Не верь тому, кто говорит, что знает Истину, но прислушайся внимательно к тому, кто говорит, что усомнился.
Сам я недавно утверждал следующее: 'посадку в безвоздушном пространстве можно осуществить не менее чем на трех струях'.
Речь надо вести именно о струях - не о двигателе, а о движителе, а двигатель может быть и один.
В ответ я получил противоречащие друг другу 'опровержения' вот такого свойства:
1. 'Посадка возможна и на одном двигателе!'
2. 'Посадку можно осуществить только на четырех струях, и вы ошибаетесь, утверждая, что трех струй будет достаточно!'
3. 'У возвращаемого лунного модуля было 17 струй, хотя откуда вам это знать?!' - типа, вы же такой тупой, что не могли бы этого предполагать.
Разберемся по полочкам.
Я не утверждал, что трех струй достаточно, я говорил, что три - это минимум. Поэтому утверждение, что я, дескать, ошибаюсь, что трех достаточно - нелепо.
Я и не утверждал в том контексте, каковой мне приписывают.
Как всякого нормального человека, меня раздражает, когда мне приписывают то, чего я не говорил, но только лишь до тех пор, пока я думаю, что говорю с адекватными людьми.
Как только я понимаю, что мои оппоненты не адекватны, я предпочитаю прекратить спор.
См. http://zhurnal.lib.ru/editors/z/zhmudx_w_a/osporah.shtml
Применение семнадцати струй, видимо, диктовалось необходимостью перемещений, конечно же, необходимостью стабилизации и управления поворотом и, видимо, соображениями удобства управления.
Я не собираюсь дискутировать по фактам, ибо данная заметка - рассуждения на банальном (если хотите - дилетантском) уровне. Кто относится к ней иначе - не обессудьте.
Но даже с позиции дилетанта, я полагал, что четыре струи удобнее, но трех достаточно, чтобы стабилизировать корабль: одна сумма действия струй управляет торможением, а разница действия трех может управлять поворотом. С позиции теории управляемости тоже все четко - три степени свободы (скорость спуска и две координаты) и три управляющих величины (вращение не рассматриваем).
Почему я вообще завел об этом речь? Потому что стабилизация, о которой я говорил, ко всему прочему должна быть еще чрезвычайно быстродействующей, и непременно - трехканальной, то есть нельзя решить проблему, сделав три независимых канала стабилизации, потому что они все влияют на все три параметра. Это - я так думал.
При этом, однако, спускаемый аппарат лишен возможности управляемого перемещения в горизонтальной плоскости. Для более простого алгоритма управления вертикальной ориентацией, возможно, что целесообразным оказалось бы четыре струи - разность двух левых и двух правых управляет наклоном влево-вправо, разность двух ближних и двух дальних управляет наклоном вперет-назад, а сумма действия всех четырех управляет скоростью посадки и она же может дать тягу, достаточную для взлета. При этом, конечно, еще действует сила притяжения, иначе сумма действия всех струй могла бы лишь увеличивать скорость и лишь в одном направлении - в противоположном направлению истекания струй.
Для перемещения влево/вправо и назад/вперед не худо бы добавить еще четыре струи, а, может быть, и восемь (чтобы не создавать дополнительный вращающий момент).
Еще может возникнуть желание повернуться, и, если уж не экономить, то надо бы добавить одну или несколько струй по касательной к сфере, охватывающей габариты конструкции - и так далее.
Вопрос, сколько струй надо, сколько было и сколько - оптимально, тут не обсуждается.
Меня интересовал вопрос - сколько минимально необходимо?
Кому-то эти рассуждения покажутся дилетантскими (а я и не спорю с этим), но ошибки в них я пока не вижу. Напомню, что я не ссылаюсь ни на какие факты, и ничего не опровергаю, и ни с кем не спорю, кроме самого себя.
Напрашиваются аналогии - дескать, существуют же двухколесные велосипеды и одноколесные тоже, поэтому можно осуществить посадку и на одной струе.
Такие аналогии малоинтересны, поскольку балансирование на одной струе с попыткой выровнять наклон и одновременно управлять скоростью посадки без дополнительной опоры просто невозможно (мне так казалось).
Нет вопроса в том, что для управления N независимыми координатами необходимо N управляющих воздействий.
Это - очевидная истина.
Нет вопроса в том, что для того, чтобы спускаемый аппарат, как и любое жесткое тело, перемещать и вращать в пространстве независимо, то необходимо управлять каждой степенью свободы. Материальная точка имеет три степени свободы. Соответственно, две материальные точки - шесть степеней свободы, а отрезок фиксированной длины - пять, потому что налагается уравнение, которое требует постоянства длины отрезка, равной квадратному корню из суммы квадратов разностей полярных координат.
