КОСМОС
45 049 подписчиков


Почему Crew Dragon летит до МКС в 5 раз дольше, чем Союз?
.
Недавно мы получили следующий вопрос от одного из читателей:

Здравствуйте. Смотрел недавно запуск SpaceX Crew-1 и меня удивило, что после запуска сказали. что стыковка состоится более чем через сутки. Помню что Союз очень быстро долетает. Буквально за несколько часов. Из-за чего такая разница?
Давайте разбираться вместе. Посмотрим сколько времени от старта с космодрома до стыковки с МКС у космических кораблей SpaceX.

SpaceX Demo-1 — 27 часов 2 минуты;
SpaceX Demo-2 — 19 часов 7 минут;
SpaceX Crew-1 — 27 часов 34 минуты.
Сравним это с показателями трёх последних полётов «Союзов».

Союз МС-15 — 5 часов 46 минут
Союз МС-16 — 6 часов 8 минут
Союз МС-17 — 3 часа 3 минуты
Т.е. если сравнивать три последних полёта каждого из космических кораблей (для SpaceX полётов больше пока и не было) то в среднем у Союза на МКС действительно уходит в 4.9 раз меньше времени, чем у Crew Dragon.

Астронавты Space X Demo-2 во время полёта
Так что же? Получается Союз летит в 5 раз быстрее, чем Crew Dragon? Нет, это не так. Разница в скорости несущественна да и вообще не при чем. Но перед тем как мы пойдём дальше несть несколько важных моментов, которые нужно пояснить.

Запуск с Земли и рандеву с МКС это не полёт по прямой линии, как многие, возможно, себе представляют. Для успешной стыковки космический корабль должен оказаться вблизи МКС и двигаться с практически такой же скоростью как МКС относительно Земли, а также в той же плоскости, что и МКС.

Сближение с МКС
Фазовый угол — угловая величина показывающая насколько далеко впереди или позади относительно МКС находится космический корабль в момент совпадения их орбитальных плоскостей. Когда космический корабль оказывается на орбите фазовый угол со временем уменьшается до нуля после чего становится возможна стыковка.

Почему Crew Dragon летит до МКС в 5 раз дольше, чем Союз?
Скорость движения по орбите определяется высотой орбиты. Чем ниже орбита тем быстрее движется аппарат на этой орбите. Это значит, что если МКС находится впереди, то космический корабль должен находится на более низкой орбите и наоборот, если МКС находится позади космического корабля, то для рандеву и стыковки он должен находится на более высокой орбите. Чем больше фазовый угол, тем больше времени требуется космическому кораблю на сближение с МКС.

Стыковка SpaceX Demo-2 с МКС
Стартовое окно (интервал времени в течение которого возможен запуск) зависит от допуска для фазового угла. Чем больший фазовый угол мы можем себе позволить, тем шире окно для старта. Но чем больше фазовый угол тем больше времени понадобится на встречу корабля с МКС и стыковку.

Интервал времени при котором возможно достижение малого фазового угла называется фазовым стартовым окном.

Совмещение плоскостей корабля и МКС
Земля не является идеальной сферой. Она чуть приплюснута у полюсов. Кроме того масса Земли внутри нашей планеты распределена не идеально равномерно. Это приводит к тому, что гравитационное поле нашей планеты не изотропно, а имеет неоднородности. Эти неоднородности вызывают прецессию орбиты МКС. Т.е. плоскость орбиты МКС как бы немного вращается. Из-за этого например МКС движется над поверхностью Земли не над одними и теми же местами, а периодически пролетает над почти всей поверхностью Земли.

Траектория движения МКС над поверхностью земли.
Траектория движения МКС над поверхностью земли.
Момент запуска стараются выбрать таким образом, чтобы в момент отключения двигателей и выхода корабля на орбиту орбитальная плоскость МКС проходила через точку запуска. Это позволяет значительно уменьшить затраты топлива на дальнейшее маневрирование. Однако это не всегда возможно по целому ряду причин (неудачный фазовый угол в благоприятный планарный момент, неблагоприятные погодные условия и т.п.

