Как орбитальные космические аппараты рассчитывают вход в атмосферу?

На самом деле одного повторного входа никогда не было бы достаточно, чтобы достичь определенной точки. Максимум, к чему вы можете стремиться, находится в пределах определенной области (например, приводнение в Тихом океане), но неопределенность в вашей фактической позиции удара будет очень большой. Либо вам нужно регулярно выполнять корректирующие маневры, либо вы должны убедиться, что ваш космический корабль просто сгорит и никогда не достигнет земли.

Теперь, предполагая, что у вас есть ОЧЕНЬ точная модель атмосферы (включая ветер) и точное знание положения вашего спутника, процесс определения требуемой продолжительности и направления горения является чисто численной оптимизацией. Уравнения движения возвращающегося спутника очень нелинейны и не имеют аналитического решения.

На самом деле это будет комбинация численной оптимизации для расчета времени входа в атмосферу, а затем сложной системы управления, которая будет удерживать спутник как можно ближе к эталонной траектории.

Редактировать: в случае космических самолетов это недействительно, поскольку они могут просто скользить к месту, куда они хотят попасть, и иметь гораздо больший контроль над своей траекторией.

Не совсем научный ответ, но он должен помочь с вопросом:

Неконтролируемый повторный вход в большинстве случаев непредсказуем. Если спутник на низкой околоземной орбите испытывает сопротивление из-за атмосферного трения, предсказать возвращение в атмосферу практически невозможно. Сопротивление зависит от множества факторов, таких как солнечная активность и погода, и постоянно меняется. Поскольку спутник вращается вокруг всей Земли каждые ~90 минут, если вы ошиблись на 45 минут, вы уже находитесь на другой стороне планеты (плюс некоторый сдвиг от вращения Земли). Чем ближе вы подходите, тем лучше вы можете рассчитать, часто на основе измерений в реальном времени. Вот почему невозможно узнать, куда упадет распадающийся спутник, даже за день до того, как он упадет.

Контролируемый - это немного другое. Предполагая, что у вас нет сильно эллиптической орбиты, если вы вращаетесь ретроградно (т.е. против направления орбитального полета - в основном «торможение»), вы создаете перигей (т.е. самую низкую точку на орбите) точно с другой стороны объекта, на котором вы находитесь. на орбите. При достаточно сильном ретроградном ожоге можно опустить эту точку глубоко в атмосферу или на планету. Рассчитайте время правильно, и вы сможете создать точку повторного входа по своему выбору — это не очень точно, но вы, по крайней мере, сможете надежно попасть в конкретную область океана по вашему выбору или, скажем, в Сибирь.

Космические шаттлы делают это и добавляют контроль над полетом в атмосфере, что дает им достаточно контроля, чтобы приземлиться на взлетно-посадочную полосу.

Космический корабль делает это через один вход в атмосферу, используя наилучшие оценки атмосферы и внося небольшие коррективы в траекторию при входе в атмосферу. Лучшим примером этого является космический шаттл, который мог точно приземлиться благодаря аэродинамическим поверхностям, однако каждый космический корабль имеет некоторую способность управлять собой внутри атмосферы. Чисто «баллистический вход в атмосферу» бывает очень редко, однако иногда они проводились, особенно в первые дни космической программы.

В основном ориентация капсулы позволит ей немного изменить свое направление. «Союз» может приземлиться с точностью до 28 км. См. Как точность приземления Дракона (под парашютами) по сравнению с Союзом? для некоторых сравнений с Драконом и некоторых необработанных значений.