Выведение на орбиту. На какой высоте летают спутники, расчет орбиты, скорость и направление движения. Низкая околоземная орбита
Для выведения КА на орбиту ракета-носитель должна сообщить ему вполне определенную скорость, как по величине, так и по направлению при заданных координатах конца полета. Это обеспечивается программой выведения, полет по которой происходит при воздействии на РН органов управления. Путь, проходимый ракетой-носителем при выведении космического аппарата на орбиту, называют траекторией полета (рис. 3.14) и характеризуют активным и пассивным участками. Активный участок полета – это полет ступеней ракеты-носителя с работающим двигателем, пассивный участок – полет отработавших ракетных блоков после их отделения от ракеты-носителя. Возможен также полет ракеты-носителя в так называемом импульсном режиме, т. е. с перерывами в работе двигателей.
Рис. 3.14. Траектория ракеты-носителя:
1 - Земля; 2 - вертикальный участок полета; 3 - активный участок полета I ступени;
4 - активный участок полета II ступени; 5 - активный участок полета III ступени;
6 - орбита КА; 7 - пассивный участок полета ракетного блока II ступени;
8- пассивный участок полета ракетного блока I ступени; 9 - местный горизонт;
10 - направление радиуса Земли
Ракета-носитель, стартуя вертикально, выходит затем на криволинейный участок траектории полета, обеспечивающий постепенное уменьшение угла наклона ее оси по отношению к местному горизонту. Для уменьшения потерь скорости ракеты-носителя от аэродинамического сопротивления желательно как можно более быстрое прохождение ею плотных слоев атмосферы и приближение ее траектории полета к горизонтальной только после выхода из этих слоев. В плотных слоях атмосферы РН, как правило, движется по траектории, близкой к траектории с нулевой подъемной силой, что обеспечивает снижение нагрузок, вызываемых аэродинамическими силами при больших углах атаки, на ее корпус.
Одним из основных вопросов, связанных с траекторией полета, является вопрос ее оптимизации, т. е. определения такой траектории, при движении по которой критерий оптимальности (высота орбиты, величина полезного груза и т. д.) достигает своего максимального (минимального) значения. В этом случае обычно решают две задачи: первую - определение оптимальной траектории полета ракеты-носителя при известных ее параметрах и вторую - определение параметров РН при известных требованиях к траектории ее полета, т. е. задачу оптимального конструирования.
Как правило, ракеты-носители сообщают космическому аппарату только первую космическую скорость и выводят его или на круговую, или на эллиптическую орбиту. Достижение второй и третьей космических скоростей более выгодно за счет энергетики самого КА, стартующего в этом случае с опорной орбиты ИСЗ.
Параметры определяющие конечную скорость ракеты-носителя. В общем случае движение ракеты-носителя характеризуется достаточно сложной системой уравнений (Аппазов Р. Ф., Лавров С, С., Мишин В. П. Баллистика управляемых ракет дальнего действия. М., Наука, 1966,), одно из которых, учитывающее лишь основные силы, действующие на ракету-носитель в полете, можно записать в виде
, (3.1)
где V - скорость ракеты-носителя;
τ - время полета;
Р - тяга двигателя;
X - сила аэродинамического сопротивления;
m - текущая масса РН (масса в данный момент времени);
g - ускорение силы земного тяготения;
θ - угол наклона касательной к траектории полета относительно горизонта.
Для выявления параметров, определяющих конечную скорость РН, воспользуемся преобразованиями уравнения (3.1), в соответствии с которыми конечная скорость ракеты-носителя
где 
; (3.3)
; (3.4)
– относительная масса РН – безразмерный коэффициент, характеризующий ее текущую массу; m 0 и т –стартовая и текущая массы ракеты-носителя соответственно; – нагрузка на мидель – стартовый вес, приходящийся на единицу площади максимального поперечного сечения РН; S м – площадь миделя; и – удельный импульс ракетного двигателя на уровне море и в пустоте соответственно; – безразмерный коэффициент, характеризующий тяговооруженность РН; P 0 – стартовая (на уровне моря) тяга РН; – скорость напор; V – текущая скорость РН; р 0 – давление атмосферы на уровне моря; ρ и р – текущие плотность и давление атмосферы в точке нахождения РН в данный момент времени; С Х – безразмерный коэффициент силы аэродинамического сопротивления.
Из уравнений (3.2) – (3.5) следует, что конечная скорость ракеты-носителя определяется конструктивно-энергетическими параметрами: относительной конечной массой μ к, удельным импульсом двигателя и , тяговооруженностью РН, характеризуемой величиной ν 0 , аэродинамической компоновкой, характеризуемой значениями Р м и С Х, и параметрами траектории (программой изменения угла θ , изменением скоростного напора q и давления окружающей среды р по времени полета). Относительная конечная масса РН
, (3.6)
где m пг – масса полезного груза; m кон – масса элементов конструкции корпуса РН и ее систем; m то – масса остатков топлива; m гн – масса газов наддува; m 0 – стартовая масса РН.
Величина μ к определяется совершенством конструкции корпуса, агрегатов и систем ракеты-носителя, а также совершенством двигателя и топливной системы, которые определяют величину остатков топлива и конечную массу газов наддува топливных баков. Совершенство конструкции корпуса, агрегатов и систем зависит от искусства конструктора, принятой компоновочной схемы, развития материаловедения и уровня нагрузок, определяемых, степенью оптимизации траектории полета.
Чем меньше величина μ к тем большую скорость развивает РН в конце своего полета.
Удельный импульс двигателя зависит от типа двигательной установки (РДТТ, ЖРД, ЯРД), компонентов топлива (рабочего тела) и уровня развития двигателестроения. Последний характеризуется совершенством конструкции двигателя (наличием или отсутствием непроизводительных потерь компонентов топлива), совершенством процессов сгорания топлива и степенью расширения продуктов сгорания. Чем выше удельный импульс двигателя , тем дольше конечная скорость ракеты-носителя.
Тяговооруженность РН – имеет двойственное влияние на величину конечной скорости. Ее возрастание приводит к уменьшению времени полета и увеличению скорости прохождения плотных слоев атмосферы (увеличению скоростных напоров), уменьшению затрат, энергии на преодоление силы земного тяготения и увеличению их на преодоление сил аэродинамического сопротивления. Одновременно возрастают нагрузки, действующие на корпус РН, что обусловливает увеличение ее конечной массы. Сложный характер влияния тяговооруженности ракеты-носителя на величину ее конечной скорости при конкретном проектировании приводит к необходимости совместной оптимизации параметров РН и траектории ее полета.
Влияние аэродинамической компоновки ракеты-носителя на ее конечную скорость определяется нагрузкой на мидель Р м и коэффициентом силы аэродинамического сопротивления С Х, при этом коэффициент С Х является прямым показателем совершенства аэродинамической компоновки, а Р м – косвенным, хотя и более наглядным. Совершенство аэродинамической компоновки простых компоновочных схем (моноблочные, без большого количества элементов, выступающих над обводами корпуса, с ограниченным количеством двигателей и т. п.) достаточно хорошо характеризуется величиной Р м, а аэродинамическое совершенство более сложных компоновочных схем – коэффициентом С Х. Аэродинамическое совершенство может характеризоваться безразмерным коэффициентом
где – относительная масса полезного груза при произвольной нагрузке на мидель;
μ пг 10 000 – относительная масса полезного груза при Р м =10 000 кгс/м.
