坎巴拉太空计划新手教程(3)

往期:

坎巴拉太空计划新手教程(1)

坎巴拉太空计划新手教程(2)


VAB系列第三部:精确轨道机动

在上一节教程中,我们已经初步尝试了使用机动节点进行轨道规划。

我们的通讯卫星在轨已经有一段时间了。为了让它的一生不要庸庸碌碌地结束在坎星低轨上,也为了让尚未燃尽的二级引擎超额完成任务,我们将让它飞向月球。

任务目标:进入月球赤道低轨(10000m到25000m)。

在进行接下来的任务前,请左击再右击前一期教程中入轨机动的机动节点,并将其删除。

首先,我们将进行圆化轨道。虽然这看起来和去月球没有太大的关系,但是它能够让我们对变轨知识有初步的了解。

现在作者的通讯卫星正在一个84000m(近地点)到96000米(远地点)的椭圆轨道上。这是入轨时不够精准的结果。我们将先设法让其进入一个84000m的圆轨上。

高中物理必修二告诉我们,在近地点减速会降低远地点的高度。但是减速后近地点高度和位置保持不变。(实际过程中因为减速需要时间所以会有变化)

调整轨道的原理

(有关利用向心力和重力的关系证明该结论,请移步各类高考辅导教材)

因此,为了获得一个离地84000m高的圆形轨道,我们只需要在近地点将远地点降至相同的高度即可。切换到星系图,在近地点创建机动节点。

拖动“逆速度方向”标志(黄色,中间有叉)使得远地点降低。(右击远地点和近地点可以让它们的高度一直显示)。如果觉得调整幅度太大,最后可以使用鼠标滚轮进行微调(将鼠标放在标志上滚动滚轮)。

飞到近地点还有一段时间。坎星低轨绕行一圈大约需要半个小时,但是使用,和。键可以进行时间加速。真空中坎星12000米以下最大可加速50倍,但不要错过机动节点。(点击机动节点也有自动加速至节点的选项)时间加速时不能开启火箭,且正在转动的火箭也会瞬间停滞(一个发射大型火箭时非常方便的Bug/Feature)

与入轨机动一样,把SAS调整为“机动节点”方向。这一次的速度增量很小,只需要提前一秒使用Shift和Ctrl微调节流阀就可以完成了。

相关知识还可以搜索“霍曼转移”有关内容。


大机动

常言道不到Mun非好汉(新玩家是不是看不到这句话了)。Mun是坎星最大的卫星。它的轨道刚好就在坎星赤道上方。在星系图中,滚动滚轮至地月系,然后单击Mun并将其设置为目标。

设置Mun为目标

被月球引力圈捕获的基本原理是这样的:

飞向Mun的基本原理
  1. (棕色):卫星在坎星低轨道上。
  2. (红色):卫星在合适的位置进行加速
  3. (蓝色):卫星进入了椭圆形转移轨道,在途中进入Mun引力圈(SOI),被Mun捕获(KSP只考虑了二体问题)。
  4. (紫色):卫星进入了Mun的双曲线逃逸轨道。如果不减速,它将会离开Mun引力圈。
  5. (未标明):卫星在双曲线轨道顶点(近Mun点)减速,进入Mun圆形低轨。


讲完了原理,下面就要进行实际操作了。请按下F5存档。


第一步:调整轨道倾角

星系图中已经显示出了当前轨道与Mun轨道的角度差。由于发射过程中的各种因素的影响,我们的当前轨道可能会和真正的坎星赤道轨道相差0.1到2度。夸张地画出来,我们现在的卫星轨道截面是这样的:


夸张的轨道截面图

我们在当前轨道直接加速的话,最后只能进入一个倾斜的Mun轨道,也很难精确进入低轨道,更不利于我们后期开展月球基地任务(因为定点着陆窗口期很小)。不调整轨道倾角的后果:

不调整倾角,进入了一个大倾斜轨道

所以,我们要调整我们的轨道平面和Mun轨道平面重合,而这只能在升交点或者降交点完成。具体原理如下(以降交点为例):

矢量合成:高中物理必修一

最终的合速度在Mun轨道平面内,也就达到了我们的目的。

于是我们在升交点或降交点创建机动节点。拖动紫色的标志使得角度变为零度即可。(升交点和降交点在轨道上快速滑动)随后进行机动。


进行机动

第二步:选择合适的相位,规划转移轨道

如先前的轨道原理图所示,从机动节点飞到Mun引力圈是需要时间的,这期间Mun在轨道上已经移动了一段距离。在游戏中选择合适的机动点还是比较靠经验的。不过后续的行星间任务我们可以使用KSP轨道计算器这款App帮助查看相位。

