Чему на самом деле может научить игра KSP о космических полетах и ​​орбитальной механике и каковы ее ограничения?

На моей прежней работе я писал образовательное программное обеспечение.

Короче говоря, это именно то, что вы описали: мы предложили платную версию того, что вы могли получить бесплатно, заглядывая в Интернет, посещая занятия, посещая библиотеку, ...

И все же, я все еще невероятно горжусь этим, зная, что я изменил ситуацию.

В чем разница между хорошо написанной программой и книгой?

Все дело в педагогике. Наши приложения не только давали знания, но и делали это в увлекательной игровой форме. Дело не в том, чтобы сделать знание доступным, а в том, чтобы сделать его желанным. С нашими приложениями дети не только учились (точно так же, как с книгами), но и действительно хотели!

В этом вся разница.

Конечно, может быть, знаний достаточно, чтобы мотивировать вас что-то узнать, и, таким образом, вам на самом деле не нужно такое программное обеспечение, но многим детям нужно немного больше, чтобы заинтересоваться учебой, выполнением упражнений и т. д. ..

Позвольте мне объяснить на некоторых реальных примерах KSP:

• KSP можно использовать как симулятор.

  Есть интересная идея о создании орбитальной заправочной станции вокруг Луны? Попробуйте и увидите разницу!

  Хотите попробовать сэкономить топливо с помощью гравитационного ассистента? Вперед, продолжать.

  Хватит ли большего количества бустеров, чтобы удвоить вашу полезную нагрузку? Даже не близко.

  Конечно, вы могли бы взять лист бумаги и произвести расчеты, но увидеть это вживую на своем экране, с ракетой и станцией, которые вы построили и сами вывели на орбиту, — это совсем другое дело.

• Это движущая сила, заставляющая вас исследовать вещи, которые вы иначе не искали бы.

  Как рассчитать, хватит ли моему кораблю топлива, чтобы добраться до Сатурна?
  => Узнайте о интернет-провайдерах, ракетном уравнении, ...

  Какова оптимальная траектория выхода на орбиту?
  => Узнайте о гравитационном сопротивлении, атмосферном сопротивлении, ...

  Эта игра развивает ваш интерес к космосу. Вот почему они заключили партнерство с НАСА и построили вокруг него часть игры.

• Это позволяет вам испытывать вещи

  Некоторые концепции орбитальной механики сложны.

  Конечно, вы можете прочитать 10 раз о том, почему вам нужно сбросить скорость на орбите, чтобы обогнать другой космический корабль.

  Конечно, вы можете понять, что рандеву нацелено не на то, где находится другой космический корабль, а на то, где он будет .

• Заставляет задуматься над инженерными задачами

  Я забыл лестницу?

  3 посадочных ноги лучше, чем 4?

  ЦТ (центр тяжести) слишком высок? Соответствует ли он моему вектору тяги?

  Должны ли мои аэродинамические поверхности располагаться сверху или снизу?

  Должен ли я раздвинуть этот ускоритель дальше, чтобы облегчить разделение, или проблемы с наведенной стабильностью, вызванные пилотом колебания разрушат / замедлят мою ракету?

KSP позволяет вам испытать все это, облегчая понимание и усвоение, а не просто чтение об этом.

Позвольте мне закончить цитатой инженера НАСА о неудавшейся встрече Gemini 4:

Есть хорошее объяснение тому, что пошло не так со рандеву. Экипаж, как и все остальные в MSC, «просто не понимал и не обдумывал задействованную орбитальную механику[...].

Да все верно. Дети, играющие в KSP, теперь лучше понимают орбитальную механику, чем инженеры и астронавты НАСА из 1965 года.

На нескольких пресс-конференциях сотрудников НАСА или частных космических фирм спрашивали, играют ли они в KSP, и некоторые из них отвечали «Да».

НАСА использовало исправленные коники, чтобы найти орбиты-кандидаты для Аполлона в те дни.

При этом KSP обеспечивает баланс между точностью и простотой . Исправленные коники дают хорошее представление о том, как устроено пространство, не будучи настолько сложными, чтобы с ними было неинтересно иметь дело. А это значит, что это заставляет людей узнавать то, чего они в противном случае не узнали бы. Мантру «Космос не высоко, нужно быстро лететь боком» можно повторять тысячи раз, и люди ее не поймут. Но когда они на самом деле пробуют это и сами видят, почему это так, они вдруг понимают. Когда они падают обратно на планету после запуска прямо вверх, а затем, наконец, учатся переворачиваться и делать гравитационный разворот , чтобы выйти на орбиту.

