Як посадити "Спейс Шатл"... з космосу

Як посадити Спейс Шаттл ...
З космосу!
Що ж, маленька заувага: виступ триватиме менше ніж 20 (двадцяти) хвилин.
Тож, я дам лиш приблизне уявлення про те, як відбувається посадка.
Якщо ви захочете політати на цьому шатлі, переконайтеся, що ви прочитали інструкцію.
Також вам знадобиться машина часу, оскільки останній шатл приземлився понад 9 (дев'яти) років тому.
Тепер вони живуть в музеях і вже не зможуть злетіти.
Проте я, як і всі ви, останні дев'ять років перебуваю в стані заперечення цього факту.
Особливо ти, Стів Фельдман.
Тож, в моєму світі шаттл досі літає, і я використовуватиму теперішній час у виступі.
Отже, почнімо.
Наша мета - приземлитися на злітно-посадковій смузі [ЗПС] Космічного центру Кеннеді у Флориді.
Припустимо, що ми зараз пролітаємо по орбіті над Південною Америкою на швидкості майже 28000 км/год (двадцять вісім тисяч кілометрів на годину) в неправильному напрямі.
І ми не можемо просто розвернутися.
Зміна напрямку руху вимагає величезної кількості енергії.
То що ж нам робити?
Ну... В принципі, нічого.
Виявляється, Земля обертається.
А це означає, що Космічний центр Кеннеді сам прийде до нас, варто лиш зачекати.
І ось, коли ми пролітатимемо над Космічним центром Кеннеді, то просто зупинимося!
Він завжди так робить.
Отже, ми все ще летимо зі швидкістю майже 28000 км/год.
Щоб уявити, наскільки це швидко: ЗПС, на яку ми збираємося сідати, має довжину 4500 (чотири з половиною тисячі) метрів.
Це приблизно 40-45 футбольних полів, в залежності від того, що ви вважаєте футбольним полем.
Це одна з найдовших смуг у світі, але з нашою швидкістю ми пролетимо всю її довжину всього за шість десятих секунди.
Ми могли б дістатися з Нью-Йорка до Лондона всього за 12 хвилин.
Так що нам потрібно загальмувати. Сильно загальмувати.
Що ж, у шаттла відмінні двигуни з купою потужності, щоб уповільнити нас.
Давайте, запустимо їх!
Е-е-е-е ... не все так просто.
Розумієте, в нас немає палива.
Космічний запуск насправді дуже дорога подія.
Ось ці два прискорювачі з боків,.. вони спалюють п'ятсот тисяч кілограмів твердого палива всього за дві хвилини!
А потім ми просто скидаємо їх.
Цей великий помаранчевий зовнішній бак містить ще сімсот двадцять п'ять тисяч кілограмів рідкого палива для трьох головних двигунів Шаттла.
Але через вісім хвилин після запуску він теж порожній, тож ми повинні викинути і його. Бувай.
Все, що у нас лишилося - ці крихітні маневрові орбітальні двигуни, які разом розвивають менше ніж 1% (одного відсотка) від тяги головних двигунів.
Вони не зможуть помітно уповільнити нас, але є одна хитрість.
Насправді нам не потрібно скидати швидкість так сильно.
Сповільнення всього на 360 км/год (триста шістдесят кілометрів на годину) буде достатньо, щоб ми почали падати в атмосферу, де опір повітря може виконати решту роботи.
Отже, ми сходимо з орбіти за допомогою маневрових двигунів, що займає близько трьох хвилин.
Після цього ми просто пасивно летимо пів години, перш ніж увійти в атмосферу.
Але ми не можемо увійти в атмосферу задом наперед!
По-перше, це виглядало б смішно, але...
і це важливіше, опір повітря настільки великий, що ми, зрештою, розплавимося.
Отже, ми робимо кут атаки рівним 40 (сорока) градусам.
Це кут між тим, куди спрямована ваша швидкість, і тим, куди спрямований ніс корабля.
При такому куті наш легкоплавкий алюмінієвий корпус повинен бути захищений більш ніж 20000 (двадцятьма тисячами) кремнієвих плиток, а також цими армованими вуглепластиковими панелями на носі й передніх краях крил.
Цікавий факт: поверхні орбітального апарата, які не нагріваються, також покриті цими теплоізоляційними елементами, і спеціальною тканиною "номекс", включно з крилами й стулками вантажного відсіку.
