гравитационного поля Земли, возможное вспухание атмосферы, реакцию на работу двигателей, номинальные отклонения от расчетного хода полета, полет при появлении нештатных ситуаций. Без хорошо развитого пространственно-образного мышления возникает вероятность
6 См.: Мировая пилотируемая космонавтика. С. 546.
ошибочного понимания закономерностей формирования орбиты. Поэтому важную роль в ретроспективном анализе данных траекторного движения играет визуализация орбит КА и самих КА.
Наибольшего эффекта здесь можно добиться с помощью технологии виртуальной реальности, которая дает возможность визуализировать процессы, которые невозможно наблюдать в обычной обстановке. Основным компонентом данной технологии является система виртуальной реальности -интерактивная (вынуждающая пользователя к взаимодействию) интеллектуальная система, взаимодействующая с человеком на уровне его органов восприятия и позволяющая пользователю получать информацию об объекте в симулированной компьютером среде по своему усмотрению. В настоящее время существует целый ряд «виртуальных планетариев», программных продуктов для визуализации объектов в космическом пространстве и виртуальных космических полетов 7. К их несомненным достоинствам относятся обширные каталоги космических объектов и свободный доступ через интернет. Однако существующие программные продукты не поддерживает стереоскопическую визуализацию, что делает невозможным их использование для систем виртуальной реальности. Поэтому для исторически точной виртуальной реконструкции реальных космических полетов в стереорежиме в ИИЕТ РАН было принято решение о разработке собственного программного инструментария.
При разработке приложения решались следующие задачи: моделирование Земли, моделирование орбит, моделирование КА, стереоскопическая визуализация созданных SD-моделей в виртуальном пространстве, создание пользовательского интерфейса.
Моделирование Земли. Для создания виртуального глобуса 8 использовалась программная среда osgEarth. Рельеф и текстура глобуса состоит из тайлов («кусочков» изображений), выстроенных вдоль меридианов и параллелей. При приближении к тайлу, он заменяется на четыре тайла большей детализации. Таким образом, все тайлы образуют так называемое «квадро-дерево».
При построении глобуса использовались изображения NASA Blue Marble Next Generation с разрешением 500 м/пиксель и карта высот NASA Shuttle Radar Topography Mission (SRTM). Для отдельных районов было поддержано более высокое разрешение спутникового покрытия (например, для Байконура - 0,5 м/пиксель). Для визуализации атмосферы использовалась модель О'Нила 9, работающая в реальном времени для любых положений наблюдателя (как на поверхности Земли, так на произвольном удалении от нее).
7 Пуртов И. С. Виртуальная реконструкция исторических космических полетов: обзор космических симуляторов // Институт истории естествознания и техники им. С. И. Вавилова. Годичная научная конференция, 2013 (в печати).
8 Бобков А. Е. Историческая реконструкция и научно-техническая визуализация на основе виртуального глобуса // Институт истории естествознания и техник
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.