Дело в том, что орбиты всегда воздействуют на противоположную сторону ожога. Это замедление ( ретроградные ожоги) снижает орбиту и так далее. Что делают радиальные ожоги , что делают обычные ожоги , что такое наклон и почему он важен, как работают восходящие и нисходящие узлы и почему они важны, почему рандеву занимает так много времени и что нужно сделать, чтобы на самом деле это сделать. Всем этим вещам учит KSP и делает космические полеты доступными для людей, которые в противном случае не смогли бы их «постичь».

Муна (эквивалент Луны в KSP) находится на экваториальной орбите, чтобы облегчить ее попадание новым игрокам (нет окна запуска, нет изменения наклона), но эти вещи можно использовать, чтобы добраться до второго, гораздо меньшего размера. Луна, Минмус.

Объясняется концепция передач Хомана , биэллиптических передач и других передач. Разницу между эффективностью использования топлива и эффективностью времени можно узнать с помощью KSP. Углы выброса и окна запуска для межпланетных миссий можно узнать с помощью KSP. Гравитация помогает работе и может быть очень полезной. С этой концепцией многие люди борются, но в KSP вы можете попробовать ее и посмотреть, как это работает.

Повторный нагрев существует и имеет значение, в зависимости от настроек. Вы узнаете, что вы не должны пахать ни слишком быстро, ни слишком глубоко в атмосферу, ни слишком низко, чтобы пропустить это. Некоторым людям трудно понять концепцию повторного входа, но с KSP вы можете легко понять, почему это работает, как это работает и что в этом важного.

Уравнение ракеты , и особенно тирания уравнения ракеты , важна в KSP. Вы изучаете хорошие инженерные приемы . Вы узнаете, что вы не можете принести то, что хотите, что ракеты растут в геометрической прогрессии. Концепция промежуточной стадии и ее важность естественным образом приходят с KSP. Объясняются некоторые основы аэродинамики — как работают CoM и CoL , как сопротивление влияет на траекторию вашей ракеты.

Объясняется, что такое Isp и чем он занимается. Объясняется, что Исп на уровне моря и Исп в вакууме разные вещи и важны. Объясняется, что вы можете управлять ракетой с карданными двигателями, реактивными колесами или RCS , и что некоторые из них в некоторых ситуациях лучше, чем другие (RCS для подъема? Не лучшая идея!).

Вкратце: KSP многому учит , используя при этом физику и орбитальную механику, которые не настолько сложны, чтобы это слишком разочаровывало. Он остается в области, которую большинство людей все еще может понять.

А для тех, кто хочет дополнительных испытаний, игру можно модифицировать. Физика N-Body обеспечивается модом под названием «Principia», а звездная система может быть преобразована в Реальную Солнечную систему с помощью одноименного мода (RSS). Исторические двигатели и другие детали предоставляются модом под названием «Realism Overhaul» (RO). Задержка сигнала обеспечивается RemoteTech, жизнеобеспечение - одним из различных модов LS (Kerbalism, USI-LS и т.д.).

Таким образом, помимо базового опыта, который уже учит многим концепциям космического полета (я забыл об отоплении и радиаторах в моем списке выше), сохраняя при этом доступность и доступность (если вы не хотите учиться слишком много, методом проб и ошибок вы получите несколько далеко), сообщество моддинга создало множество модов, которые приносят игроку еще более важные концепции (например, в FAR есть более реалистичная аэродинамическая симуляция).

И игра позволяет вам справляться с этим так, как вы хотите. Не хотите узнать про азимут запуска ? Ладно, не надо. В частях достаточно delta-v , так что иногда можно быть неаккуратным. Хочу учиться? Хороший! Вы можете узнать об этом, а затем применить то, чему вы научились, и увидеть, как это действительно работает. Посмотрите, как ваша орбита окажется именно такой, какой вы хотели (или нет). Сообщество также создало множество математических инструментов и помощников для этого.