Схемы выведения на орбиту космического аппарата.
Скорость, необходимая для выведения КА на круговую орбиту в центральном поле тяготения Земли, определяется по формуле:
где g = 9,81 м/с2 − ускорение свободного падения; R = 6 371 км − средний радиус Земли; Н − высота орбиты КА над поверхностью Земли.
Значение этой скорости при H=0 называют первой космической скоростью (~ 7 900 м/с). Для низкой круговой орбите H=200 км (базовая орбита) скорость движения КА равна 7 791 м/с, для геостационарной орбиты H=35 809 км – 3 076 м/с.
Для эллиптических орбит конечные скорости V э = 7 900…11 200 м/с. Полет КА по параболе с энергетической точки зрения характеризуется так называемой второй космической скоростью, равной V п ≈ 11 200 м/с, которая позволяет преодолеть земное притяжение. Движение по параболе относительно Земли возможно только в случае отсутствия других сил воздействия, кроме силы земного тяготения.
Гиперболические орбиты характеризуются скоростями V г > 11 200 м/с, куда входит и третья космическая скорость (V г ≈ 16 700 м/с) – наименьшая начальная скорость, при которой КА может преодолеть не только земное, но и солнечное притяжение и покинуть Солнечную систему.
Следует учитывать, что за счет вращения Земли РН с КА приобретает некоторую начальную скорость, которая при запуске в восточном направлении составляет: на экваторе – 465 м/с, а на широте российского космодрома Плесецк – 210 м/с.
На практике реализуются различные методы выведения КА на орбиту, каждый из которых влияет на многие параметры, такие как требуемая энергия, программа изменения тяги, параметры ступеней РН, продолжительность выведения, условия видимости участков выведения с определенных пунктов и другие. Однако главным требованием, определяющим выбор типа выведения, остается требование минимизации энергии. Различают три основных типа вывода:
− полностью активный вывод (прямое выведение);
− баллистический вывод;
− эллиптический вывод (с участком движения по перигейной круговой орбите радиуса, равного перигейному расстоянию переходной орбиты или без него).
При прямом выведении имеется лишь один активный участок, параметры движения в конце которого должны совпадать с требуемыми орбитальными параметрами движения КА. Этот тип вывода по сравнению с двумя последующими типами вывода является менее экономичным поскольку с увеличением продолжительности активного участка возрастает расход энергии на преодоление гравитационных сил. По этому методу целесообразно осуществлять выведение КА только на низкие (до 400 км) орбиты. При этом важное значение приобретают вопросы выбора оптимальной программы движения РН, обеспечивающей минимум расхода энергии.
При баллистическом выводе реализуются траектории, подобные траекториям МБР, которые представляют собой дуги эллиптических траекторий в центральном поле тяготения. При этом вершина эллиптической траектории должна касаться орбиты, на которую выводится КА. В вершине траектории КА сообщается дополнительный импульс до требуемой орбитальной скорости (второй активный участок). Данный метод по сравнению с другими обладает следующими свойствами: меньше время полета, прямая видимость во время выведения, более благоприятные условия для спасения отдельных ступеней РН. Граница высот, для которых баллистический тип вывода оказывается более приемлемым с точки зрения расхода энергии составляет около 1 000 км.
При эллиптическом выводе КА вначале выводится на круговую орбиту малой высоты (180…200 км), на которой (сразу или спустя некоторое время) он разгоняется до перигейной скорости переходного эллипса (траектории Гомана), в апогее которого, касающегося заданной орбиты, КА разгоняется до требуемой орбитальной скорости.
Широкое применение в космонавтике находит геостационарная орбита (ГСО), расположенная в плоскости экватора с высотой над поверхностью земли 35 809 км. Наклонение и эксцетриситет этой орбиты равны нулю, движение происходит в восточном направлении с периодом равным суточному вращению Земли (23 ч 56 мин 4 сек).
Наиболее выгодным с энергетической точки зрения является выведение КА на ГСО со стартовых площадок, расположенных на экваторе. Запуск КА на геостационарную орбиту с космодромов России является более сложным, так как требует дополнительного изменения плоскости орбиты КА. Этот энергоемкий маневр осуществляется, как правило, с помощью специальных многократно включаемых ступеней РН – разгонных блоков (РБ). При этом используются способы выведения, включающие в себя пассивные участки и опорные орбиты. Практическое применение в настоящее время для выведения КА на ГСО нашли двух- и трехимпульсные схемы выведения, а также использование для поворота плоскости орбиты гравитационного поля Луны. Разгонные блоки используются также для выведения КА на межпланетные траектории.
При выводе спутника на орбиту ракета-носитель обычно сообщает ему начальную скорость после пересечения плотных слоев атмосферы, на высоте, не меньшей 140 км. В момент, когда достигнута необходимая орбитальная скорость, двигатель последней ступени ракеты-носителя выключается. Далее от этой ступени могут отделяться один или несколько искусственных спутников, предназначенных для разных целей. В момент отделения спутник получает небольшую дополнительную скорость. Поэтому начальные орбиты спутника и последней ступени ракеты-носителя всегда несколько отличаются между собой.
Помимо одного или нескольких спутников с той или иной аппаратурой и последней ступени ракеты-носителя обычно на близкие орбиты выводятся и некоторые детали, например, части носового обтекателя, защищающего спутник при прохождении плотных слоев атмосферы, и т. п.
В принципе начальной точкой движения спутника может быть любая точка его орбиты, но характеристическая скорость РН будет минимальной, если активный участок кончается вблизи перигея. В случае, когда перигей находится вблизи плотных слоев атмосферы, особенно важно, чтобы приобретенная спутником при разгоне скорость не была меньше заданной величины и чтобы ее направление минимально отклонялось от горизонтального (рис. 3.15, а, б). В противном случае спутник войдет в плотные слои атмосферы, не завершив и одного оборота.
Если запланированная орбита расположена достаточно высоко, то небольшие ошибки не грозят гибелью спутнику, но из-за них полученная орбита, даже если не пересечет плотные слои атмосферы, может оказаться непригодной для намеченных научных целей. Участок выведения на орбиту обычно включает в себя один или больше пассивных интервалов. При высоком перигее орбиты, на которую выводится спутник, пассивный участок выведения может иметь более 10 000 км в длину. Траектория выведения, представляющая собой, вообще говоря, пространственную
кривую, расположена вблизи плоскости орбиты спутника. Если запуск производится точно в восточном направлении, то наклонение плоскости орбиты равно широте места запуска. При этом плоскость орбиты касается параллели. Во всех остальных случаях наклонение орбиты может быть только больше широты космодрома (в частности, при запуске в западном направлении, когда плоскость орбиты также касается параллели космодрома, наклонение должно быть больше 90°). Меньше широты места запуска наклонение орбиты может быть только в том случае, если предусмотрен маневр изменения плоскости орбиты уже после вывода на нее.
