Zaměřovač

ORBITER: Prvý let do kozmu

Na úvod trochu teórie …

Pre dosiahnutie stabilnej obežnej dráhy musíme v podstate splniť dve podmienky:

•  musíme sa dostať dostatočne vysoko – nad atmosféru planéty, čo je v prípade Zeme cca. 100 - 120 km
•  ak sme už nad hranicou atmosféry, ešte to musíme poriadne “rozbehnúť” – potrebujeme dosiahnúť tzv. únikovú (alebo tiež prvú kozmickú , alebo ešte inak - kruhovú ) rýchlosť

Štart do kozmu (presnejšie na obežnú dráhu) nie je ničím iným ako procesom plnenia - súčasne - obidvoch podmienok.

Podmienkou vzletu rakety je, aby zrýchlenie pri štarte bolo väčšie ako 1g – tzn. že ťah motorov musí byť väčší ako počiatočná hmotnosť rakety.

Čo sa deje po odpútaní rakety-nosiča od štartovacej rampy ?

Takmer okamžite po odpútaní, raketa rotuje do smeru letu (vzletov ý azimut ) za súčasného odklonu od vertikály. Pri štarte východným smerom (azimut 90 ° ) je možné zúžitkovať aj rýchlosť zemskej rotácie. Odklon od miestnej vertikály zabezpečí, aby sa straty rýchlosti vplyvom zemskej príťažlivosti (tzv. gravita čné straty ) čo najviac eliminovali (pri lete bl ízkom vertikále sú gravitačné straty nežiadúco veľké ).

Ďalšie straty rýchlosti ktoré je potrebné eliminovať, sú straty spôsobené odporom vzduchu. Tieto straty závisia čiastočne na hustote vzduchu (ktorá s výškou rychle klesá), ale v omnoho väčšej miere závisia na rýchlosti ktorou sa raketa v danej výške pohybuje. Keďže odpor vzduchu rastie s druhou mocninou rýchlosti, je dôležité oblasť atmosféry s vysokou hustotou preletieť relatívne malou rýchlosťou, pričom dlhšia dráha daná väčším odklonom od vertikály je v tejto etape letu druhoradá.

Je preto dôležité zvoliť taký scenár letu, ktorý optimálne eliminuje všetky typy rýchlostných strát. Tento scenár sa nazýva vzletový profil a je daný závislosťou uhla ( d ) ktor ý zviera rýchlostný vektor s horizontálnou rovinou a rýchlosti (v) na výške (ALT).

Kozmická raketa aby čo najviac eliminovala gravitačné straty – ktoré sú pri štarte do vesmíru najvýznamnejšie, letí po tzv. plochej dráhe letu .

Akú rýchlosť je potrebné rakete udeliť ?

To v značnej miere závisí od miesta štartu – od jeho zemepisnej polohy, presnejšie od jeho zemepisnej šírky – a smeru štartu.

Pozrime sa, ako je to s rotáciou Zeme ? Ak budeme ako pozorovateľ “zavesený” nad severným pólom, uvidíme “pôdorys” Zeme a uvidíme že rotácia je v smere západ (W) -> východ (E) - t.j. proti pohybu hodinových ručičiek.

"bokorys" Zeme



“ pôdorys ” Zeme

Z toho plynie jeden závažný dôsledok – štart kozmického prostriedku východným smerom bude vďaka smeru rotácie Zeme energeticky výhodnejší. Prečo ? Pretože rotácia planéty spôsobí že aj raketa zatiaľ “ sediaca“ na jej povrchu už vlastne “ má rýchlosť ” - rovnú rýchlosti rotácie Zeme. To znamen á že kozmickému prostriedku musíme udeliť rýchlosť rovnú rozdielu únikovej rýchlosti a rýchlosti zemskej rotácie – a zjednodušene povedané, bude o to menšia o čo väčšia bude rýchlosť rotácie. Čím bude miesto štartu bližšie k rovníku, tým je rýchlosť rotácie väčšia, tým väčšia je počiatočná rýchlosť pri štarte, tým menší rýchlostný rozdiel je potrebné dosiahnuť a tým menej paliva spotrebujeme.