Наконец, Squad (разработчик) уже заключила сделку с НАСА. НАСА помогло им сделать некоторые детали, так называемые «детали НАСА», которые все еще находятся в игре сегодня (я полагаю, что они изначально были для официального мода «День астероидов», но теперь они есть в основной игре).

Так что да, это не 100% точный симулятор. Но он достаточно близок, чтобы обучать концепциям, и достаточно прост, чтобы быть доступным для очень широкой аудитории. В этом отношении я думаю, что это отличный пример того, как образовательные игры должны работать в будущем. Потому что в нее действительно весело играть, и она упрощает понимание.

Некоторые случайные вещи, которые я не упомянул: аэродинамика ( руль направления , элевоны , триммер , размещение крыльев, CoM, CoL и концепция подъемной силы для самолетов), как работает FDAI (называемый Navball в KSP), системы отсчета (у FDAI есть " поверхностный" режим [вращающаяся система отсчета тела] и "орбитальная" система отсчета [невращающаяся система отсчета тела], а также "целевая" система [система отсчета, центрированная вокруг собственного судна]), подключение антенн и уровень сигнала ( закон обратных квадратов ), выходная солнечная энергия(опять же, закон обратных квадратов, вы узнаете, почему солнечные батареи плохо работают для внешних планет), вы узнаете об ошибке маятниковой ракеты и о многом другом.

По точности и вычислительной мощности:

Будучи игрой, симуляция требует жесткого реального времени . Исправленные коники не только намного проще для понимания широкой аудиторией , но и намного быстрее. Заплатанные коники имеют аналитическое решение. Это означает, что рассчитывать позиции дешево. Кроме того, поиск ближайшего сближения / перехвата обходится дешево, что необходимо для планирования маневров. Дополнительным преимуществом является то, что поиск места встречи становится доступным для широкой аудитории. Неинтересно пытаться найти близкое сближение для двух судов, когда вам нужен симулятор, чтобы принять это решение. Базовые концепции применяются независимо от того, используете ли вы исправленные коники или нет. Более реалистичная модель не добавляет большой образовательной ценности, но вызывает много разочарований у игроков, которые в основном не имеют никакого опыта в орбитальной механике. Кроме того, в игре должна быть возможность симулировать буквально сотни судов одновременно, что возможно только с пропатченными кониками в реальном времени. Вышеупомянутый мод для физики n-тел быстро ломается после столкновений судов, которые генерируют много мусора. Кроме того, с точки зрения физики не имеет значения, находится судно в атмосфере или нет. Физический движок по-прежнему должен моделировать все части и все соединения между всеми частями, чтобы выяснить, как ведет себя судно, особенно под действием тяги. Эти жесткие требования в реальном времени накладывают жесткие ограничения на то, чего вы реально можете достичь в среднем.домашний компьютер . Опять же, это игра, в ней нужны быстрые результаты, это не академическая симуляция . Это достаточно близко, чтобы преподавать концепции . Он не претендует на 100% научную точность.

К вопросу, поднятому в других комментариях, что он использует «математику 17 века». Конечно, это так. Но так делают многие люди. Вы не начнете учить людей физике, погрузившись в квантовую механику. Вы даже не начинаете с GR/SR. Вы начинаете с классической ньютоновской физики. Они все еще существуют, и по-прежнему действительны, и все еще имеют свое применение. То, что мы сегодня знаем, что они неточны в определенных масштабах, не означает, что эта физика бесполезна. Опять же, KSP должен найти баланс между точностью и простотой. Будьте достаточно точны, чтобы на самом деле использовать реальные концепции космических полетов, и в то же время достаточно просты, чтобы привлечь внимание широкой аудитории.

Вы когда-нибудь были в планетарии? Когда они показывают орбиты планет Солнечной системы, они используют исправленные коники. Потому что этого достаточно, чтобы дать людям представление о том, как это работает, не слишком преувеличивая. Вы когда-нибудь смотрели на орбиты, построенные в якобианской системе отсчета? Они выглядят чрезвычайно запутанными, но, возможно, более «точными».

В некотором смысле вы правы; KSP не учит вас никакой математике, связанной с орбитальной динамикой. Но это дает вам невероятно хорошее интуитивное представление о том, как они работают. Например, одна из первых вещей, которую вы узнаете, это то, сколько топлива вам нужно, чтобы выйти на орбиту. Вы должны быстро смириться с тиранией ракетного уравнения, если хотите вообще чего-то добиться.