Способы выведения спутника на орбиту показаны на рис. 3.16.
На активном участке от ракеты-носителя может отделиться спутник еще до выключения последней ступени. После выключения может отделиться второй спутник. Очевидно, орбиты двух спутников будут различны, но их перигейные высоты будут отличаться мало, так как за время дополнительного разгона последняя ступень не могла подняться слишком высоко. Апогеи же могут находиться различных высотах, ибо даже небольшое увеличение начальной скорости резко поднимает апогей.
Отделение двух спутников на активном участке полета последней ступени было впервые произведено 30 января 1964 г. При этом советский спутник «Электрон-1» был выведен на орбиту с высотой перигея 406 км и высотой апогея 7 145 км, а спутник «Электрон-2» - с высотами соответственно 457 км и 68 000 км. Выбор орбит определялся целями запуска - изучением внутренней и внешней части пояса радиации.
В случаях, когда намеченная орбита спутника круговая на большой высоте, или эллиптическая с высоким перигеем, или эллиптическая с низким перигеем, но с апогеем, расположенным в определенной области пространства, может оказаться необходимым предварительный вывод спутника на низкую промежуточную орбиту. При этом требуются дополнительные импульсы, сообщаемые верхней ступенью ракеты или бортовым двигателем спутника.
Предположим, что имея космодром в точке А (рис. 3.17), мы желаем вывести спутник на эллиптическую орбиту с апогеем, расположенным над точкой А. Разогнав спутник до круговой скорости в точке В, мы выведем его на низкую промежуточную орбиту 1. Если теперь сообщить спутнику в точке С приращение скорости, включив двигатель новой ступени или повторно включив предыдущую ступень, то спутник перейдет на эллиптическую орбиту с апогеем), расположенным над А. Подобный прием используется при запусках советских спутников связи типа «Молния», апогей которых должны располагаться на высоте приблизительно 40000 км непременно над северным полушарием (но, конечно, не обязательно над космодромом). Трудность такого запуска в том, что точка С находится вне зоны радиовидимости радиолокационных станций слежения.
Если в апогее эллиптической орбиты сообщить еще одно приращение скорости, то можно перевести спутник на новую орбиту. В частности, если довести скорость в точке D до местной круговой, то спутник перейдет на круговую орбиту 3. Если точка D находится на высоте 35 800 км, то мы получим суточный спутник с орбитальной скоростью 3,08 км/сек, а если вдобавок космодром и а орбита находятся в плоскости экватора, то стационарный. Если же точка А не находится на экваторе, то понадобится в момент пересечения экваториальной плоскости еще одним импульсом исправить положение плоскости орбиты. Положение точки С на промежуточной орбите 1 выбирается с таким расчетом, чтобы стационарный спутник находился над заданной точкой экватора. Обычно вследствие погрешностей в периоде обращения спутника это удается не сразу. Спутник начинает медленно «дрейфовать» на восток или на запад, и необходимы дополнительные коррекции орбиты, чтобы остановить его над заданной точкой, а впоследствии и компенсировать неизбежные возмущения. Наконец, в апогее промежуточной орбиты 2 (не обязательно на высоте 35 800 км) можно превысить с помощью бортового двигателя местную круговую скорость, и тогда точка D станет перигеем новой эллиптической орбиты 4. Таким путем выводятся спутники на эллиптические орбиты с высокими перигеями. В качестве примера можно указать американский спутник связи «Реле-2», запущенный 21 января 1964 г. на орбиту с перигеем на высоте 2 091 км и апогеем на высоте 7 411 км.
Любопытно, что, используя две промежуточные орбиты 1 и 2 (рис. 3.17), можно с помощью одной ракеты-носителя вывести два спутника на одну и ту же круговую орбиту (или почти одну и ту же) так, чтобы они находились одновременно в двух существенно разных точках этой орбиты. Для этого достаточно после вывода одного спутника на орбиту 3 в точке D позволить второму спутнику совершить целое обращение по орбите 2, чтобы при новом приходе в апогей D быть, наконец, выведенным на орбиту 3. Можно так подобрать периоды обращения орбит 2 и 3, чтобы оба спутника оказались друг от друга на заданном расстоянии по дуге орбиты (в принципе даже на концах одного диаметра). Таким путем в США в 1963, 1964, 1965 и 1967 гг. были выведены на круговые орбиты высотой примерно 100 000 км четыре пары спутников-инспекторов «Вела-Хоутел» (для обнаружения ядерных взрывов в космосе), причем один спутник в паре опережал на 130 - 140° другой. При всех запусках на промежуточной орбите 2 оставался еще и третий, научный спутник.
Процесс выведения ИСЗ на стационарную орбиту (рис. 3.18) поэтапно можно представить следующим образом (рис. 3.18, а):
– запуск со стартовой позиции, находящейся вблизи от экватора, в восточном направлении на орбиту ожидания высотой 185...250 км;
– в момент пересечения экваториальной плоскости перевод спутника с орбиты ожидания на промежуточную орбиту, апогей которой совпадает с высотой синхронной орбиты;
– проведение необходимых манёвров по ориентации на промежуточной орбите для подготовки к включению апогейного двигателя;
– после совершения нескольких витков по переходной орбите переход с помощью апогейного двигателя на орбиту близкую к круговой;
– точный перевод ИСЗ в точку над заданной долготой и коррекция его периода обращения и эксцентриситета орбиты; перевод ИСЗ (если требуется) из режима стабилизации вращением в режим стабилизации по трем осям и развертывание солнечных батарей;
– периодическая коррекция параметров орбиты для обеспечения нахождения ИСЗ над заданной точкой земной поверхности.
Возможно выведения ИСЗ на орбиту по схеме, представленной на рис. 3.18, б.
1
2
3
Ptuf 53 · 10-09-2014
Союз конечно хорошо. но стоимость выведения 1 кг груза всё же запредельная. Ранее мы обсуждали способы доставки на орбиту людей, а мне бы хотелось обсудить альтернативные ракетам способы доставки грузов (согласись забросить человека и кусок железяки (спутник) всё же большая разница). Совсем не реальные проекты (типа башни или косм. лифта) думаю трогать не стоит. а вот ЭМ пушку можно обсудить. У кого какие мысли?(может читал кто статейку свежую)
4
Dilettant 111 · 10-09-2014
Помню лет 30 тому был фильм про "космическую" пушку, подробностей не помню, но высота выстрела была очень большой.
Не знаю по каким причинам амеры проект забросили, но по-моему для вывода малых спутников вполне пригодный способ.
Правда насчет стоимости, коммерческая составляющая вещь непредсказуемая, как в анекдоте про брокеров:
Дважды два, сколько будет?
А мы продаем или покупаем?
5
Электромагнитная (она же магнитофугальная - во словечко!) пушка гаджет вполне себе пригодный для запуска груза на Земную орбиту. Правда покуда исключительно в виде металлических болванок, ибо никакая электронная начинка не сдюжит ТАКИХ перегрузок.
Был слух на интернет-форумах что какой-то чувак рассчитал какой должна быть длина пушки, чтобы разогнать снаряд до первой космической скорости с приемлемым ускорением. Подробностей не знаю (да и вообще может всё врут) но вроде как у него получилась пушка с длиной ствола где-то около 1000км.