Чтобы задать положение жесткого тела, необходимо управлять шестью степенями свободы, то есть, например, зафиксировать положение отрезка прямой, являющей частью конструкции, а также угол поворота конструкции относительно этой прямой. Либо - зафиксировать три произвольных точки конструкции (что требует девяти координат, из чего вычитается три уравнения связи, например, расстояния между этими точками, что также дает шесть: 9-3=6).
Но речь-то шла не об этом.
Речь шла о том, что если спускаемый аппарат падает под действием силы тяжести, то необходимо, по меньшей мере, следующее:
1. Направить тормозящую струю строго вниз.
2. Стабилизировать положение корабля таким образом, чтобы он сел в том положении, которое требуется.
Если не рассматривать вращение, то оказывается, что для торможения нужна одна струя, направленная строго вниз, а также нужны две струи, которые бы отрабатывали возникающий наклон.
Конечно, три струи может оказаться не удобным, но не об удобстве идет речь, а достаточности чисто в теоретическом смысле.
Здесь для дальнейшего объяснения придется воспользоваться термином 'устойчивость', который физики порой понимают плоховато. Отсюда - тот поток отрицательных откликов, который порой на меня выливают. А без этого рассмотрения трудно понять сложность задачи СТАБИЛИЗАЦИИ.
Представим себе полый конус без дна, 'пожарное ведро'. Поставим его острым дном на шест. С точки зрения физики если центр масс конуса находится строго над точкой опоры, то конус должен оставаться в равновесии. Действительно, вращающего момента не возникает, поскольку сила тяжести проходит через основание, каким бы маленьким оно ни было. Сила сопротивления опоры приложена к центру основания и по величине равно, а по знаку противоположно силе тяжести.
На этом выводе физики кончают решение задачи, ответ к которой - объект будет пребывать в равновесии.
Но не так эту задачу решают в теории управления, поскольку в теории управления решается иная задача, сам вопрос ставится по-другому: 'Устойчиво ли будет такое равновесие?'
Как только ведро отклонится, допустим, влево, тут же центр масс (точка приложения силы тяжести) переместится влево. Точка приложения силы сопротивления опоры осталась справа. Поэтому возникнет вращающий момент, который увеличит изначальное отклонение. Следовательно, малейшее отклонение от равновесного состояния вызовет силы, которые будут стремиться увеличить это отклонение. Такая система будет не устойчивой изначально.
Иными словами, система сама по себе будет склонной к переворачиванию.
Без дополнительных устройств, которые должны будут в темпе, превышающем возможные темпы развития неустойчивости, отрабатывать это отклонение, то есть создавать противодействующие этому отклонению силы, более быстрые, чем те, которые возникают естественным образом из-за особенностей точек приложения рассмотренных сил.
Совершенно аналогичная ситуация возникает, если тормозящие струи испускаются из точек, расположенных значительно ниже центра масс. Малейшее отклонение от вертикального положения вызовет появление вращающих моментов, которые это отклонение усилят.
Поэтому надо говорить не просто о том, что необходимо три или более реактивных струй, но согласованное действие этих струй - это вопрос жизни и смерти спускаемого модуля. Ведь опрокидывание означает катастрофу.
Однако в ходе дискуссии со своими оппонентами я нашел собственное возражение, которое мне кажется более сильным, ибо состоит в альтернативном решении.
Я ранее не рассматривал ситуацию, когда центр масс находится значительно ниже, чем точка истечения струи.
Если представить себе воронку с тяжелым ободом внизу, из острого конца которой внутрь строго вниз будет истекать реактивная струя, то можно утверждать, что при определенных соотношениях даже в безвоздушном пространстве такая воронка будет падать именно на тяжелый обод. Вместо воронки можно взять треножник или штатив с большим количеством опор, но трех достаточно. Если груз сосредоточен в основаниях этих опор, а струя истекает из верхушки книзу, то треножник упадет на опоры.
Ситуация аналогична ведру, надетому на шест (вверх дном).
Направить струю именно вниз и поддерживать ее в этом положении намного проще (мне так кажется), чем одновременно направлять струю вниз, и не допускать опрокидывания корабля. Здесь же за опрокидыванием корабля следить не надо, надо лишь следить за направлением струи.