Как только вы поднялись над атмосферой, следующее, что вы узнаете, это где находятся соответствующие точки горения. Вам нужно гореть в апогее, чтобы поднять свой перигей. Затем вы сгораете в перигее, чтобы сделать свою орбиту круговой.

После того, как вы окажетесь на орбите, вам придется заняться самыми разными вещами, такими как изменение наклона орбиты, стыковка и помощь гравитации на других планетах.

Так что нет, он не дает вам уравнений и способов их решения. И да, физический движок выключен (но можно ли их винить? Было бы довольно сложно запрограммировать полную симуляцию n тел для простой видеоигры).

Но спросите себя: чего хочет обычный человек? Они хотят изучить всю математику космических полетов? Нет, обычно не делают. А если и обращаются, то не обращаются в KSP. Но благодаря KSP люди, которые в нее играют, лучше знакомы с тем, как работают орбиты космических кораблей. Он представляет что-то обычно сложное и недостижимое в занимательной и интуитивно понятной форме. И, в конце концов, KSP не предназначен для того, чтобы научить студента вычислять, упадет ли ракета или нет. Это игра, предназначенная для развлечения. Тот факт, что это также помогает вам развить интуитивное чувство орбитальной механики, является бонусом.

Остальные 4 ответа здесь прекрасно сформулировали то, что мне нравится в KSP, но я хотел бы отметить еще одну вещь с моей точки зрения гейм-дизайнера, который провел в игре более 600 часов.

Хотя большая часть игры упрощена по сравнению с реальным миром, она достаточно точна, чтобы понять, почему что-то пошло не так. Ракета перевернулась во время запуска? Нужно настроить аэродинамику или попробовать другой профиль запуска. На полпути к месту назначения у вас закончилось топливо? Может быть, мне следует подумать о более эффективных двигателях или уменьшить размер моей ракеты. Пытаетесь вернуться на Кербин с одной из его лун, но у вас мало топлива? Лучше убедитесь, что вы выходите с орбиты Луны в направлении, противоположном ее движению. Вернулся в Кербин, но все мои кербалнауты погибли от удара о склон горы? Добавьте больше парашютов. KSP — это больше, чем орбитальная динамика, это разработка с быстрыми итерациями по дизайну. Очевидно, что разработка по принципу «угадай и проверь» не работает для НАСА, но с доступом к «Вернуться к запуску» и «

Возможность попробовать, потерпеть неудачу, попытаться решить проблему и повторить попытку в быстрых циклах — это часть того, что делает KSP отличным инструментом обучения. После того, как вы достаточно поиграете в игру, у вас появится хорошее представление о том, как это работает в реальной жизни, а моды, упомянутые в ответе Полигнома, могут добавить эти дополнительные уровни реализма, если вы хотите повысить уровень реализма. В то время как ванильная игра скрывает от вас большинство чисел (общая дельта V, текущий интернет-провайдер, расстояние над землей, а не расстояние над уровнем моря), существуют моды, которые также делают их доступными. Лично я не могу играть без того, чтобы Kerbal Engineer не показал мне некоторые из них. То же самое относится и к окнам запуска, трудно определить на глаз, когда нужно выполнить планетарную передачу, но использование будильника Kerbal для расчета его с точностью до секунды также очень помогает.

Таким образом, KSP отлично справляется с тем, чтобы сделать некоторые задачи, с которыми сталкивается НАСА, интуитивно понятными, а возможность быстро повторять проекты самолетов и космических кораблей делает их изучение увлекательным и увлекательным. Если вы из тех, кто хочет углубиться в математику, оптимизируя каждую часть миссии, бесплатные моды легко доступны, чтобы предоставить вам такую ​​​​возможность. Если вы хотите, чтобы это было намного ближе к реализму, это можно сделать легко. Другие моды дают вам возможность исследовать новые солнечные системы, так что у вас никогда не закончатся испытания.

И в качестве примера, вот видео на YouTube от очень опытного игрока KSP, в котором объясняется, как эффект Оберта и помощь гравитации полезны для оптимизации расхода топлива. Обратите внимание, что это видео старое, и с тех пор ситуация значительно улучшилась. Даже с упрощённым игровым пониманием орбитальной механики они всё равно имеют значение.