Ещё, в далёком 1935 году, Макс Валье двинул мысль об том что можно было бы для начала разгонять снаряд в кольцевом туннеле, после чего "переключить стрелку" и направить его в примыкающий к кольцевому ускорителю по касательной "ствол", запустив таким образом в нужном направлении. Эдакий ядерный ускоритель - переросток для "колхозных" нужд.
Для лучшего эффекту раскручивать снаряд предлагалось в вакууме.
Есссессенно собрать "стрелку" способную переключиться с такой скоростью в то время было невозможно (сейчас, впрочем, тоже пока невозможно) .
Плюс удар при переходе от вакуума к атмосфЭре во время выстрела будет достаточным чтобы превратить спутник в хорошо прожаренный блин - а что ж он хотел на первой то космической скорости, да не в жиденькие верхние слои, а в плотненькие нижние!
После таких проблем преодоление разрушительного воздействия центробежной силы в евойном ускорителе - так, лёгкая разминка для ума.
Теоретически ЭМ устройство можно было бы использовать для запуска спутников с Луны: первая космическая там гораздо меньше, да и воздуха нету. Но это конечно если перед этим решить трудности с компактным и мощным источником энергии, теплоотводом и тем как это всё туда доставить и там смонтировать. Но, может быть в будущем...
А, да. Ещё одна проблема - в габаритах спутника. Человеков из такой пушки не запустишь, слишком много инженерного геморроя придётся преодолеть. А вот стрелять по орбите кубсатами, по крайней мере в теории, вполне себе можно. Но и для этого придётся решить кучу сопутствующих проблем вроде хрупкости электроники, источника энергии, изменения направления выстрела и т.д.
Короче, при всей своей красоте идея магнитофугальной пусковой установки пока бесперспективна в силу больших затрат на решение технических проблем и малого полезного "выхлопа".
Пока же, только вояки смотрят на "рейлганы" с осторожным оптимизмом - всё же звездануть болванкой в бочину вражескому кораблю или танку, или вообще чему угодно на расстоянии в 200 км со скорстью под 6км/сек это, доложу я вам, завсегда приятно.
Но и среди "звездопогонных" находятся скептики. Штука в том, что ЭМ орудия зело громоздкие, так что помещаются только на большо-о-ой танк либо корабль, и дико уязвимые: любое попадание осколка в силовую установку (а она "присутствует" отдельно от собственно пушки и тоже ни разу не маленькая) - и салют на 9 мая покажется просто унылым бенгальским огнём! Да и само орудие не отличается повышенной живучестью.
Ну, ещё достаточно сильный износ рельсов после каждого выстрела (в случае с рельсотроном) что сказывается на долговечности и точности; плюс проблема теплоотвода, причём быстрого - подать на те же рельсы несколько миллионов ампер в течение долей секунды - тут что угодно перегреется. И если в случае с запуском спутников это роли не играет - один раз стрельнул, потом месяц остужай - то в бою после нескольких выстрелов пушка может тупо расплавиться!
Н-да. Немного сумбурно получилось. Всё же компилляция из разных источников, причём затрагивающих космическую сферу лишь вскользь, да ещё с "перепиливанием" первоисточника (пасибо большое товарищам законотворцам и модераторам) не способствует повышению качества комментария. Но, чем богаты...
6
Есть еще, предложенный Рогозином, батут и суперрогатка, как в анекдоте.
Из реального остается лишь химичиская ракета. И говорить об удешевлении можно лишь в пределах 10-20%, это реально, но похоже, что это предел, я беру в расчет полную стоимость цикла, а не отдельных этапов.
Правда удешевить в этих пределах можно поменяв всего лишь одно условие, надо исключить возможность воровства на всех стадиях, начиная с проектирования.
7
Lipa 23 · 12-09-2014
Дим молодец- подробно и понятно! ЭМ пушку на помойку истории! Для космоса неприемлемый вариант (тоже читал про неё), а вот вояки действительно заинтересовались рельстонами и научились пулять из них горячей плазмой (заряд расплавляется и летит на высокой скорости) ну да энергии надо прорву, скорострельности никакой (пока), зато ежели раз попал то повторять нет необходимости. воякам радость а нам то чего делать? Так и летать на керогазе? Так и будем на орбите болтаться как какашки в проруби. Ракета не вариант -надо ваять что то многоразовое (не как У Маска кузнечик и ракета "с ластами") а действительно многоразовое.
8
9
10
11
DimitriyP 113 · 12-09-2014
Теоретически есть вариант удешевления стоимости запуска ракеты (по крайней мере в теории) в результате размещение источника энергии вовне относительно ракеты и передача этой самой энергии "по воздуху" прямо на борт например лазерным лучом или чем-то вроде этого (хотя лазер тут не проканает, но для иллюстрации принципа сойдёт) . Идея не новая, но от этого всё равно не приблизившаяся к решению.
Впрочем тут ещё многое будет зависить от стоимости такой "телепортации", а то может это ещё дороже выйдет.
12
DimitriyP 113 · 12-09-2014
Вот же ё-моё, пока писал вышележащий пост lipa уже успел выложить три (как минимум) и уйти в лютый бан! А я даже прочитать не успел... Однако, печально!
13
Dilettant 111 · 12-09-2014
"Что-то вечер перестает быть томным".
Банют модераторы по-черному, через день кого-то спасать приходится, и что особенно противно, что красную метку оставляют, лучше уж бесследно или пункт нарушения для наглядности.
Блин, надоело, не успел прочитать и нить обсуждения теряется.
14
DimitriyP 113 · 12-09-2014
dilettant. Поддерживаю!
Товарищи модераторы, вы бы хоть под баном писали за что - глядишь и народ перестал бы "кропать крамолу". А то морально-этические принципы, коим вы следуете модерируя очередной пост очень часто не ясны.
А так и народ границы видит, и вам работы меньше.
15
Delitant 76 · 13-09-2014
"пушка с длиной ствола где-то около 1000км. " Проще в стволе поставить лифт и на разных высотах сделать вырезы, а ещё дешевле - висячая лестница. Но это при условии что ствол будет направлен в небо.
16
17
Dilettant 111 · 13-09-2014
Предлогалось использовать гору для постройки разгонного тоннеля, но тут дорого будет в самом начале, да и диапазон вывода на орбиты маловат.
Можно сравнивать затраты только целиком на программу запусков, при таком подходе будет виднее какой способ дешевле, а то выпячивают цифру оплаты за "российскую" доставку, забывая, что Россия содержит и космодромы и производства ракет и сеть станций сопровождения. Приходят такие умники и заявляют, что мол у нас есть спутник и нам его надо на орбиту запульнуть, но мы хотим, чтобы запуск стоил по цене горючего для ракеты. А хрена с маслом не хотите? Возмите на себя часть комплексных затрат и сам запуск волшебным образом подешевеет. Если вы у транспортной компании заказываете весь комплекс услуг, то получаете одну цену, а если лишь доставку груза из точки А в точку В, то цена будет намного ниже.
