Почему космический шаттл летел по обычной траектории подъема первой и второй ступеней во время прерывания RTLS?

Если бы у космического челнока произошел отказ основного двигателя на очень раннем этапе подъема или возникла бы критическая по времени чрезвычайная ситуация (например, у члена экипажа неожиданно случился инсульт) до отрицательного возврата1, он бы выполнил RTLS (возврат к запуску ) . Site) прерваться , в результате чего он будет лететь по нормальной траектории первой ступени 2 , и после того, как SRB будут исчерпаны и отсоединены, продолжит движение прямо вниз на значительное расстояние, прежде чем в конечном итоге развернуться, постепенно снижая свою скорость вниз и приобретая значительную скорость вверх ( теряя при этом огромную высоту) и, наконец, сбрасывая ET и планируя, чтобы приземлиться обратно в KSC. 3

Это может показаться довольно рискованным планом действий, учитывая, что, если один SSME выйдет из строя, особенно на раннем этапе, то, что выведет его из строя, может легко вывести из строя один или оба оставшихся SSME, 4 что почти для всех стандартных Траектория RTLS, орбитальный аппарат не может достичь земли; это было бы особенно плохо перед потерей «Челленджера» , когда у экипажей шаттлов не было возможности экстренной помощи, что вынуждало их совершить роковую посадку . Длинный участок спуска второй ступени особенно странен, учитывая, что он уводит вас все дальше и дальше от безопасности со все возрастающей скоростью. 5 Во всяком случае, казалось бы, что хотелось бы избежатьпереходить в обычный гравитационный разворот и вместо этого лететь с максимально крутым углом траектории полета, чтобы максимально увеличить запас высоты и минимизировать скорость вдали от твердой земли; в противном случае поворот на север или юг будет держать вас ближе к месту приземления, чем простое движение прямо вперед, и позволит сделать последний поворот обратно в KSC с помощью стандартного поворота с креном на болоте, а не сверхзвуковой вертикальный отвес стандартного RTLS (где потеря даже одного дополнительного двигателя могла легко привести к потере управления). Так почему же стандартная траектория RTLS ушла так далеко вниз, прежде чем развернуться?


1 : Отрицательный возврат был точкой подъема шаттла, после которой прерывание RTLS было физически невозможно.

2 : Я исхожу из обозначений стадий в документации по прерыванию СС НАСА, где «первая стадия» была до выгорания и сброса SRB, «вторая стадия» — от сброса SRB до выключения SSME и сброса ET, а «третья стадия» — это Сжигание(я) OMS.

3 : Запуски шаттлов из Ванденберга, если бы они не были отменены, планировалось приземлиться в Эдвардсе в случае RTLS, а не обратно в Ванденберге (в Эдвардсе намного больше места для ошибки, учитывая, что вы можете приземлиться практически в любом месте на Роджерс-Драй). Озеро, если нужно; это действительно произошло, по крайней мере, при посадке одного шаттла, который упал не доезжая до взлетно-посадочной полосы с твердым покрытием и находился на дне озера в течение первой части своего посадочного пробега).

4 : Это почти произошло на STS-51F ), где неисправный датчик отключил один SSME и в течение нескольких секунд вызвал отключение другого, прежде чем его [датчик] можно было деактивировать. Если бы второй SSME был потерян, «Челленджер» упал бы посреди Атлантики; поскольку это было до того, как после STS-51L были добавлены возможности спасения, экипаж был бы вынужден броситься в океан и, вероятно, не выжил бы . Как бы то ни было, они все еще могли достичь (гораздо более низкой) орбиты (известной как Abort to Orbit или сокращенно ATO).

5 : Википедия утверждает , что удлиненный участок по ветру должен был дать достаточно времени, чтобы сжечь все топливо в ET, но это объяснение не выдерживает критики; полет (почти) прямо вверх или устойчивый поворот в одну сторону во время этапа будет служить той же цели и не потребует снижения почти такой же скорости вниз или отскока назад почти на такое же расстояние от KSC.

Вы ничего не можете сделать на первом этапе, потому что вы застряли на SRB, пока они не сгорят. Ваша сноска 5 неверна, а Википедия права, хотя и упрощенно. Я предлагаю вам прочитать раздел 6 здесь: nasa.gov/centers/johnson/pdf/… и раздел 6.3 здесь nasa.gov/centers/johnson/pdf/… затем отредактируйте свой вопрос, если он вас не устраивает. Во время подъема шаттл сильно ограничивал альфа/бета.
@OrganicMarble: Тот факт, что вы не можете выбросить SRB до того, как они сгорят, не означает, что вы не можете изменить свою траекторию до того, как они сгорят.
В значительной степени это происходит из-за ограничений альфа/бета DOLILU. См. здесь: space.stackexchange.com/questions/21056/… и связанные документы. Шаттл пролетел через довольно узкий альфа/бета "тоннель в небе" для первого этапа. Кроме того, траектория первой ступени была предварительно запрограммирована (по сути, фиксированная траектория) перед запуском.
@OrganicMarble: Хорошо, стандартную траекторию я понимаю, но если бы это можно было каким-то образом «неконсервировать», я все еще не понимаю, почему траектория не могла быть изменена в рамках ограничений туннеля.
Вы правы в том, что траектория первой ступени была немного изменена для случаев неработающего двигателя: набор I-нагрузок при неработающем двигателе был включен в день проектирования траектории запуска. Были таблицы для случаев «верхний двигатель наружу» и «боковой двигатель наружу». Его также можно немного изменить для облегчения нагрузки. Но общая проблема с людьми, не входящими в программу, которые спрашивают, почему шаттл не сделал этого, заключается в том, что они не понимают невероятного количества ограничений, наложенных на систему. Я надеялся, что чтение ссылок в моих комментариях может дать вам представление о некоторых из них.