Почему Crew Dragon летит до МКС в 5 раз дольше, чем Союз?
Интервал времени в окрестностях момента, когда плоскость орбиты МКС проходит через космодром называют планарным стартовым окном (от лат. planum — плоскость).

Выбор стартового окна
Стартовое окно для запуска космического корабля к МКС возникает, когда фазовое и планарное окна совмещаются.

Почему Crew Dragon летит до МКС в 5 раз дольше, чем Союз?
Существуют и другие факторы влияющие на выбор момента запуска, но их влияние (за исключением разве что бета-угла) достаточно незначительно и останавливаться на них в рамках данной статьи я не буду.

Выбор стартового окна это всегда компромис между этими переменными, а также тем, сколько топлива мы готовы потратить на маневрирование корабля, ведь если дать кораблю покрутиться несколько десятков, а то и сотен витков по орбите, то условия для маневрирования могут значительно улучшиться сами по себе просто за счёт орбитальной механики. Этот прием часто применяется для грузовых кораблей, когда время рандеву не является критичным, поэтому иногда полёт грузового корабля до МКС может длиться несколько дней, а то и неделю. Это делается для сокращения стоимости запуска.

Так что же с вопросом?
Держа все вышесказанное в уме возвращаемся к нашим Драконам и Союзам. Время полёта от старта до рандеву с МКС в основном зависит не от того, какой корабль «быстрее», а от выбора удачного момента старта, планирования орбитальных манёвров и от того, сколько топлива мы готовы потратить.

Если мы посмотрим на запуски Союзов в начале нулевых, то увидим, что в то время полёты Союзов к МКС занимали около суток, так же как и у Crew Dragon сейчас. И хотя Союзы с тех пор модернизировались, технологической революции в их конструкции не было, по своим лётным характеристикам это плюс-минус все те же Союзы, что и в начале нулевых.

Значительно более короткое время рандеву Союза по сравнению с Драконом обусловлено прежде всего огромным опытом сотрудников Роскосмоса в космических запусках и запусках именно корабля Союз, по сравнению с опытом сотрудников SpaceX.

Математические модели, используемые в Роскосмосе отрабатывались и калибровались в течение десятков лет. В них заложен огромный массив данных об эксплуатации Союзов, что и позволило за последние 20 лет сильно снизить время полёта.


Экипаж SpaceX Crew-1 внутри Crew Dragon за несколько минут перед стартом
По своим техническим характеристикам Crew Dragon вполне способен достичь МКС за 3-4 часа по такой же схеме, как и Союз, но этого не делалось по двум главным причинам:

1) Космический корабль Crew Dragon все еще достаточно новый, поэтому в ходе первых полётов астронавты на борту проводят многократные тесты всех систем корабля и собирают и передают на Землю данные о его эксплуатации, что разумеется требует много времени.

2) Отсутствие на стороне Space X опыта и проработанных математических моделей для расчёта оптимального времени старта и орбитальных манёвров. В SpaceX полно первоклассных математиков, но подобные модели после их создания «на кончике пера» необходимо калибровать с помощью большого массива реальных, а не расчётных эксплуатационных данных, которого у Space X пока банально нет из-за малого количества осуществлённых запусков.

Образно выражаясь когда вы в первый раз сели за руль, даже если вы прекрасно знаете теорию и провели множество часов в автосимуляторе вы вряд ли сразу начнёте лихачить, но по мере накопления опыта вождения вы будете чувствовать себя за рулём все увереннее и увереннее. Именно это сейчас и происходит с Crew Dragon и Space X, с той только поправкой, что космический корабль и управление ним неизмеримо сложнее, чем автомобиль.

В обозримом будущем по мере накопления опыта запусков и эксплуатации корабля Crew Dragon мы увидим значительное снижение его полётного времени до МКС.