Пока у землян есть только летающие керосинки, все остальное экзотика и фантастика.
Буквально на днях показывали сюжет про 3-D автомобиль, корпус принтер печатает неделю, количество деталей на порядки меньше, колеса, двигатель, и все остальное делается обычным способом, сборка ручная, корпус надо обрабатывать напильником, стоимость такого электромобильчика 20-30 тыщь в иностранной валюте, такой же серийный "обычный" будет стоить тысячи 3-4 от силы. Вроде прогресс налицо, но стоимость его пока зашкаливает.
Можно говорить, что космос это блажь, что можно вполне себе строить распрекрасную жизнь и не замахиваясь на освоение космоса, все это тоже точка зрения, заслуживающая уважения, но я скажу так, лично я могу немного потерпеть и обойтись без общества потребления, тоесть жить разумно-достаточно, а вырученные от этого деньги направить на какие-то прогрессивные разработки, не обязательно космические, но при этом иметь контроль за расходованием средств.
Для тех, кто будет пытаться использовать этот фонд только с целью своего обогащения назначить одно единственное наказание, высылка в безвоздушное пространство с конфискацией.
18
Ptuf 53 · 15-09-2014
Хотел написать в пятницу да не успел. В тех трёх постах были 3 статьи одна очень подробная начинающаяся с зари космонавтики обосновывала экономическую выгоду от использования российской система "МАКС" похороненной в лихие 90е годы. Статья длиннющая и интересная писать "своими словами" и лень и сложновато. Поэтому вывалил как есть в надежде что быстро не удалят и успеет народ почитать. Вторая была из журнала техника молодёжи за 11 й год про использование тросовго движителя. Ну и ещё "альтернативные" способы. Предложений оказывается на просторах сети выше крыши. есть и интересные и бредовые. но их великое множество и заявлять что альтернатив хим. ракетам нет несколько легкомысленно. Читая понял несколько вещей: все проекты с использованием пушек и их аналогов (а есть ещё способ запуска разгоняя объект по спирали и другие) не реализуемые по нескольким причинам
1) Во первых лобовое сопротивление нижних слоёв атмосферы на гиперзвуковых скоростях будет очень велико (сравнивают даже с бетонной стеной). и разрушит практически любой объект если не снабдить его мощной теплозащитой (что усложняет процесс и значительно утяжеляет)
2)Во вторых любое запущенное тело вернётся через один оборот в точку запуска несмотря на скорость. то есть необходимо будет корректировать орбиту то есть оснащать объект двигательной установкой. Что тоже очень влияет на стоимость и сложность и учитывая первый факт ещё и технически проблематичен из за больших перегрузок (электронике кирдык будет однако, а без неё движок вовремя не включится).
3)Начальную Скорость надо значительно выше 1й космической из за торможения в плотных слоях атмосферы (довольно таки сильного) и это ещё не все проблемки.
Из изученных данных стало очевидно что основной проблемой у ракет является как раз преодоление этих самых плотных нижних слоёв атмосферы (первые 11-12 км высоты) Разгон и достижение вывод на орбиту производят 2 и 3 я ступень ракеты, а первая как раз служит для подъёма на эти 12 км И кушает львиную долю топлива- по подсчётам полёт 1й ступени Протона длится 65 сек. и за это время сгорает то ли 250 то ли 280 тонн топлива (точная цифра была в статье- не запомнил). И воздушный старт здорово экономит средства. В выкладках была цифра по "МАКСУ" стоимость вывода 1 кг груза должна была составить 1000 а в дальнейшем и 500 баксов.(что согласитесь уже не мульоны как сейчас).Эта истина ивестна давно (где то с середины 60х годов) и многие пытались эту проблему решить. Путь Маска с его кузнечиками тупиковый на мой взгляд. а вот наши "Байкал" и "МАКС" вроде перспективные (но ставшие жертвой бюрократии и развала СССР). Есть и другие подобные. И проблема решения преодоления этих первых 11км значительно удешевит вывод грузов. Лифт, башня и подобные мегалетические сооружения технологически на сегодняшний момент не осуществимы да и политически тоже (строить надо сообща и на экваторе- неграм которые там живут это не надо, а США и Россию в Африку не пустют. Писать можно ещеё много чего но время уже не хватает.
19
Да-а, вот тебе и жиденькая Земная атмосфера.... А вообще решение "проблемы первой ступени" (как и самого вопроса удешевления запуска в целом) очень сильно зависит от того, что и какого веса предлагается запустить в космос.
Я так мыслю, как бы мы не надеялись, как бы не обманывали себя, но в ближайшие лет 100 мы будем летать на "керогазе". Может потом, когда откроют какие-нибудь новые физические принципы построят "летающую тарелку на антигравитации" это сразу удешевит вывод грузов сто мильёнов раз, но пока... Да-а, вот тебе и жиденькая Земная атмосфера.... А вообще решение "проблемы первой ступени" (как и самого вопроса удешевления запуска в целом) очень сильно зависит от того, что и какого веса предлагается запустить в космос.
Так, удешивить вывод на орбиту мелких и лёгких "кубсатов" особого труда не составит. В силу веса и размера их сможет забросить в космос даже сравнительно небольшая ракета, которую вполне можно "присобачить на спину" высотному самолёту или подцепить за тот же стратостат.
И вот тут Маску сотоварищи сплошное раздолье и процветание. Тут тебе и "кузнечики" и магнитофугалки и вообще куча всяких альтернатив.
Другое дело если потребно вывести чего-нибудь действительно стоящее: телескоп там, 2-3 космонавтов (или 6-7 тайкунавтов:)) , ну или модуль какой-нибудь станции. Тогда тут понадобится ракета побольше и потолще и на самолёт она уже не влезет, и "кузнечики" её уже не спасут.
И вот тут-то придётся "химичить" с самой ракетой, двигателями и топливом. Тут же главный критерий какой? Масса! Стало быть сделав ракету легче мы сможем удешивить запуск.
Ведь сейчас как - вместе с полезной нагрузкой в космос летит ещё огромное количество "ненужного" железа и тяжёлого топлива. Вот в этом направлении, как мне кажется, и надо работать: снизить вес самой ракеты и спутника за счёт новых материалов и инженерных решений, плюс разработать новые энергоэффективные виды топлива, чтоб малое его количество горело "долго и ярко".
Я так мыслю, как бы мы не надеялись, как бы не обманывали себя, но в ближайшие лет 100 мы будем летать на "керогазе". Может потом, когда откроют какие-нибудь новые физические принципы построят "летающую тарелку на антигравитации" это сразу удешевит вывод грузов сто мильёнов раз, но пока...
20
DimitriyP 113 · 15-09-2014
Вот зараза, текст два раза скопировался! А с виду всё прилично было...
Ладно, говорят повторенье - мать ученья; не знаю, много ли в моём посте "науки", но у тех кто не понял с первого раза появится ещё один шанс!
21
22
23
24
DimitriyP 113 · 16-09-2014
ptuf. Я предвидел такой исход и скопировал её себе на комп (надеюсь ещё кто-нибудь до этого додумался или успел осилить) . Прочитать, правда, покуда не успел, но как только - так сразу.
В любом случае спасибо за инфу.
