Kpa6a Wrote:
Oleg Korney не могли бы вы рассказать, как "астронавты" определили координаты места своего прилунения?
С позиций вашей школьной программы желательно.
У них лампочка мигала на карте или еще как то?
У-у-у как у Вас все запущено (с) доктор Шац.
Придется давать краткий ликбез по основам навигации и управления в программе Аполлон, так как ткт не все всем понятно, как мне кажется.
Первая вещь, это выяснить - а что, собственно, следует знать, чтоб полететь на Луну, сесть там именно туда, куда надо и вернуться назад (и опять же сесть куда надо). Нужно знать:
- ориентацию КА в пространстве;
- положение КА в пространстве относительно выбранной системы координат;
В программе Аполлон определением этих вещей занималась система, называемая PGNCS - Primary Guidance, Navigation and Control System. В ее состав входили:
- ИНС (IMU - Inertial Measurement Unit)
- компютер AGC - Apollo Guidance Computer (так в коммандном модуле, как и в ЛМ)
- оптические приборы - сканирующий телескоп (SCT) и секстант (SXT) в коммандном модуле, Alingment Optical Telescope (AOT) в ЛМ-е;
- акселерометры (PIPA)
- посадочный радар в ЛМ-е
Для того, чтоб говорить об ориентации или положении КА в пространстве нужно сначала выяснить, относительно какой системы координат. В программе Аполлон использовались несколько таких систем:
- Basic Reference Coordinate System - базовая система координат, которая привязана в главному небесному телу. Это может быть и Земля, и Луна. Система такова, что ее ось Y направлена в центр масс планеты, ось Z - к северному полюсу планеты под углом 90 градусов к оси Y, а ось X - под углом 90 градусом к остальным осям, то есть в плоскости гипотетической орбиты. Такая система координат удобна для ситуации, когда КА относительно далеко от планеты и его интересует в основном прилет к ней;
- IMU Coordinate System - система координат, привязанная к ИНС, для которой осями X, Y, Z будут оси предварительно выставленные на ИНС. Оси выставляются согласно таблицам REFSMMAT. Что это за таблицы - объясню далее.
- Spacecraft Body Coordinate System - система координат, привязанная в ЛМ-у либо к КМ. Именно в этой системе координат и определяются данные для, например, двигателей. Поскольку для ЛМ-а и для КМ-а эти системы несколько отличаются - есть таблицы для трансформации одних координат в другие. Если кто внимательно смотрел фильм "Аполлон-13" то он заметил момент, когда Ловелл расчитывает что то на листке, а потом просит Хьюстон проверить. Это именно трансформация координат с системы КМ-а в систему ЛМ-а, необходимая для перенесения данных с ИНС КМ-а в ИНС ЛМ-а.
- Earth & Moon Coordinate System - обыкновенная Лунная или Земная система координат. Именно в ней задаются данные места старта, места посадки, места приводнения.
Теперь про таблицы REFSMMAT. Название расшифровывается как Reference to Stable Member Matrix. Это просто таблицы, в которых записанны наиболее важные в данный момент направления или координаты. Как правило это направления на наиболее яркие звезды, Солнце, Землю плюс:
- направление старта
- направление отлетного вектора
- направление прилетного вектора
- координаты места посадки
- координаты места приводнения
и так далее. Зачем такое нужно? Затем, чтоб выставить оси ИНС в соответствии с надобной в даный момент REFSMMAT. Если, например, ЛМ садится на Луну, то ему удобнее всего поставить REFSMMAT орентированныю на вертикаль в месте посадки. Тогда шарик FDAI покажет нули именно тогда, когда ЛМ будет строго вертикален. Наоборот - когда КМ входит в атмосферу, то удобнее всего поставить REFSMMAT против вектора входа в коридор. Тогда астронавты увидя ноли на шарике FDAI будут уверенны, что они идут строго в коридоре входа.
Ну а направления на звезды нужны в REFSMMAT затем, чтоб можно было корректировать положение платформы ИНС. Об этом - далее.
Однако знание ориентации это мало для успешного полета. Нужно знать еще и скорости, координаты. Для этого в системе навигации существует такое понятие, как State Vector - вектор состояния. В нем заключены данные по скоростям и координатам КА относительно выбранной системы координат. Расчетом вектора состояния занимается компьютер ЛМ-а или КМ-а, а также компьютеры в Хьюстоне с помощью системы MSFN. Причем, поскольку вычислительные мощности на Земле больше, чем в КА - State Vector расчитанный по MSFN как правило точнее, чем расчитаный на борту. Однако на борту он тоже расчитывается ибо:
- никто не гарантирует от потери связи с Землей, а без вектора состояния ни ЛМ ни КМ не сможет вернуться на Землю;
- иногда данных с Земли не получить, а работать и знать State Vector надо - например при полете с обратной стороны Луны.