Ako vyzerá táto situácia v číslach ?

Prídavná rýchlosť zemskej rotácie je daná vzťahom

- zemepisná šírka miesta štartu , A – vzletový azimut

Ak ako miesto štartu uvažujeme miesto na rovn íku resp. blízke rovníku a smer vzletu východným smerom, potom

= 0 °

A = 90 °

v rot = 0.465 [km/s]

Úniková rýchlosť pri povrchu Zeme je 7.8 km/ s

Rýchlosť rotácie Zeme na rovníku je 0.465 km /s

Rýchlosť na ktorú musí byť raketa urýchlená je daná rozdielom týchto rýchlostí

Miesto štartu a vzletový azimut má vážne dôsledky na veľkosť nákladu (hmotnosť, tzv. užitočné zaťaženie ) ktorý je raketa schopná dopraviť na zemskú obežnú dráhu. Ak jednu raketu umiestníme na rovník a druhú mimo rovníka (pričom obidve rakety sú rovnaké), raketa štartujúca z rovníka bude schopná vyniesť na rovnakú obežnú dráhu významne hmotnejší náklad.

Teraz, už vyzbrojený teóriou, sme pripravený získať prvú “ praktickú kozmickú skúsenosť“. V záložke Scenario rozbalíme adresár Delta-glider a spustíme scenár Virtual cockpit. Takže, sedíme v kabíne, sršíme nedočkavosťou dostať sa čo najskôr “hore” – tak ako na to ?

Deltaglider

Aký stroj nás vynesie do “ hviezdnych výšin“ ? Deltaglider je v podstate lietadlo poháňané raketovými motormi s delta kr ídlom. Dvojica výkonných motorov s relatívne nízkou spotrebou, dobrá ovládatelnosť a stabilita sú predpokladmi úspechu, hlavne pre začínajúcich pilotov. Deltaglider štartuje horizontálne ako lietadlo, silou vlastných raketových motorov a nízku obežnú dráhu (LEO – low Earth orbit) dosiahne za cca. 15 min.

Základné technické parametra Deltaglider-u sú nasledovné :

Dĺžka 17.76 m

Rozpätie 17.86 m

Prázdna hmotnosť 12 000 kg

Hmotnosť paliva 11 400 kg

Hmotnosť paliva pre RCS 6 000 kg

Celková hmotnosť 24 000 kg

Zoznámenie sa s kokpitom

Skôr ako zoberieme náš skvelý stroj na “hviezdny výlet”, porozhliadnime sa po jeho kabíne. V zásade sú možné tri spôsoby zobrazenia kokpitu – univerzálny, 2D a virtuálny. Pre samotný štart sú najvhodnejšie buď univerzálny alebo 2D kokpit. Virtuálny kokpit – ktorého hlavnou výhodou je úžasný pocit že ste IN a skvelý výhľad - nájde uplatnenie predovšetkým pri záverečnej etape pristávacieho manévru. Prepínanie medzi jednotlivými typmi kokpitov je mo žné klávesou F8.