25
Ptuf 53 · 17-09-2014
26
27
28
29
YOV2 38 · 23-09-2014
ну че скажу запуливать болванки (набор болтов, обшивку рулоном, элементы каркаса в разобраном виде) пушкой норм! а всякую тонкую мелочевку постаринке стыковать их в паровозик и к марсу!
30
YOV2 38 · 23-09-2014
а рыть дыру в земле или в горе совсем необязатильно
но гора пригодится! натти гору с подходяшим по крутизне склоном ну можно подчистить с чютка и прямо по склону строить тот тунель есть горы больше километра такчто ствл можно соорудить!
31
32
33
Sqwair777 50 · 23-09-2014
YOV2, "ну че скажу запуливать болванки (набор болтов, обшивку рулоном, элементы каркаса в разобраном виде) пушкой норм! а всякую тонкую мелочевку постаринке стыковать их в паровозик и к марсу!"
А ловить потом как? На таких-то скоростях. Нужно тогда придумывать механизм торможения и стабилизации, чтоб в одном месте. А не гоняться с сачком по орбите Бог знает с какими скоростями. Да и вероятность запулить в какой-нибудь спутник тоже имеется.
34
Dimitpij 46 · 24-09-2014
Яков а почитать что написано выше о применении пушек? Там подробно расписаны нюансы:
1) Снаряд запущенный по баллистической траектории шлёпнется в точку пуска через один виток- без коррекции никак.
2) В нижних слоях атмосферы на гиперзвуковых скоростях болванка разогреется до красна (снаряду без разницы -грузу кирдык)То есть теплозащита нужна.
3)Из за торможения в нижних слоях атмосферы скорость должна намного превышать 1ю космическую, а это запредельные нагрузки и сопротивление (на скорости 10км /с нижние слои атмосферы=бетонная стена).
Итог-различные варианты пушек годятся только для военных ("Париж" нахлобучить и спутники сшибать). Идея мертворождённая!
35
YOV2 38 · 25-09-2014
заметте идея вобщем то не моя (см.выше)
я тока хотел сказать что технически такое устройство далеко не такое запредельно сложное.
а вот с практическим применением ну проблемы действительно посложней чем с постройкой.
36
YOV2 38 · 25-09-2014
тут фигня простая с выстрелом из пушки начальная скорость мах. и далее падает а сопротивление воздуха с высотой уменьшается т.е. снижение скорости изза сопротивления уменьшается и тут тока вапрос вычислений че останется от начального импульса.
а хотелось бы с точностью до наоборот плавно разгоняться что делают ракетные системы.
37
38
YOV2 38 · 25-09-2014
исключить из уравнения воздух было-бы полегче + какая нибудь начальная скорость - что пытаются реализовать при запусках с "летающих ракетоносцев"
ну астаются совершенно футуристичные проекты реализация которых возможна или не возможна но явно пока дороже выйдет
39
А вот тут на АстроФоруме тёзка выкладывал пару дней назад новость, что мол учёные вроде как намострячились делать особо крепкие нити, типа алмазные. И вроде как научись их выращивать в промышленных масштабах - космический лифт обеспечен. Да и ещё где-то я уже слышал о разработках в этой области.
Короче, если и дальше так пойдёт, то вполне может статься что скоро в космос будем на лифте ездить!
Хм-м... интересно, профессия Космический Лифтёр - это героическая профессия, или так просто, обычная?
40
Sqwair777 50 · 25-09-2014
DimitriyP, космолифт - утопия. Никакой материал такой длины не выдержит даже себя своего веса. Да и к тому же, что будет удерживать трос? И просто, если даже что-то его удержит в статичном положении, его просто намотает на Землю, ну а про прочность, смотрите выше.
41
DimitriyP 113 · 25-09-2014
Sqwair777. Действительно утопия! Вообще, всяким разным "учёным" и "изобретателям" каких только глупостей в голову не приходит!
Вот, говорят, где-то в Североамериканских Штатах жили два брата. Так они решили смастерить эдакое чудо с крыльями и мотором чтобы на ЭТОМ можно было летать! Ну не бред ли?
Всем известно, что полёт на любом аппарате тяжелее воздуха будет безумно энергозатратен, а потому неэффективен. Если с помощью такого устройства и удасться подняться в воздух (что вряд ли) , то продержаться там достаточно долгое время уж точно не выйдет!
Или вот ещё помню был один "чудак". Так он утверждал, что со временем человек преодолеет Земную гравитацию и сможет улететь в космос. На ракете!
Это ж каким надо быть гм... недалёким чтобы такое предположить! Мало того что для преодоления Земного притяжения понадобится столько топлива, что ракета просто не сможет отрваться от земли, но даже если предположить что каким то чудом это всё же произойдёт, ни один материал в мире не выдержит ТАКОГО давления и температуры в камере сгорания. Она просто расплавится и взорвётся нафиг!
Сторонникам этой идеи можно посоветовать только облиться керосином, поджечь себя и броситься в пропасть - смерть будет похожая, зато сколько ресурсов в итоге удасться сэкономить!
Короче, я согласен - космический лифт суть технологический бред и химера, и никогда человек его не построит!
42
43
YOV2 38 · 26-09-2014
ну тут хитрая штука с цыфрами
вроде само преремещение груза выйдет савсем задаром но только за ради этого одного троса нужно будет создать инфраструктуру и даже целую отрасль производства а постановка таких тросов на поток вроде как тоже бессмыленна и куда девать эту новую промышленность. и того цена на круг!?
44
YOV2 38 · 26-09-2014
да и с идеальным размещением надо его на экваторе цеплять! а там нармально тока АФРИКА а там савсем все не нормально эпидемии революции это придется какую нибудь КОНГО поднять!
45
Dilettant 111 · 27-09-2014
Алмазные нанотрубки это красиво, но вообще-то они углеродные, и вся проблема в том, что сделать их пока могут лишь трехсантиметровой длины, а надо многие километры, да ещё и в канат сплести.
Но если учесть прогресс в умении нанотрубки изготавливать, как раз к 2050 году нужной длины троссы должны появиться, чисто теоритически.
46
Flibustier51 58 · 24-03-2015
Тема как-то заглохла, добавлю что нашел:
Грузовой самолет Ан 225.
"Третье предназначение "Мрії" - стать летающим космодромом - пока так и осталось мечтой. Хотя замгенерального конструктора АНТК им. Антонова Олег Богданов заверил нас: работы над проектом мобильного космического старта ведутся в России, пусть и очень медленно, потому что на него нет денег. Но идея эта не устарела, ибо опередила свое время минимум на полвека. Она проста и изящна: на "спину" Ан-225 устанавливается внешний топливный бак с прикрепленным к нему орбитальным самолетом в пилотируемом или беспилотном варианте. По размерам этот мини-"Буран" меньше большого "Бурана" - его длина всего 19 м против 26.