Откуда этот State Vector берется на борту? Это зависит от участка траектории. На активном участке траектории ускорения измеряются непосредственно с помощью PIPA, скорости расчитываются по ним. Если это ЛМ и если он садится на Луну - скорости измеряются еще и непосредственно с помощью ДИСС, а вектор состояния получается из сложения этих данных с данными PIPA (по какому алгоритму - не имею понятия, наверное данные ДИСС важнее). Если КА на пассивном участке траектории - скорости и координаты расчитываются методом Энке (более точный, но медленный) или методом конической интеграции (более быстрый) из предыдущего положения. Это несколько похоже на навигационное счисление пути, проводимое давнее штурманами - однако в космосе нет ни ветра, ни атмосферы - поэтому эти методы более точные. Однако они не на столько точные, чтоб позволить сесть на Луну ЛМ-у без радара (и даже MSFN не настолько точен) - именно поэтому ЛМ без радара сесть никак не может.
Со временем в значении вектора состояния накапливалась ошибка от:
- малых импульсов двигателей ориентации, например при стыковке, расстыковке;
- выпуска всякой всячины в космос (ну, понятно чего);
- неточностей в методах расчета траектории;
- неточностей аналого-цифрового переобразования даных с акселерометров
Именно поэтому в компьютере КМ была предусмотрена процедура State Vector Update, когда вектор состояния корректироваля на расчитанный на земле с помощью MSFN. Это могло пройти как в автоматическом, так и в ручном режиме. Если мне не изменяет склероз, то компьютер коммандного модуля умел такое делать всегда, а вот компьютер ЛМ-а - только начиная с Аполлона-12. И именно ошибка в значении вектора состояния, которой "Орел" еще не умел исправить с помощью данных MSFN и была причиной знаменитого промаха астронавтов на 6 км. А когда ЛМ "научили" - то уже Аполлон-12 сел 300 метров от цели.
Теперь про астрокоррекцию.
Она нужна для того, чтоб исправить положение стабилизированной платформы ИНС, которая с течением времени все более и более "уходит". Уходит она потому, что хоть гироскопы и вещь точная, но все таки не идеальная. Однако что важно - астрокоррекция имеет отношение только к выставлению платформы ИНС, а точнее - к коррекции ее положения.
Ни к какому "определению местоположения" на Луне астрокоррекция никакого отношения не имеет - за положение отвечает вектор состояния. Поэтому если вдруг опровергатели заявят обратное, да еще станут требовать объяснений, как секстантом на Луне определить местоположение - то надо сразу посылать лесом. И отсылаит читать документацию.
Астрокоррекция производилась разными способами, в зависимости от того, где. В КМ-е стоял более навороченный девайс - сканирующий телескоп и секстант. Выглядел он так:
А в ЛМ-е стояла его более примитивная версия - AOT:
Разница между ними проста - возможность плавно двигать оптическую ось. Поскольку в КМ ограничения по массе были несколько менее драконскими там поставили именно секстант с сервоприводами, который умел передать в AGC точное положение своей опрической оси. Поэтому процедура коррекции была такова:
- астронавт находил звезду сканирующим телескопом с широким углом обзора;
- давал команду, и компьютер AGC выставлял ось секстанта точно на эту звезду, согласно актуальной таблице REFSMMAT и положению осей ИНС;
- астронавт проверял, точно ли нацелен секстант, если нет - перенацеливал его;
- та же процедура повторялась снова для другой звезды;
- компютер учитывал поправку на положение секстанта и корректировал положении платформы ИНС.
Что касается телескопа в ЛМ-е, у него на сервоприводы массы не осталось, поэтому конструкторы умудрились поставить стабильно фиксируемую в 6 положениях оптическую ось:
Поскольку в таком случае о точной наводке оси говорить не приходится - астронавты вынуждены были совершать телодвижения, зависимые от того, в космосе ли находился ЛМ, или на поверхности. Сам окуляр имел не только ортогональные черточки "прицела", но еще и радиальные и архимедову спираль. Выглядело это так:
Если ЛМ находился в космосе, то процедура была такова:
- астронавт ориентировал ЛМ так, чтоб звезда находилась примерно в середине прицела;
- давал команду на медленный поворот ЛМ-а так, чтоб звезда по пути пересекла ось X прицела и ось Y;
- когда звезда пересекала данные оси астронавт нажимал соответственно кнопки "Mark X" и "Mark Y";
- то же самое повторялось для второй звезды.
Ну а если ЛМ находился на Луне, где невозможно его заставить медленно поворачиваться - астронавт крутил прицел вокруг оси так, чтоб сначала звезда находилась между радиальными черточками, а потом, второй раз - между черточками архимедовой спирали. Этого хватало компьютеру, чтоб точно рассчитать положение звезды.
Вся информация - с официальных Handbook-ов, а также с очень хорошей книжки Франка Брина "The Apollo Guidance Computer".
. Расстояние между Луной и Землей в масштабах расстояний до тех самых звезд настолько мизерное, что с Луны взаимоположение звезд будет точно такое же, как и с Земли. И это действительно