Ответы (1)

Пожалуйста, обратитесь к этой диаграмме при чтении этого ответа.

введите описание изображения здесь

RTLS не выбирается до тех пор, пока не после SRB sep:

Самый ранний выбор RTLS производится в 2:30, что дает время для демпфирования переходных процессов, вызванных SRB sep, и для сходимости управления второй ступени. Таким образом, прерывание может быть инициировано до SRB sep, но транспортное средство все равно не начнет полетный профиль RTLS до истечения 2:30 с. В результате прерывание RTLS всегда задерживается, по крайней мере, до 2:30 с.

Модификация траектории в ответ на инициацию прерывания RTLS: это фактически было разрешено в рамках строгих ограничений всплытия. Смещение тангажа будет добавлено к предварительно запрограммированному углу тангажа, чтобы поднять траекторию выше номинальной. Вы можете увидеть этот лофтинг на диаграмме выше. Если бы прерывание было RTLS с тремя двигателями, двигатели были бы дросселированы до тех пор, пока общая тяга не приблизилась бы к тяге двух двигателей. Кроме того, при инициации прерывания любое управление IY (вне плоскости) будет отменено.

Во время номинального подъема космический шаттл летел близко к расчетным пределам, чтобы максимизировать характеристики. Прерывание возврата на стартовую площадку (RTLS) было еще более сложным маневром. Для успешного завершения RTLS должны быть удовлетворены многие критерии.

Вот пример некоторых критериев, которые должны были быть соблюдены.

  • Ограничения альфа/бета/qbar подъема первой ступени и правила коэффициента нагрузки не должны нарушаться.
  • Во время высокоскоростной части второго этапа высота транспортного средства не должна опускаться ниже 265 000 футов. Ниже этой высоты может произойти потеря управления или ET может разорваться из-за перегрева.

  • Моторный тангаж (маневр, который завершает фазу разгона вдали от стартовой площадки и начинает процесс торможения) должен выполняться со скоростью примерно 10 град/с.

  • Инопланетянин должен столкнуться с землей не ближе, чем в 25 морских милях.

  • Для безопасного разделения ET должно содержать не более 2% топлива, оставшегося при отключении главного двигателя (MECO).

  • MECO должен происходить при угле траектории полета, высоте и скорости, которые позволяют орбитальному аппарату скользить к взлетно-посадочной полосе без недолета или промаха.
  • Динамическое давление в MECO должно быть от 2 до 10 фунтов/фут^2.

  • Угол атаки непосредственно перед MECO должен быть примерно 30 градусов.

  • Угол атаки по восточному времени должен быть примерно -2 градуса.
  • Усиленный шаг вниз (переход между этими двумя значениями альфы) должен выполняться со скоростью примерно 8 градусов в секунду.
  • Во время фазы планирования ускорение по оси Z не должно превышать 2,5 g.

Любая траектория, удовлетворяющая этим ограничениям (и многим другим, о которых я не знаю или о которых не упоминала), теоретически могла привести к успешному RTLS. Я уверен, что десятилетия, которые высококвалифицированные инженеры потратили на усовершенствование этого режима прерывания, привели к созданию оптимальной конструкции для этой далеко не оптимальной ситуации.

Источники

Раздел 6 Учебного руководства по прерыванию работы Intact

Правила полета космического корабля "Шаттл" А2-57, А2-62

Проект траектории космического корабля "Шаттл" в день запуска

Руководство по эксплуатации экипажа шаттла, раздел 6.3

Конструктивные нагрузки верхней ступени при всплытии?

Личные заметки и опыт

Кажется, в версии TL;DR это будет так: MECO должен происходить на очень определенном расстоянии, скорости и высоте от взлетно-посадочной полосы, а EFT должен быть пустым, чтобы у экипажа была хоть какая-то надежда на выживание. Зайти так далеко вниз — это единственный способ сжечь достаточно топлива, чтобы безопасно отделить EFT. Будет ли это справедливым упрощением?
@Ghedipunk Я не могу спорить ни с одной твоей вещью, хорошее резюме.