我们大概在Mun后100°~120°左右新建机动节点。拖动黄色速度方向标志,直到被Mun捕获。

作者灵魂画图
游戏实际呈现

橙色的是变轨后的转移轨道;紫色是被Mun捕获后的轨道;绿色是从Mun逃逸后的轨道。

从这个视角我们只能大概知道卫星被捕获了,对其捕获后的轨道的了解很有限。所以,单击Mun,选择“聚焦视角”。

Mun. SetFocus();
设置焦点完毕

这样我们就能够以Mun为焦点查看轨道了。作者这里只是暂时拉出了一个Mun高飞掠轨道。继续前后拖动黄色标志,可以观察到,紫色轨道将会变为Mun后方轨道=>Mun撞击轨道=>Mun前方轨道。 (这里的前后方指的是轨道顶点相对Mun运行方向的位置)在今天的任务中,我们选择前后方轨道都可以(就是不能一头栽在Mun上)。

如果发现无法将轨道拖动至前方,则适当缩小相位角,反之相反。如果发现转移轨道顶端超出了Mun轨道高度才能被捕获,则适当增加相位角。

调整飞掠高度

这样就拉出了一个Mun低飞掠轨道。但是一百公里的轨道高度仍然无法令人满意。我们在黄色标志上使用滚轮来使其微调至十公里高度。

这样就令人十分满意了。由于在十公里以下时,时间加速会受到一定限制,而且可能会撞击Mun地表凸起,所以十公里多的轨道是很棒的选择。

继续拉低

第三步:大机动,合理加速

本次机动需要800+的dv(本系列文以后将会使用dv代指速度增量),因此掌握预计加速时间对精准度十分重要。理论上,节点前后各分配一半的加速时间才能使得变轨精准,但是实际操作中,由于火箭质量随着燃料的喷射减少,而引擎推力不变,根据F=ma,得出加速度会增加。这也就意味着,按照瞬时加速度计算的预计加速时间会越来越短,而先前分配的一半时间实际上完成了多于一半的加速任务。所以在一分钟以上的长变轨中,为了避免过于复杂的计算,比冲两三百的常规液体引擎通常会按照变轨前预计加速时间×40%~45%得出开动引擎的时间。比如,预计需要2分30秒的变轨时间,则150×40%~45%得出在节点前60~67秒开动火箭,总加速时间为2分钟左右。
现在作者的屏幕上给出了48秒的预计加速时间,但这个数据并不总是可信的,需要进行试喷。

按照现有的预计加速时间,作者决定在节点前22秒试喷。若无问题,则继续开动火箭。

在操作前不要忘记按下F5。试喷很简单:按下Z,等待半秒(节流阀到达顶端),按下X。这样可以获取最符合当前火箭质量和推力的预计加速时间。作者在这里没有遇到问题,于是直接开动喷完了dv。

实际情况可能并不理想,但是我们会在接下来再做一次机动调整轨道。


第四步:小机动,精确轨道

虽然我们已经尽量使得轨道精确,但是800+dv的机动还是很容易带来大误差。假如你的卫星此刻甚至没有被Mun捕获,那么还是建议长按F9重新来过(别说你没快速保存)。假如你的卫星打入了Mun高轨,那么建议你在转移轨道的前一半旅途中再做一次机动,拖动黄色速度标志(首选)和蓝色偏移标志(通常不用)来调整轨道。假如你和作者一样,轨道已经比较低,甚至打出了撞击轨道,都没有问题,可以在被Mun捕获后再机动。虽然提前机动需要的dv比较少,但是精确度却大打折扣,0.1m/s就能产生质的变化。

在进入Mun引力圈后机动

这里,作者选择在被Mun捕获后做一次小机动,抬高近地点到十公里。请务必分清楚这条黄色双曲线的“捕获”和“逃逸”端!假如不慎弄反,把机动节点设置在了另一端,又忘记了保存,那就真是欲哭无泪了。所以,如果对当前的飞行进程满意,还是按下F5快速保存吧!如果不敢覆盖快速存档,也可以按Esc然后正式地存盘。