Univerzálny kokpit

Nevýhodou tohoto kokpitu je, že nemá žiadne ovládacie prvky – t.j. ovládanie je pomocou klávesnice a všetky klávesy a ich kombinácie je potrebné si pamätať. Zobrazenie, okrem výhľadu dopredu, predstavuje dva MFD displeje, HUD a stav paliva. Symbológia HUDu potrebuje asi najmenej komentáru a predovšetkým priaznivcom a užívateľom leteckej simulácie bude dôverne známa. Máme k dispozícii niekoľko módov zobrazovania HUDu – mód o ktorom bude ďalej reč a ktorý je zobrazený na nasledujúcom obrázku sa nazýva surface a je indikovaný výpisom SRFCE v ľavej hornej časti obrazovky. Prepínanie medzi jednotlivými módmi HUDu je realizované klávesou H. Životne dôležitý je symbol kruhu s krížom uprostred (1) ktorý ukazuje kam smeruje vektor rýchlosti a aký uhol zaujíma voči horizontu. Akási “strieška” s dvojicou horizontálnych čiar (2) je indikácia pozície “nosu” voči rovine horizontu. V ľavej hornej časti HUDu je “okienko” (3) zobrazujúce horizontálnu rýchlosť – údaj V7.509k znamená rýchlosť 7509 m/ s. “Okienko” (4) v pravej hornej časti HUDu zobrazuje výšku – údaj A172.0k znamená výšku 172 km . Najvrchnejšia stupnica (5) HUDu indikuje smer kam je natočený “ nos“. V spodnej časti kokpitu je dvojica MFD – ľavý zobrazuje parametre dráhy aj s jej grafickou reprezentáciou a aktivuje sa klávesovou kombináciou Ľavý Shift + O ( tzv. mód orbit ) . Kombinácia Pravý Shift + S zobrazí na pravom MFD štandardné letové dáta (horizontálna rýchlosť, výška, vertikálna rýchlosť … atď.) – tento mód MFD sa nazýva surface . S interpretáciou tohoto MFD nebude mať virtuálny pilot asi žiadny problém.

Iná je už situácia v interpretácii ľavého MFD. Čiara vedená od stredu MFD k vonkajšej (zelenej) kružnici ukazuje našu aktuálnu polohu na obežnej dráhe. Prázdny krúžok na vonkajšej kružnici predstavuje najvzdialenejší bod dráhy (vo vzťahu k povrchu, resp. stredu Zeme), plný krúžok je najbližší bod dráhy. Vnútorná (šedá) kružnica reprezentuje zemský povrch. Tento MFD ďalej zobrazuje stĺpec dát ktorých význam je nasledovný (v tejto etape popisu kokpitu sa zameriame len na tie dáta, ktoré sú potrebné pre úspešné navedenie na obežnú dráhu a jej kontrolu – sú zvýraznené) :

Sma - Semi-major axis
Smi - Semi-minor axis

PeR - Periapsis distance – vzdialenos ť najbližšieho bodu dráhy k stredu* Zeme tzv. Periapsis : tento bod sa v prípade Zeme tiež nazýva Perigeum

ApR - Apoapsis distance – vzdialenos ť najvzdialenejšieho bodu dráhy od stredu* Zeme tzv. Apoapsis : tento bod sa v prípade Zeme tiež nazýva Apogeum

Rad - Radial distance
Ecc – Eccentricity – excentricita dráhy, ak je Ecc =0 dr áha je kruhová

T - Orbit period – trvanie jedného obehu
PeT - Time to periapsis passage – čas do prechodu perigeom
ApT - Time to apoapsis passage – čas do prechodu apogeom
Vel – Velocity – celková rýchlosť daná súčtom rýchlosti ktorú “vyprodukovali” raketové motory a rýchlosti zemskej rotácie

Inc – Inclination – sklon roviny obežnej dráhy
LAN - Longitude of asc. node
LPe - Longitude of periapsis
AgP - Argument of periapsis
TrA - True anomaly
TrL - True longitude
MnA - Mean anomaly
MnL - Mean longitude

* - ORBITER používa ako polomer Zeme hodnotu 6371 km , takže ak je povedzme apogeum dráhy napr. 300 km nad povrchom ApR = 6671

2D kokpit

Zobrazuje panel prístrojovej dosky, pričom zobrazovanie HUDu je rovnaké ako v predchádzajúcom prípade. V tomto kokpite môžeme takmer všetko ovládať myšou priamo pomocou ovládacich prvkov na palubnej doske.