Нетрудно предложить техническое решение, которое бы это обеспечило - например, гироскоп (который может задать эталон ориентации) и следящая система поворота сопла. Конечно, и в этом случае три или четыре сопла, разность тяг которых задавало бы направление суммарного вектора тяги именно вниз, может оказаться наилучшим техническим решением, но, еще раз напомню, я не касаюсь технической реализации, я рассуждаю лишь с позиции устойчивости решения задачи.
Сила тяги приложена к точке схождения ног треножника. Сила тяжести приложена к центру масс, то есть к центру треугольника, образованного концами ног треножника. Если треножник ориентирован не ножками вниз, то возникнет вращающий момент. Если же ножки ориентированы строго вниз, векторы обеих сил выстроятся в линию, а точки приложения этих сил будут находиться на противоположных концах треножника: к верхнему концу будет приложена сила тяги, к нижнему - сила тяжести. Равновесие будет устойчивым.
Конечно, это - не бог весть, какая удобная конструкция для посадки. Но, как это ни странно, всего одной струи достаточно для пассивной (как бы параметрической) стабилизации ориентации и для скорости посадки.
Можно сказать, что такой треножник или такая воронка - прообраз 'парашюта' для вакуума.
Не исключено, что нечто подобное можно использовать в случае аварийной посадки.
Возможно, такая конструкция уже известна, но мне она, во всяком случае, не встречалась.
Может быть, эти принципы даже уже заложены в какой-то конструкции, но мне об этом ничего не известно.
Итак, напомню условия - груз нужно распределить на три или более равные части, разнесенные по основаниям конструкции треножника, а сопло должно находиться в вершине и быть направлено вниз.
Быть может, такое решение не имеет никакой практической ценности. Как знать?
Данные рассуждения я привел лишь для того, чтобы показать, что каким бы обоснованным ни казалось первоначально какое-то мнение, в дальнейшем могут возникнуть дополнительные условия или соображения, опрокидывающие это мнение.
Поэтому никогда не удается четко разделить глупость от дерзости мысли.
Впрочем, я знаю нескольких людей, которые слово 'чушь' произносят порой без всякого повода. Видимо, им всегда и во всем известна истина в конечной инстанции.
Счастливчики!
А вот Сократ не мог похвастать таким свойством ума.
И я вслед за ним могу сказать: я знаю лишь то, как велико мое незнание.
Трактовка: 'я знаю лишь то, что ничего не знаю' - слишком уж пессимистична, да излишне нарочита. Ибо 'ничто' и 'всё' - почти не встречающиеся в реальности понятия.
Кто знает, что есть 'ничто'? Кто обнимет сознанием 'всё'?
Поскольку возникали вопросы - и очень умные, и не очень, я считаю необходимым дать все же некоторые разъяснения.
ЧТО Я УТВЕРЖДАЛ РАНЕЕ
Ранее я полагал и утверждал, что три струи - это минимум для мягкой посадки. Я вовсе не утверждал, что три струи - это достаточно, я говорил, что три - необходимо.
Поэтому всякие выпады вроде такого: 'Подумайте, надо не три, а четыре (пять, шесть, семнадцать!' - все это не по адресу.
Кстати, я же сам говорил, что минимум - три, а лучше (удобней) - четыре.
Стабилизировать необходимо скорость спуска и две степени свободы крена.
Парировать возможное вращение - этот вопрос не обсуждался. Этот вопрос родственен следующему: для перемещения в горизонтальной плоскости необходимо еще, как минимум, три, а лучше - четыре струи. А именно: чтобы двигаться на восток, необходимо в западном направлении испускать струю. Чтобы двигаться в 'синтетическом' направлении, например, юго-восток, надо испускать на запад и на север струи одинаковой интенсивности. Трех струй, расположенных под углом 120 градусов, по-видимому достаточно, но четыре по количеству сторон света (или по координатной сетке) - и удобней и привычней.
Мягкая посадка тоже бывает разной, например, такая, как у парашютиста, и такая, как у вертолета. Парашютист не имеет возможности сбросить скорость до нуля и тем более, включить реверс. Вертолет имеет такую возможность. Разумеется, для спускаемого аппарата с человеческим экипажем на борту желательно и предпочтительно иметь возможность сбавления скорости практически до нуля и даже реверса (если намеченное место посадки почему-либо не подходит).
Для аварийно-спасательного средства реверс и сброс скорости до нуля может и не быть достигнут, точно также, как может не быть достигнуто парирование вращения. Когда речь идет о спасении, то не до комфорта. Конечно, я не утверждаю, что это не нужно, я лишь предполагаю, что без этого тоже в некоторых случаях можно обойтись.