На высоте 9-10 км происходит старт: "Мрія" делает "горку", в момент снижения от нее отделяется "космический пассажир", включаются двигатели, и корабль ложится на нужный курс, а "Мрія" возвращается на аэродром. "Челнок" после выполнения задачи также садится самостоятельно, причем ему не нужна специальная взлетно-посадочная полоса (ВПП), достаточно обычного аэродрома 1 класса (с ВПП длиной лишь 5 км). Такой космический самолет рассчитан на 100 запусков. Экипаж из двух человек может доставить на орбитальную станцию груз весом до 8 тонн, вывести на низкую орбиту (до 400 км) спутник.
Но ценность проекта не только в том, что вывести на орбиту кило полезного груза с помощью мини-"Бурана" стоит втрое дешевле по сравнению с одноразовыми ракетами-носителями "Союз" (12 000-15 000 $/кг) и многоразовыми средствами выведения первого поколения - "Буран" (СССР) и "Спейс Шаттл" (США) - (до 22 000 $/кг). Главное - возможность запуска в любом направлении, оперативность. Это значит, что такой корабль может быть спасательной космической шлюпкой для терпящего бедствие космолета, где бы тот ни находился.
Увы, воплотить все это в металл не только дорого (около $10 млрд.), но и сложно из-за того, что после развала СССР "Мрія" стала принадлежать Украине, а все космические проекты сосредоточены в России. Пока россияне не заинтересованы в мобильном старте. Денег нет, да МАКС им особо и не нужен - они используют для доставки грузов на орбитальную станцию МКС старые, проверенные временем одноразовые "Союзы", не считаясь с текущими затратами."
Оказывается, все уже придумано.
Ан 225 почти 30 лет назад построили, думаю что сейчас могут сделать еще больше по размерам самолет, который подымет больший челнок с грузом, если надо. И у него преимущество: он может доставить челнок куда угодно и сделать пуск где необходимо.
47
48
Flibustier51 58 · 27-03-2015
В соседней ветке рассматривается проблема с космическим мусором. С каждым годом его становиться все больше.
Можно осуществлять запуск где-нибудь с экватерального острова, построив там лишь взлетно-посадочную полосу для грузового самолета, станцию дозаправки самолета и миним. необходимое. Количество мусора от таких запусков можно свести к минимуму, запрограмировав разгонный блок челнока падать в океан(как при запуске из Флориды, кругом вода). Можно также его использовать вновь(так же как при запуске Шатла).
А потом челнок сядет в "порту приписки" своей страны, ТО пройдет там же. Они рассчитаны на 100 запусков.
Плюсы:
1) запуск в 3 раза дешевле минимального на сегодняшний день(с экватора будет еще дешевле), дополнительные затраты на перелет на экватор относительно невелеки, например, трансатлантический перелет "Мрии" стоит около 100 тыс. $. Челнок и авиатопливо можно возить на пароходах, если на то пошло.
2)Решена проблема с последующим мусором на орбите, меньше вреда экологии(район запуска малонаселенный и используется меньше ракетного топлива).
Если всерьез развивать космос и строить космич. базу или корабль на орбите, то этот вариант дает явное преимущество.
49
Dilettant 111 · 27-03-2015
Да, можно вообще отказаться от ветикальных запусков при такой концепции, но вес разовой полезной нагрузки будет значительно меньше, чем может вывести ракета. Мрия, оно конечно, самолёт выдающейся грузоподъёмности, но скоростёнки маловато. Разгонщик должен набирать хотябы 4-5 Мах скорости, Мрии до этого никогда не разогнаться. Слишком разные требования к планёру, конфигурации супертяжа не позволяют развивать необходимые скорости, а гиперзвуковик не обладает нужной грузоподъёмностью. Вот этот антогонизм необходимо как-то устранить, чтобы проект заработал в полную силу.
52
Dilettant 111 · 28-03-2015
Не хочу спорить с идеологами проекта, но мой технический опыт не позволяет принять на веру всё то, что красиво показано в и-нете.
Момент отделения нагрузки, та самая горка, точнее её (горки) верхняя точка, самолёт-носитель выходит на самой верхней точке параболы в горизонт (отделение полезной нагрузки происходит в горизонтальном полёте в момент, когда "матка" периходит в пике, начало состояния невесомости) челноку надо начинать разгон с дозвуковой скорости с одновременном набором высоты. А разогнаться надо до первой космической, а это, между прочим не 1 км/сек, а гораздо больше, семь с лишком раз, выигрыша практически не будет, но, по моему скромному мнению, будет даже проигрыш. Если не верите мне, то посмотрите видео на ютюбе, как выводятся космические аппараты на орбиту, там где есть телеметрия. Для того чтобы разогнать КА до нужной орбитальной скорости последняя ступень ракеты отрабатывает со снижением высоты, чтобы получить выигрыш в весе полезной нагрузки, это может показаться пародоксальным, но это баллистика!
53
Статья 2013 года: "Учрежденный в начале этого года при правительстве Фонд перспективных исследований (ФПИ) планирует в 2020-х годах реализовать проект "Воздушный старт" - запуск орбитального самолета (космоплана) с борта сверхтяжелого транспортного самолета, говорится в докладе Общественного совета при Военно-промышленной комиссии при правительстве РФ, распространенном в ходе заседания совета в Государственной Думе...
"Первым шагом на пути коммерческого освоения космоса может стать многоцелевая авиационно-космическая система - достаточно проработанный еще в 80-90-х годах проект двухступенчатого комплекса космического назначения, который состоит из самолета-носителя (Ан-225 "Мрия") и запускаемого с него орбитального космического корабля - ракетоплана (космоплана), называемого орбитальным самолетом", - говорится в одном из пунктов раздела приоритетных направлений исследований и разработок ФПИ."
В далекой перспективе для доставки грузов на орбиту авторы доклада предлагают использовать "космический лифт", который может появиться в течение 60-70 лет.
Авторы доклада отмечают, что космические челноки типа советского "Бурана" и американского Space Shuttle оказались избыточными по возможностям и чересчур дорогими в эксплуатации. "Тем не менее, сама идея "космического самолета" - многоразового челнока, способного выполнять как военные, так и научные и коммерческие задачи, продолжает оставаться актуальной. В перспективе эта технология при правильной реализации, позволит резко удешевить вывоз грузов на орбиту и откроет путь к дальнейшему коммерческому и военному использованию космоса", - отмечается в приоритетных направлениях исследований и разработок ФПИ.....""
Специалисты утверждают, что такой способ доставки "резко удешевит", значит все-таки выгодно? И грузовой самолет именно "Мрия", т.е. скорость дозвуковая.
"первая космическая скорость - это минимальная скорость, при которой тело, движущееся горизонтально над поверхностью планеты, не упадёт на неё, а будет двигаться по круговой орбите". Горизонтально же, а челнок полетит вертикально, ему не надо достигать ПКС, достаточно преодолеть ускорение свободного падения(g). На высоте 10 км оно меньше, и сопротивление воздуха тоже.
54
Flibustier51 58 · 29-03-2015
Еще по этой теме: "В США в калифорнийском аэрокосмическом порту Мохаве строится крупнейший в истории мировой авиации самолет Roc, который планируется использовать для запуска космических аппаратов из стратосферы.
Размах крыльев этой машины - 117 метров, общий максимальный вес - 540000 кг. Габариты Roc больше всех других самолетов, к примеру таких, как Boeing 747-8, Airbus A-380-800, или Хьюз H-4 Геркулес.