V pravej hornej časti panelu je 6 tlačidiel, z ktorých každé aktivuje svoj navigačný program. Vo fáze štartu nás bude zatiaľ zaujímať len program Killrot . Tento program možno použť napr. v prvých fázach vzletu (pri malom odklone od vertikály) na stabilizáciu letu ak sa situácia začína “vymykať z rúk”, kedy má raketoplán veľké “sklony” k nestabilite, alebo vždy vtedy ak je z rôznych dôvodov potrebné vykonať stabilizáciu aktuálnej polohy. Nad “ navigačnými tlačítkami ” je dvojica prepínačov AF CTRL a RCS MODE .

Prepnutie AF CTRL do polohy ON, aktivuje aerodynamické riadenie riadiacimi plochami

Prepnutie RCS MODE do polohy ROT, aktivuje reaktívny RCS riadiaci systém v tzv. rotačnom režime

(RCS MODE - ROT a LIN režimy si objasníme neskôr )

V ľavej hornej časti panelu sú dva ťahové ovládače motorov – keďže Deltaglider má motory dva, jeden ovládač je pre ľavý a druhý pre pravý motor. Nad týmito ovládačmi sú tlačítka pre voľbu zobrazenia príslušného módu HUDu ( tlačítko OFF zobrazovanie HUDu vypne ) .

Virtuálny kokpit

Otáčanie výhľadu je možné buď pozičným klobúčikom na joysticku alebo kombináciou ALT+šípka do príslušného smeru.

Čitateľnosť MFD aj v tomto režime zobrazovania kokpitu je dobrá, hlavne pri “ normálnych ” hodnotách zorného uhla (FOV 40 - 60 ° ). Hodnota FOV je indikovan á v pravej hornej časti obrazovky v tzv. informačných výpisoch. Zapínanie resp. vypínanie týchto výpisov je ovládané klávesou I. Zmena FOV je realizovaná klávesami Z a X.

Predštartová príprava

Takže, sme na vzletovej dráhe KSCX na Cape Canaveral, režim zobrazenia kokpitu 2D, HUD v móde SRFCE. Ľavý MFD – orbit, pravý MFD – surface. Klávesovou kombináciou Ľavý SHIFT + P nastavíme projekciu dráhy na Ship (výpis Prj SHP v pravom hornom rohu displeja). Prepínač RCS MODE prepneme do polohy OFF a AF CTRL do polohy ON. A sme pripravený na spustenie motorov, čo možno vykonať buď posunutím ovládačov na palubnej doske až do krajnej hornej polohy, alebo krátkym podržaním klávesy + na numerickej klávesnici a následným stlačením klávesy CTRL (týmto spôsobom uvedieme motory do  režimu plného trvalého ťahu ; motory môžu fungovať aj v tzv. pulznom režime, kedy samotné stlačenie + na numerickej klávesnici ich uvedie do plného ťahu a zotrvajú v ňom len po dobu držania tejto klávesy ) .

We have ignition !

Deltaglider nie je vybavený žiadným komplexným autopilotom, preto každá fáza letu je len a len v našich rukách a spoľahnúť sa môžeme iba na vlastné pilotné schopnosti.

Motory bežia naplno a náš stroj sa “ prebudil k životu ” – pomaly sa rozbieha po dráhe a naberá rýchlosť. Teraz využijeme naše skúsenosti získané počas “ služby u virtuálneho letectva ” – prvotné fázy vzletu sú rovnaké ako v prípade prúdového lietadla. Počkáme kým raketoplán naberie rýchlosť cca. 100 m/s ( 360 km/h ) a začneme jemne priťahovať knipel (joystick) – raketoplán pomerne lenivo dvíha nos. Po odpútaní sa od dráhy zatiahneme podvozok (klávesa G) a začneme s obratom doprava do kurzu 09. Točíme buď v horizonte, alebo udržujeme mierne stúpanie. Zastavenie v smere 09 by malo byť čo najpresnejšie, v prípade potreby urobíme korekciu.

Takže, výška cca. 500m, rýchlosť cca. 250m/s, kurz 09.

A teraz príde “najväčšia zábava” – knipel k sebe do stúpania 70 ° .