Кроме того, я вовсе не предлагаю исключить системы стабилизации как таковые. Я лишь рассмотрел конструкцию, при которой требования к таким системам могут быть снижены.
Поскольку спускаемый аппарат отправляется, например, с орбитальной станции, то правильный начальный наклон ему может быть навязан. Если система стабилизации работает безупречно, то большого отклонения не будет. Следовательно, вовсе не обязательно рассматривать все возможные начальные условия, и требовать, чтобы изо всех возможных положений посадка была успешной. Парашютист тоже не из каждого положения совершит успешную посадку, и вертолет также, и самолет (в традиционном понимании, и не какой-нибудь универсальный) может оказаться в таком положении, из которого уже не сможет вывернуться. Это не означает, что конструкция не пригодна. Это лишь означает, что такие положения не должны возникать, или для выхода из них должны быть созданы дополнительные системы.
Я же рассматривал лишь вопрос принципиальной возможности.
Сомневаясь в истинности американских лунных экспедиций (поскольку я полагался лишь на информацию, полученную по ТВ и из некоторых книг, как оказалось, не полную и не вполне достоверную), я, прежде всего, утверждал, что система управления реактивными двигателями, порождающими эти струи, чрезвычайно сложна, а от ее работоспособности в большой степени зависит успех. Позднее я уточнил, что двигатель может быть одним, но струй должно быть не менее трех, при чем необходимы быстрые системы управления скоростью потока каждой струи. В принципе не вижу причин отказываться от этого утверждения и сейчас, но оно, безусловно, должно быть смягчено, поскольку в силу выбранной конструкции сложность управления может быть сведена к минимуму.
При традиционном расположении сопла в основании аппарата я видел определенную сложность для техники 1969 года и указал, что сейчас такая задача могла бы быть решена микропроцессорным контроллером.
Сложность я усматривал в расчете и реализации всего алгоритма. Иными словами, я не представлял себе простого решения для автопилота. Совершенно не важно, что по версии американцев автопилота не было, а был натренированный экипаж - это уже другая сторона вопроса.
На этом тезисе - а именно: необходимо не менее трех струй и система многосвязного управления, тогда это было существенно сложней, чем сейчас - на этом тезисе меня никто не опроверг, кроме меня самого.
Вот о чем речь в данной заметке.
В чем сложность управления тремя струями?
Сумма их действий должна компенсировать силу тяжести, а различные разности их тяг должны компенсировать изменения наклона (если конструкция не такова, что центр масс находится ниже точки приложения реактивной тяги).
То есть, например, если вы хотите только изменить наклон, не меняя скорость спуска, вы должны, тем не менее, изменять силу тяги всех указанных струй.
Поскольку по мере выгорания топлива вес аппарата меняется, то уже по этой причине параметры системы управления - не стационарные. Конечно, и в самолете по мере посадки выгорает топливо. И в вертолете тоже. Но что есть, то есть. Я не утверждал, что автопилот для мягкой посадки в вакууме невозможно сделать, я лишь указывал на некоторые трудности, которые ранее имели большее значение, нежели сейчас.
Рассмотренная ситуация аналогична с 'пожарным ведром', надетым на шест. Это - равновесие устойчивое.
Возьмем для примера канатоходца. Он не падает, но для этого ему непрерывно нужно поддерживать равновесие, перемещаться так, чтобы центр тяжести постоянно находился строго над канатом. Статически этого не сможет сделать ни один канатоходец, лишенный палки-противовеса.
Если канатоходец расслабится, он упадёт.
У канатоходца проблемой является всего лишь одна степень свободы: вправо-влево. Для того чтобы аналогия была полнее, надо привести пример его же, стоящего на острие шпиля, и сохраняющего при этом равновесие. Может сделать такое человек? Видимо, может. Может сделать такое автомат? Не исключено, что может, но понятно, что этот автомат достаточно сложен, для его создания нужен определенный уровень развития техники. Не более того. И стоит только этой системе дать сбой - катастрофа неизбежна.
А теперь возьмем того же канатоходца, который висит на канате, зацепившись крючком. Нужно ли ему поддерживать равновесие? Разумеется, нет. Если он висит не на канате, а на спущенной с купола веревке, то и в этом случае он будет сколь угодно долго висеть строго вертикально, если попросту расслабится.
Причина легкости достижения равновесия состоит в том, что точка приложения силы тяжести в этом случае лежит ниже, чем точка приложения силы сопротивления опоры (или натяжения троса). Причина трудности достижения равновесия для гимнаста на острие шпиля и для канатоходца - в том, что точка приложения силы тяжести лежит выше, чем точка приложения сопротивления опоры. Хотя в статике и в том и другом случае имеет место равенство сил.