Все це зовсім не схоже на звичайний літак. Гаразд, повернімося до спуску.
Якщо все піде добре, ми повинні увійти у верхні шари атмосфери на висоті 122 км (кілометри) і на відстані 8000 км від місця посадки.
Це все добре, але через кілька хвилин з'являється маленька проблема: у нас є крила!
І крила створюють підіймальну силу.
У міру входження у щільніші шари атмосфери ця сила стає настільки великою, що ми починаємо знову підійматися і виходити з атмосфери.
Це не дуже добре. Нам взагалі-то потрібно спуститися.
Що ж, ми могли б задерти ніс ще вище ...
Це збільшило б опір і зменшило б підіймальну силу, але є ризик перегрівання або просто втрати контролю над космічним апаратом.
Тож, ми не можемо змінити кут атаки, а отже ми не можемо змінити величину підіймальної сили.
Однак, ми можемо змінити напрям цієї сили. Вона не обов'язково повинна бути спрямована вгору.
Якщо ми накренимося праворуч або ліворуч, то зможемо спрямувати частину підіймальної сили вбік.
Це фактично дозволить нам контролювати швидкість зниження.
Чим більшим буде крен, тим меншою буде вертикальна складова підіймальної сили, і зниження буде швидшим.
І навпаки, з малим креном вертикальна складова підіймальної сили буде більшою, і ми не знижуватимемось так швидко.
Але постає цікаве запитання: наскільки швидко ми хочемо спускатися?
Входження в атмосферу - велика проблема керування енергією.
У нас є велика швидкість і багато відстані, яку треба подолати.
Мета полягає в тому, щоб зменшити цю швидкість таким чином, щоб пройти потрібну відстань.
Якщо ми сповільнимося надто швидко, то не долетимо до місця приземлення, а якщо загальмуємо недостатньо, то пролетимо повз Космічний центр і розіб'ємося в Атлантичному океані, що теж погано.
Отже. Ми вже зрозуміли, що для того, щоб контролювати спуск, нам просто потрібно змінювати кут крену.
Але як нам контролювати гальмування?
Пам'ятаєте, яка основна причина гальмування? Це лобовий опір набігаючого повітря.
Якщо ми хочемо сповільнитися різкіше, все, що нам потрібно - це всього лиш більше повітря.
І де ж більше повітря? Звісно ж, нижче в атмосфері; її густина збільшується в міру вашого зниження.
Ми, певною мірою, вже знайшли правильні інструменти для керування уповільненням, оскільки якщо ми накренимося сильніше, то знижуватимемось швидше, а отже й швидше досягнемо щільнішого повітря, яке допоможе нам сповільнитися.
І навпаки, з меншим креном ми не будемо знижуватися так швидко, тож довше перебуватимемо в розрідженому повітрі, і гальмування буде повільнішим.
Таким чином, залишається всього одна проблема: ми починаємо повертати.
Зміна крену працює не настільки добре, як ми сподівалися.
Тому NASA звернулася до своїх інженерів: "Це дуже серйозна проблема! Ми не можемо приземлитися в Панамі!"
А інженери відповіли: "Ну, тоді просто поверніть в інший бік.
Це ж не якась вища математика. І навіщо ви витрачаєте наш час, Стіве?"
Отже, виходить ось така S-подібна крива для спуску. Але вона працює.
Отож, перш ніж йти далі, подивімося, що ми дізналися.
Ми починаємо з імпульсу сходження з орбіти, що триває приблизно три хвилини.
Потім ми пасивно летимо до атмосфери, і в процесі встановлюємо кут атаки 40 градусів, щоб тепловий екран міг захистити нас.
Після входження в атмосферу все контролюється кутом крену: якщо ми перелітаємо посадкову смугу, то збільшуємо крен, і сповільнюємося швидше.
Якщо ми можемо не долетіти, то зменшуємо крен, і уповільнення відбувається не так швидко.
А якщо ми надто відхиляємося від цілі, то просто повертаємо в інший бік, здійснюючи, так звані "перекладання штурвала".
Так їх називають у NASA.
Це фото входження в атмосферу останнього шатла в ході місії STS-135 (ес-ті-ес сто тридцять п'ять).
Дещо цікаве про це світіння при входженні: технічно, це не вогонь, хоча дуже схоже.