Ako naberáme výšku, mali by sme sa snažiť udržovať nasledovný vzletový profil :

Prechod medzi jednotlivými polohami d vzhľadom na ALT by mal byť pokiaľ možno plynulý – ak nám rýchlostný vektor “spadne” pod požadovanú hodnotu je veľmi ťažké ho “vytiahnuť” naspäť. Je tiež dôležité si uvedomiť že do požadovaného uhla musíme dostať rýchlostný vektor a nie “nos” ra ketoplánu !!!

First checkpoint - prv ý kontrolný bod : ak sa parametre letu ktoré máme na HUDe líšia od týchto hodnôt - sme “ mimo“ a to s vážnymi dôsledkami na výslednú dráhu

Second checkpoint – druhý kontrolný bod : po dosiahnutí výšky 250km by sa rýchlosť mala pohybovať okolo 5000 m/s – po jej dosiahnutí aktivujeme orientáciu PROGRADE (tla čítko ProGrade, alebo klávesa [ ) , rýchlostný vektor by sa mal nachádzať v blízkosti 0 ° (max. +5 ° , možno radšej menej, rozhodne však nie pod 0 ° ) , výška bude narastať len mierne, zato intenzívne bude rásť rýchlosť. Po dokončení PROGRADE orientácie by rýchlostný vektor mal byť v horizonte resp. mierne v “pluse”. V pr ípade že sme pod 0 ° , vypneme program PROGRADE a vybočíme nos doprava cca. o 20-30 ° (na num klávesnici klávesy 1 a 3, resp. otáčaním páky joysticku – funkcia rotate) , akonáhle sa rýchlostný vektor vráti na cca. +3 ° , znova aktivujeme PROGRADE..

Ak sa situácia začína komplikovať – rýchlostný vektor začína smerovať kam nemá – je načase spustiť program KILLROT, ktorý situáciu ustabilizuje a následne sa musíme pokúsiť “ vrátiť veci do normálu“ -  do súladu s profilom vzletu. KILLROT môžeme aktivovať buď stlačením tlačítka KillRotation na palubnej doske, alebo klávesou 5 na numerickej klávesnici. KILLROT musíme zvyčajne behom vzletu použiť viackrát – vždy keď má rýchlostný vektor snahu niekam “uletieť” . Ak sa rýchlostný vektor dostáva mimo rámec HUDu, pomôže zväčšenie FOV (kl ávesy Z, X ) – vo fáze kedy sa raketoplán pohybuje takmer horizontálne, je dobré vrátiť veľkosť zorného poľa do “normálu”, čo je hodnota 40 - 60 ° . Približne vo výške 30km, sa v dôsledku poklesu hustoty atmosféry, začína prejavovať strata účinnosti aerodynamického riadenia a “nos” začne nekontrolovateľne “padať dolu”, preto je dobré, ešte pred touto “hranicou” (cca. 25-27km) prejsť na reaktívne RCS riadenie (aby sme zbytočne nedestabilizovali let ) – prepínač RCS MODE poloha ROT a AF CTRL poloha OFF.

Te nto profil vzletu by nás mal naviesť na dráhu s apogeom cca. 300 km (ApR =6671) - takže na Orbit displeji pozorne sledujeme tento parameter dráhy. Akonáhle dosiahneme požadovanú hodnotu (v praxi - tesne pred jej dosiahnutím), mali by sme okamžite vypnúť motory. V tejto chvíli by sme sa mali pohybovať po dráhe s parametrami približne :