Вы концентрируетесь на нереалистичных моментах, которые должны присутствовать в игре, и игнорируете сильно реалистичные моменты. Космическая программа Kerbal не является идеальным симулятором космического корабля, однако она успешно обучает основам. Что наиболее важно, даже если он не выполняет полную симуляцию N тел, он вполне способен моделировать орбиты Кеплера, что дает вам хорошее первое приближение для многих миссий космического корабля.

Поскольку в других ответах уже подчеркивались многие сильные стороны, позвольте мне изложить личную точку зрения. Из-за моего опыта работы физиком и общего интереса к исследованию космоса я знал все уравнения и обладал всеми необходимыми знаниями задолго до того, как начал играть в KSP. Однако, когда я попытался выполнить стыковку между двумя судами, мне потребовался час постоянной корректировки траектории, потому что даже со всеми этими знаниями я делал много действительно глупых вещей. Что именно и происходило во время первых реальных стыковочных миссий. Причина в том, что даже когда у вас есть знания без опыта, ваш ум не применяет их должным образом. Это то, в чем очень хороши такие игры, как KSP — они дают вам очень хорошее представление об основной орбитальной механике.

Я хотел бы сначала обратиться к этой части:

Но этот последний бит только потому, что он был написан с упрощающими математическими приближениями в первую очередь, и простой переход к ньютонианской физике с тремя телами вместо исправленных коник позволил бы тогда «точки Лагранжа, возмущения, орбиты Лиссажу и (и) гало-орбиты. .."; не было бы никакой необходимости ссылаться на крайний предел n-тел. В этих рамках было бы просто включить приливные силы.

n-тело существенно не отличается от 3-тела. Если у вас есть задача двух тел, вы можете сразу рассчитать конфигурацию для любого будущего момента времени. Но 3 тела и выше — это хаотично, а это значит, что вам придется выполнять пошаговое интегрирование, и чем дальше в будущее вы идете, тем точнее должны быть расчеты, чтобы оставаться точными. Это означает меньшие временные шаги и числовые значения с нестандартной точностью, а также означает, что вычислительные усилия не являются линейными по прошедшему времени (как в случае пошаговой интеграции нехаотической системы), а теоретически экспоненциальны . По сравнению с 2-телом, которое является логарифмическим (я бы хотел сказать, постоянным, поскольку вы просто подключаете формулу, но простое представление прошедшего времени является логарифмическим).

Это означает, что вы не сможете изменить временную шкалу x1000000, как это делается в настоящее время в игре, и вы не сможете визуально увидеть всю орбиту. Это означает, что для того, чтобы иметь 3 тела, вам нужно не просто переписать движок, вам нужно переосмыслить, что возможно в игре и как работает пользовательский интерфейс и UX.

Нельзя сказать, что это невозможно сделать — поскольку никто не умрет, если расчеты немного ошибутся, вы можете сделать приблизительные расчеты, чтобы упростить вычисления — но это лучше оставить для совершенно новой части игры. Вдобавок ко всему, хотя эффекты, которые вы получаете от 3-тела, хороши, есть масса возможностей для изучения, которые не связаны с ними.

К более общим соображениям. Я думаю, что почти все, что вы можете узнать из KSP, вы можете узнать, изучая книги и используя менее игровые симуляторы. Но то, что делает KSP уникальным, — это интуитивная эмоциональная обратная связь, которую вы получаете. Делать расчеты на бумаге — это одно. Но получить аудиовизуальное шоу с горящими ракетами, уходом воздуха и сжимающимся голубым мрамором для ракеты, которую вы спроектировали, — это совсем другое.

Также совсем другое дело иметь игровые цели и задачи, в достижении которых вы заинтересованы. Предположим, вы пытаетесь выполнить простую миссию, вывести корабль на орбиту. Вы проектируете корабль и, если хотите, делаете некоторые расчеты и оцениваете, может ли он быть успешным. Это, вероятно, не будет очень точным, поскольку необходимо учитывать множество факторов, которые в лучшем случае отнимают много времени. Таким образом, вы делаете приблизительную оценку и проверяете ее на практике. Итак, вы летите на суборбитальной скорости с небольшим количеством топлива, которое должно доставить вас на орбиту. Вы надеетесь, что этого будет достаточно, и, наблюдая, как растет ваша скорость и истощается запас топлива, вы думаете: «Давай, давай, давай...», а затем либо радуешься своему успеху, либо хандришь из-за своей неудачи, зная, что, по крайней мере, вам придется переделывать все заново. Конечно, то же самое касается и более сложных миссий, где еще сложнее все спланировать заранее.