Насправді це дуже гарячий газ, настільки гарячий, що електрони відриваються від своїх атомів і молекул, і ті починають світитися цим м'яким помаранчевим світлом.
Це такий стан речовини, званий плазмою.
Ви точно бачили її, коли дивилися на неонові лампи, блискавку, і... Сонце, яке є величезною кулею плазми.
В міру нашого сповільнення плазми стає все менше, тож ми отримуємо менше тепла, і нам не загрожує розплавлення.
Але нас все більше і більше непокоїть падіння в повітрі.
Ми переходимо від космічного корабля до літака.
На швидкості 13000 км/год (тринадцять тисяч кілометрів на годину) ми починаємо опускати ніс, зменшуючи кут атаки.
Тоді при швидкості у 2750 км/год (дві тисячі сімсот) ми переходимо у зовсім інший режим польоту, званий "Керування енергією перед посадкою".
Тепер ми летимо як літак. Дуже поганий літак: у нас немає двигунів, але ми функціонуємо приблизно як літак.
Ми задираємо ніс, щоб контролювати швидкість спуску.
Ми використовуємо крен для повороту, і у нас є ця штука, яка, відкриваючись, допомагає зменшити швидкість, щоб допомогти нам контролювати швидкість польоту.
Також, до цього моменту ми летіли на автопілоті.
Автопілот керується цими п'ятьма дублювальними комп'ютерами, кожен з яких - з цілим мегабайтом пам'яті.
Ви б не змогли помістити на один з них навіть одне фото зі смартфона, але Шаттлом він керував добре.
Коли ми наближаємося до ЗПС, командир бере на себе ручне керування, і цей режим називається CSS (сі-ес-ес), або режим ручного витримування курсу.
Звісно, Шаттл використовує електроприводи, тож комп'ютери контролюють все безперервно.
Навіть в режимі CSS комп'ютер просто прикидається, що дозволяє людині летіти,... просто як у житті.
Примітка: жоден пілот шаттла не хоче, щоб його називали другим пілотом.
Це просто образливо.
Отож, в лівому сидінні у нас сидить командир, який керує польотом. А в правому кріслі у нас сидить пілот, який не керує польотом.
Я не впевнений, чи НАСА не зробили це, щоб збити з пантелику ЗМІ, але якось так виходить.
Повернімося до керування енергією в зоні посадки.
Ця система проводить нас через осьову лінію посадкової смуги, а потім по цій уявній спіралі, званій конусом вирівнювання курсу.
Якщо все пройде добре, ми вирівняємося зі смугою і вийдемо на глісаду, маючи висоту 3000 (три тисячі) метрів.
Звичайно, якби ми були звичайним авіалайнером, кут глісади становив би 3° (градуси) на швидкості приблизно 255 км/год (кілометрів на годину), і зниженням приблизно на 230 (двісті тридцять) метрів за хвилину.
Але у нас так не вийде.
У Шаттла короткі крила і ​​великий, товстий, круглий ніс.
Його ніжно називають летючою цеглиною.
Астронавти НАСА тренуються в модифікованому літаку Гольфстрім II, який, щоб змоделювати всю неаеродинамічність Шаттла літає з випущеними шасі і з двигунами в режимі реверсу.
Тож, нам знадобиться більш "цегляна" глісада з кутом 20°, швидкістю 555 км/год (кілометрів на годину) і зниженням на 3050 метрів за хвилину.
Для кращого розуміння, наскільки це швидке зниження: 3050 метрів на хвилину - це приблизно 190 км/год.
Це рівноважна швидкість для парашутиста у вільному падінні.
Очевидно, ми не можемо так приземлитися.
Тож на висоті 600 метрів ми починаємо підіймати ніс для передпосадкового маневру, щоб зменшити величезну вертикальну швидкість за рахунок збільшення горизонтальної.
Шасі випускаються на висоті 91 метр.
Ми чекаємо останньої хвилини, оскільки шасі створюють сильний опір, і їх вже не можна буде підняти в польоті.
Ми підлітаємо до ЗПС на висоті 8 метрів, швидкість падає дуже стрімко.
Ми торкаємося землі на швидкості 410 км/год, розгортається гальмівний парашут, ніс поступово опускається.
Всього через годину і п'ять хвилин після нашого гальмівного маневру на протилежному боці планети ми посадили Спейс Шаттл.