ApR = 6671
PeR = 6400

z  čoho je zrejmé že to nie je stabilná orbita – PeR je príliš nízko (takmer na zemskom povrchu) . Keby sme aj naďalej zotrvali na tejto dráhe, zaviedla by nás naspäť do atmosféry. Preto musíme vykonať finálny navádzací manéver ktorý nás definitívne dostane na stabilnú dráhu. Manéver je jednoduchý – s aktivovaným programom PROGRADE musíme v apogeu zvýšiť rýchlosť, čím “zdvihneme” perigeum nad hranicu atmosféry. Na let zo súčasnej pozície do apogea budeme potrebovať cca. 500 - 600 sec. letu, takže máme dostatok času pripraviť sa na zážeh. Ak nechceme čakať, môžeme využiť časovú kompresiu ktorú je možné aktivovať klávesou T – postupným stláčaním môžeme nastaviť jej veľkosť na 10x, 100x, 1000x a 10000x. Klávesa R zmenšuje kompresiu smerom k menším hodnotám až po normál, alebo až po spomalenie 0.1x. Pri pohybe po obežnej dráhe je účelné používať kompresiu max. 100x a následne prejsť do “ normálu“ a to v dostatočnej vzdialenosti od inkriminovaného bodu. Približovanie k apogeu kontrolujeme na MFD v móde Orbit – pomáha nám v tom buď ukazovateľ našej polohy, alebo číselný údaj PeT. Akonáhle sa indikátor našej polohy ocitne vo vnútri značky apogea (prázdny krúžok), resp. PeT sa priblíži nule, môžeme spustiť motor v pulznom režime – t.j. stlačíme a držíme klávesu + na numerickej klávesnici a sledujeme hodnotu PeR. Akonáhle sa dostatočne priblíži hodnote ApR, klávesu + pustíme čím dôjde k vypnutiu motora. Vzhľadom na zatiaľ nedostatok cviku pravdepodobne “prestrelíme” – v každom prípade by sme sa ale mali snažiť aby to “prestrelenie” bolo čo najmenšie.

Ak sa PeR rovn á ApR aspoň približne - môžeme si gratulovať – od tejto chvíle sa náš skvelý stroj pohybuje po stabilnej (približne kruhovej) obežnej dráhe vo výške cca. 300km. Stali sme astronautami ! (… teda aspoň virtuálne). N áš stroj sa teraz pohybuje niekde nad západným pobrežím Afriky, približne 6500km od miesta štartu - a teraz sa už môžeme dosýta pokochať “pohľadom pre bohov”. Kvôli lepšiemu výhľadu môžeme použiť tzv. horizontálnu orientáciu do ktorej sa dostaneme po aktivácii programu HLEVEL a to buď stlačením tlačítka LevelHorizon na palubnej doske alebo stlačením klávesy L.

A že je skutočne čo obdivovať uvidíte sami !

Grafika je fantastická a v rámci možnosti takmer dokonale vystihuje realitu prostredia. Jasne patrné zakrivenie obzoru s tenkým zahmleným “ prúžkom“ atmosféry, oblačné systémy, oceán hýriaci rôznymi odtieňami – od tmavomodrej hlbočiny až po tyrkysovú na plytčinách a odraz Slnka na jeho hladine, zrkadlenie vodných hladín uprostred pevniny, farebné efekty atmosféry na obzore pri východe Slnka, charakteristické sfarbenie jednotlivých častí kontinentov … jednoducho úžasné ! Dojmy sa ešte znásobia pri externom pohľade (F1), kedy nie sme obmedzovan ý hranicami kokpitu. “ Únik ” mimo kokpit vás ponorí do úplného ticha vzduchprázdna čo ešte viac umocní doslova pocit velebnosti tohto pohľadu.

Užite si výhľadu pokiaľ sa dá - pretože v ďalších etapách letu už veľa času na to nebude. Čakajú nás totiž “navigačné hrátky” ktorých cieľom bude zvládnuť potrebné orbitálne manévre – a pri týchto činnostiach bude nutné sústrediť sa predovšetkým na prístroje a na nejaké “pokukovanie z okna” moc času nezostane.

O autorovi:

Ing. Vladimír Popardovský, PhD. Vzdelanie: Slovenská technická univerzita Bratislava (vysokoškolské štúdium) Slovenská akadémia vied Bratislava (obhajoba doktorátu) Profesné zameranie: Systémy automatického riadenia Osobné záujmy: Letectvo, kozmonautika, astronómia, letecké modelárstvo, PC letecké simulátory

Autor: Ing. Popardovský Vladimír, PhD.

Publikováno: 20.06.2005