Я думаю, что такая интуитивная обратная связь важна, так как она делает обучение более ярким и запоминающимся, а также позволяет получить удовольствие от процесса.

Еще одна особенность KSP заключается в том, что у вас есть большая гибкость в том, как вы планируете заранее. Вы можете полностью проигнорировать все формулы и расчеты и просто использовать визуальные средства игры по мере необходимости. Но тогда вы, вероятно, не будете очень эффективны.

Или вы можете делать только очень элементарные расчеты, когда этого требует ситуация.

Или вы можете выполнять очень сложные расчеты и планирование, требующие хорошего понимания динамики ракет и орбитальной механики, дополненные вашими симуляциями, которые вы выполняете, прежде чем пробовать что-либо в реальной игре.

Вы также можете использовать множество плагинов, которые либо предоставляют дополнительные средства, либо предоставляют вам данные, которые вы можете использовать в своих расчетах.

У меня был симулятор запуска, который я использовал в более ранних версиях игры, чтобы максимизировать потенциал моих проектов. Но в последних версиях они модифицировали аэродинамическую модель, сделав ее более реалистичной, но при этом намного более сложной. Мне потребовалось бы немало усилий, чтобы соответствующим образом переписать симулятор, чтобы он давал мне полезную информацию, поэтому на данный момент я просто отказался от него и позволил игре имитировать все за меня.

Что касается вещей, о которых вы можете конкретно узнать, они включают в себя такие вещи, как запуски (в комплекте с постановкой, TWR, сопротивлением воздуха и гравитационными поворотами), входы в атмосферу (замедление до траектории входа, работа с теплом, торможение с использованием парашютов или ракет в зависимости от в атмосфере и приземление целым и невредимым в нужном месте), орбитальные маневры (включая выход на нужную орбиту и экономику дельта-V), орбитальные рандеву (с небесными телами или неуместными членами экипажа) и гравитационные рогатки.

Как упоминалось ранее, аудиовизуальная обратная связь и геймифицированные цели делают все эти вещи совершенно отличными от изучения их на бумаге.

В общем, я не знаю, рекомендую ли я платить за игру только для того, чтобы узнать больше об орбитальной механике. Но если вы хотите получать удовольствие от самой игры, одновременно обучаясь, ее определенно стоит попробовать.

Кроме того, можно доказать, что вы можете многому научиться, просто просматривая видео других людей, играющих в игру и занимающихся разными вещами, таких много. И это даст вам лучшее представление о том, чего ожидать от игры и интересно ли вам испытать ее на себе.

Отказ от ответственности: я никоим образом не связан с создателями игры и не получаю никакой компенсации за то, что убеждаю людей купить ее. Я играю в нее, мне это нравится, и я считаю, что благодаря этому я лучше понял и, что не менее важно, оценил орбитальную механику.

Например, недавно я заинтересовался темой неракетных пусков. Вы не можете сделать ничего из этого в KSP, но разумное размышление об этих вещах требует хорошего понимания таких концепций, как TWR, Isp, требования delta-v для касания космоса и для достижения LEO и GEO и т. д. Эти вещи не имели бы значения. имело бы для меня столько же смысла, если бы у меня не было опыта игры в KSP.

KSP учит интуитивному пониманию орбитальной механики так, как это невозможно при чтении учебников, просмотре видео или любом другом неинтерактивном методе обучения. Отображая прогноз будущих орбит в режиме реального времени по мере планирования и выполнения маневров, он дает визуальное представление об изменениях орбиты, которое можно использовать для рассуждений о произвольных ситуациях, даже не играя в игру.

В качестве примера я задал вопрос об орбитальном сближении человеку, который якобы разбирается в космических полетах, но он не смог вразумительно ответить, тогда как любой среднеопытный игрок в KSP знал бы, что делать. Точно так же, как НАСА знало о математике орбитального сближения, но должно было построить симуляторы, чтобы научить астронавтов, как это делать, KSP делает орбитальную механику вопросом практического применения, а не теоретическим знанием.