...з космосу!
Очевидно. Звідки ж іще його можна посадити?
Я залишу вас із тим, як це виглядає з точки зору пілота, тому що, як пілот, я вважаю, що це найкрутіша річ у світі.
Ніхто з тих, кому я це показував, не погоджується з тим, що це найкрутіша річ, але, сподіваюся, Стіву сподобається.
Це нічна посадка STS-115.
Зараз ми летимо по конусу вирівнювання курсу.
Ми дивимося крізь проєкційний дисплей пілота, і бачимо всі ці зелені числа, що рухаються.
Зліва показується швидкість відносно повітря. У нас приблизно 260 вузлів.
Справа - висота. У нас 28000 (двадцять вісім тисяч) футів або 8500 (вісім тисяч п'ятсот) метрів.
Зараз вгорі ви побачите східне узбережжя Флориди. Це вогні на південь від космічного центру Кеннеді.
У самому центрі екрана є квадрат з ромбом, який то виходить, то входить у квадрат.
Цей ромб є вказівником курсу.
Командир, по суті, зараз намагається сумістити цей квадрат з ромбом, щоб втримувати шаттл на правильному шляху вздовж конуса вирівнювання курсу.
До речі, цей квадрат скоро перетвориться на коло. Але це не дуже важливо.
Ну, це важливо, але я не хочу пояснювати.
У нижній частині, яку зараз не видно, розташований блок CSS, видно підпис.
Вище написано HDG, тобто наведення на курс по конусу вирівнювання курсу.
Справа - горизонтальна лінія з двома трикутниками.
Верхній трикутник - це стан повітряного гальма.
Воно відкрите приблизно на сімдесят відсотків.
Нижній трикутник, показує стан, розрахований комп'ютером, і вони зараз збігаються.
Ви побачите, як відбувається коригування під час руху, і на 3000 (трьох тисячах) футів буде різка зміна.
Ось в полі зору з'являється посадкова смуга, і після 10000 футів я дам астронавтам говорити самим за себе, тому що це набагато цікавіше.
Ви чутимете, як пілот говоритиме з командиром під час посадки.
Пілот: "Коригую."
Спеціаліст по польотах: "Посадковий щиток випущений."
Пілот: "Ось так, 9000."
Пілот: "Досі два і два, все добре."
Командир: "Зрозумів."
Пілот: "8000."
Командир: "Слабкий бічний вітер біля землі."
Пілот: "7000"
Пілот: "Все чудово."
Командир: "Зрозумів."
Пілот: "6000"
Пілот: "Гаразд, 5000. Мій радар в порядку, і ваш радар в порядку."
Командир: "Зрозумів."
Пілот: "Забрав зайву інформацію, і у нас приблизно 3000".
Командир: "3000. Повітряні гальма."
Пілот: "Повітряні гальма встановлюю на 27."
Командир: "Гаразд."
Пілот: "2000. Вирівнювання. Шасі готові."
Командир: "Прийнято, вирівнювання."
Пілот: "Невелике відставання. Тепер все гаразд".
Пілот: "1000. Максимальна швидкість 313.
700
600
500
400."
Командир: "Випустити шасі."
Пілот: "Шасі випускаються. Показую зниження на екрані.
Зробіть інтерфейс яскравішим. ... Трохи зависоко."
Командир: "Зрозумів."
Пілот: "Трохи вище. Сто футів. 255. Багато енергії. Виправлено. 50. Ніс підіймається.
30, 230. Добре, не надто високо, поки що. Ось так. ... 22,... 10.
Опускаємо ніс. Ось так. ... 7, 6, 5, 4, 3 торкання. Є парашут."
Командир: "опускаємо ніс".
Пілот: "Опускаємося на півтора.
Вниз на півтора. Вниз на півтора. Торкання."
Ведучий: пам'ятаєте, у них немає двигунів, тож це їхній єдиний шанс приземлитися.
Нагадаю, що це відео почалося близько трьох з половиною хвилин тому на 11 (одинадцяти) кілометрах.
Це типова висота польоту для авіалайнера.
Уявіть, що капітан вашого літака говорить:
"Пані та панове, ми починаємо зниження перед Філадельфією (чи деінде). Ми скоро будемо на землі."
І під "скоро" він має на увазі три з половиною хвилини.
Але саме так і сідали Шаттли.
Ось і все. Дякую.