В этом смысле различают 'устойчивое' и 'неустойчивое' равновесие.
Ситуация с посадочным модулем несколько более сложна.
Для того, чтобы осуществлялась автоматическая стабилизация положения необходимо, чтобы сила тяги была направлена строго вверх (а сила притяжения и без того направлена строго вниз).
Чтобы направить струю строго вниз, нет необходимости в создании сложной системы стабилизации. Ведь известны такие устройства, например, как гироскопы. Кроме того, возможно, что начальную ориентацию можно в некоторых случаях задать в момент начала посадки с помощью орбитальной станции. Этот вопрос я не хочу обсуждать, ибо я не веду речь о том, 'как надо' или 'как не надо', а лишь о том, 'что теоретически не исключено хотя бы в общих чертах'.
А не исключено следующее.
1. Конструкция посадочного модуля имеет те особенности, о которых я говорил выше, то есть воронка или треножник с тяжелым основанием.
3. Направление истечения газов реактивной струи задано с помощью гироскопа - строго вниз.
4. Точка выхода реактивной струи в пространство находится в вершине треножника (или в вершине воронки).
5. Направление сопла задается строго вниз с помощью обратной связи, привязанной, например, к гироскопу (или с помощью иной системы ориентации в пространстве, включая радиолокационные и оптические методы).
При этом остается только одно реактивное сопло, скорость спуска будет регулироваться с помощью скорости подачи топлива. Вертикальная скорость спускаемого модуля будет определяться разностью двух встречно направленных сил. Ориентация стабилизируется пассивной обратной связью, но при этом может дополнительно стабилизироваться системой автоматической стабилизации, к которой снижаются требования по сравнению с ситуацией, когда центр масс находится выше точки приложения реактивной тяги.
Кроме того, могут применяться дополнительные не реактивные движители - скажем, для дополнительной стабилизации наклона может использоваться некоторое изменение наклона отражателей газов на ножках треножника (или изменение пазух в воронке). Для парирования вращения может использоваться обратное вращение, например, контейнера с грузом внутри посадочного модуля, или какого-то маховика - вопрос в том, какую величину вращающего момента надо парировать, он может быть довольно незначительным. Кроме того, для этой цели также могут служить лопасти, расположенные в струе.
Я предвижу возражения, что лопасти могут обгореть, и что применение дополнительных лопастей ничуть не лучше, чем применение дополнительных струй. Точно также можно сказать, что применение маховика - гораздо более неудобный способ, нежели применение реактивных струй, предназначенных для парирования вращения.
С этими возражениями я и не спорю.
Разумеется, все, что можно сделать проще, следует сделать проще.
Как я уже говорил, мои рассуждения, возможно, не имеют никакого практического значения.
Я их привел лишь для иллюстрации следующего тезиса: не всё, что я утверждал когда-то, я считаю необходимым утверждать и сейчас. Человек имеет право на размышления, а размышления должны быть направлены не столько на подтверждение собственной правоты, сколько на отыскание истины.
Истиной же оказалось, что система управления спускаемым аппаратом может быть проще, чем мне казалось за счет того, что отдельные параметры движения стабилизируются не только (и не столько) за счет адаптивной трехконтурной системы стабилизации (или даже системы с большим количеством взаимосвязанных контуров). Эти параметры могут стабилизироваться за счет иного конструкторского решения, которое больше соответствует данной задаче, нежели то, которое первым приходит в голову.
И, наконец, следующее.
Разумеется, я понимаю, что тремя струями можно создать суммарный эффект такой, что он эквивалентен рассмотренному выше случаю. Если три струи исходят из сопел, находящихся по краям спускаемого аппарата, или вынесены за его пределы так, что линии испускаемых струй сходятся в точке, расположенной много выше центра масс, то ситуация будет полностью аналогичной рассмотренному выше решению. То есть спускаемый аппарат может иметь, например, тарелкообразную форму, снабженную соплами по бокам, которые направлены не строго вниз, а с некоторым расхождением.
По-видимому, приблизительно такое решение и применяется.
Быть может, я пришел к банальному решению, но для себя лично я его увидел в результате по-новому.
![[]](/img/z/zhmudx_w_a/istina-2/g4.jpg)
![[]](/img/z/zhmudx_w_a/istina-2/g5.jpg)
![[]](/img/z/zhmudx_w_a/istina-2/g3.jpg)