按下F5之后,下面就是一段愉快的时间加速之旅。随着我们逐渐远离坎星,时间加速被允许到了1000倍、10000倍、100000倍。在被Mun捕获时,时间加速会自动回归到50倍。很多玩家会以为已经回到了正常一倍速度,但是火箭动弹不得(因为在时间加速中)惊呼游戏出了Bug。然而其实并没有。

快到了

Mun正在向我们招手,然而不要错过机动节点的时间。


第五步:一脚刹车入轨

最后一步就十分简单啦,在近点减速圆轨即可。

入轨

但是这看似简单的任务背后却暗藏着对新玩家的杀机。一定要在卫星绕到Mun背面之前规划好节点。一旦卫星在背面丢失了与坎星的通讯信号,便无法编辑节点。其操作仅限如下:Z和X开关节流阀,转到SAS的预设的方向和开关其上各类设备。这是由于游戏逻辑上来说:坎巴拉太空中心的控制站规划节点,然后将数据传送到卫星,并精确调整其姿态。卫星本身在丢失信号时只能将自身调整到预设姿态,并开关节流阀完成变轨。在丢失信号时甚至连删除节点都无法操作。若是真丢失了信号却没有节点,就只能转到逆速度方向并开动火箭,使得轨道封闭,在第二圈再来一遍啦。

高轨通讯卫星转发信号
高轨通讯卫星转发信号

当玩家在高轨部署了一定数量的中继卫星后,这些问题就解决啦。

任务暂时成功

先让这颗卫星在Mun飘一会儿。我们会在稍后的登月任务中回到这颗卫星。

按下F5快速存档。

总结

  1. 在近地点进行机动,影响的是远地点,反之亦然。
  2. 精确机动步骤:调整轨道倾角,大机动进入转移轨道(在行星际任务中可先大机动再调整倾角),再小机动精确轨道,最后减速进入目标轨道。
  3. 在通信条件良好时完成编辑节点。


FAQ

问:为什么文章很多时间都在提及近地点、远地点的机动?

答:对于近圆形轨道,近地点、远地点和轨道上其他位置对于变轨效率自然是没有什么影响。但是,在其他情况中,在近地点或远地点变轨往往能获得最直观、有效的轨道变化效果。


问:为什么很少使用蓝色的变轨标志?

答:直接在重力方向(蓝色)调整轨道偏移量,从而调整轨道高度的效率比调整速度来达到相同目的的效率要低。紫色法线方向是唯一能够调整倾角的方向,所以蓝色在除了着陆或者紧急抬高轨道之外的情形不常使用。


问:KSP中黄、紫、蓝这些方向究竟是如何定义的?

答:首先,黄、紫、蓝只在星系图中和导航球上出现。它们都指示方向,不能指示速度大小。

在星系图中,黄色是指相对环绕星体的线速度方向(空心,即加速)和逆线速度方向(空心带叉,即减速)。蓝色是重力方向(圈内四杠,即向内偏移)和逆重力方向(圈外四杠,即向外偏移)。而紫色代表的法线方向和逆法线方向是指垂直于速度方向和重力方向所在共同平面(轨道平面)的方向。法线和逆法线究竟谁是谁的定义比较复杂,这里不再赘述,实际使用时看方向就好。

然而在导航球上,除了可以查看相对星体的“轨道速度“之外,点击绿色的速度显示还可以查看相对地面的”地面速度“和相对目标飞行器的”目标速度“。三者的蓝色标志都指的是重力方向(后两者的蓝色标志会在导航球上消失,但是SAS还是可以转到相应方向。),但是黄和紫各有不同。甚至,假如航天器控制权由一个部件切换到了另一个安装时与该部件方向不同的部件,那么三种颜色方向也是不同的。我们将以后再深入提及。


问:KSP的上下是如何定义的?

答:细心的玩家可能观察到,在由开放轨道变为封闭轨道,或者相反的过程中,视角会有一个九十度翻转的过程。

在开放轨道(飞掠、地表飞行、火箭上升)中,上下是指重力方向。这与我们平时在地表生活的感觉相同。

在封闭轨道中,由于Kerbol系和太阳系一样都是扁平的,因此将其横置显然更合理,因而Kerbin的南极变成了下,北极变成了上。


下集预告:惊天大案撼动Kerbol系。小绿人惨死无垠太空,正义迟迟无法伸张。茫茫星辰,是谁将黑手伸向了小绿人?敬请收看下集:坎巴拉宰人计划。


系列预告:

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编辑于 2017-11-15