Разработкой проекта занимается миллиардер Пол Гарднер Аллен, соучредитель компании Microsoft и инвестор многочисленных удивительных стартапов и проектов, включая Allen Telescope Array института SETI и SpaceShipOne - корабля, совершившего первый частный суборбитальный полет.
Если все пойдет, как запланировали разработчики, то первый испытательный полет новой машины может состояться уже в 2015 году, а первый запуск ракеты с его борта - в 2016-м."
Самая главная сложность - поймать груз на орбите. Должно быть что-то вроде баржи-мишени в которую надо будет стрелять. Корректировку маневра совершает именно баржа на это у нее будет около 7 минут времени пока снаряд летит. Скорости будут примерно одинаковые, поэтому снаряд поймать будет не слишком сложно, при условии что верно произведены все расчеты.
С перемещением энергии лазером - тоже вариант интересный. Но не совсем ясно какой при этом принцип движения будет использовать сама ракета после приёма энергии. Реактивный получается не подходит...
С космическими лифтами - слишком утопичная идея. Люди быстрее орбитальные порты построят, чем произведут материал для тросов.
Но вообще идея с орбитальными портами весьма интересна, но очень масштабна по своей задумке. При этом нужно специфическое место для строительства как и материал. Арктика или Антарктида. Ну и в стройке должна участвовать добрая половина человечества. Это амбициозный проект... Может его и постоят, когда активно начнет развиваться добыча ресурсов на астероидах и спутниках.
К сожалению, в последнее время тема различных аварий при выведении космических аппаратов не теряет актуальности, поэтому (исходя из собственного опыта) хотелось бы рассказать о том, какие задачи решают инженеры при возникновении такой нештатной ситуации. В статье рассказывается о возможных вариантах развития событий в случае нештатного выведения космического аппарата на примере завершения функционирования телекоммуникационного спутника «Экспресс - АМ4» после отказа разгонного блока «Бриз-М». Также немного расскажу о том, что делается в мире для уменьшения рисков столкновения космических аппаратов при нештатном выведении.
Введение
Для начала стоит сказать пару слов о себе. Основной моей работой является баллистическое обеспечение спуска пилотируемых и непилотируемых космических аппаратов на Землю. Сюда относятся как непосредственная оперативная работа, так и разработка для нее программного обеспечения.Теперь немного определений:
Под нештатным выведением нужно понимать выведение космического аппарата на нерасчетную орбиту, на которой он может просуществовать какое-то время. Вариант, когда сразу «пошло что-то не так» рассматривать бессмысленно, так как в этом случае сделать уже ничего нельзя.
Зачем вообще нужно что-то делать с аппаратом при аварии на выведении?
В первую очередь, находясь на нерасчетной орбите космический аппарат, может представлять угрозу столкновения для других действующих аппаратов. Ну а во-вторых, в случае столкновения космического аппарата с космическим мусором (численность которого с каждым днем увеличивается), велика вероятность детонации оставшегося на борту топлива и образования большого количества осколков.Одним из примеров нештатного выведения на орбиту был спутник «Экспресс-АМ4». В августе 2011 года он должен был быть запущен на геостационарную орбиту (высота 35786 км) для предоставления телекоммуникационных услуг населению. Однако из-за аварии разгонного блока, он остался на орбите с минимальной высотой 655 км, а максимальной 20430 км. На этой высоте спутник представлял угрозу для большого количества космических аппаратов, включая группировки GPS и ГЛОНАСС (их высота 19000 – 20000 км).
Варианты развития событий
В зависимости от вида аварии при выведении, рассматриваются 3 основных варианта дальнейшего развития событий:- Продолжение миссии с учетом возникшей нештатной ситуации.
- Перевод аппарата на безопасную орбиту (орбиту захоронения).
- Затопление аппарата в заданном районе Мирового океана.
В случае с «Экспресс-АМ4» вариант с продолжением миссии был невозможен, так как на собственных двигателях добраться до геостационарной орбиты было невозможно. В связи с этим были детально рассмотрены два последних варианта.
Начнем с безопасной орбиты (тут буквально в двух словах). Суть задачи была в том, чтобы с помощью орбитального каталога определить параметры орбиты, на которой спутник представлял бы наименьшую опасность для других космических аппаратов, а затем рассчитать схему перелета на эту орбиту с минимальными остатками топлива на борту. В итоге орбита захоронения была выбрана со следующими характеристиками: минимальная высота 12000 км, максимальная высота 15500 км. Для перелета на эту орбиту нужны были 3 включения двигателя: 1-й для повышения перигея, 2-й для понижения апогея и 3-й для полной выработки топлива и окончательного перехода на заданную орбиту.
В теории вариант с орбитой захоронения был неплох, однако с точки зрения практики он был довольно сложен в реализации (из-за особенностей интервала включения двигателей, особенностей ориентации аппарата и т.д.), да и гарантировать точный выход на заданную орбиту с полной выработкой топлива никто не смог бы. Поэтому основным вариантом стало затопление спутника в заданном районе Мирового океана.
Тут стоит немного пояснить: прежде чем сводить что-либо с орбиты, необходимо согласовать район падения с различными организациями, это нужно, прежде всего, для обеспечения безопасности местного населения. У России есть договор об использовании района Тихого океана в Южном полушарии для затопления грузовиков «Прогресс». Таким образом, при затоплении «Экспресса» в первую очередь рассматривались варианты прицеливания именно в этот район. Но из-за особенностей орбиты (аргумент широты перигея находился в Северном полушарии) использование этого района не представлялось возможным. Пришлось искать район в Северном полушарии. Ничего лучше места между Западным побережьем США и Японией не нашлось, поэтому решено было топить «Экспресс» именно там.
Также для страховки был выбран резервный район (на картинке он поменьше). Для обоснования возможности затопления спутника в эти районы, для разных временных промежутков были просчитаны траектории падания. Как видно из рисунка, все они удовлетворяли условию попадания в заданный район.
Оперативная работа
Дальше было самое интересное – непосредственная реализация. Сразу скажу, что все управление спутником осуществлялось из ЦУП г. Тулуза, и все работы проводились совместно с французскими коллегами. Утвержденная схема затопления показана на рисунке.
Немного поясню: чтобы свести космический аппарат с высокоэллиптической орбиты, необходимо затормозить его в апогее, при этом понижается перигей, и аппарат входит в плотные слои атмосферы. В данном случае тяга двигателей спутника не позволяла достаточно быстро отработать тормозной импульс, поэтому была выбрана схема, при которой спутник достигал апогея орбиты на середине работы двигательной установки. Это позволяло отрабатывать тормозной импульс с максимальной эффективностью.
Для повышения надежности, любые динамические операции на космических кораблях стараются проводить в зоне радиовидимости наземных пунктов. Так как включение двигателя происходило не над территорией России, а отечественная орбитальная группировка спутников-ретрансляторов не так хорошо развита, пришлось использовать наземные станции партнеров в г. Уралла (Австралия) и в г. Пекин (Китай). По их данным 25 марта 2012г. в расчетные времена были зафиксированы включение и выключение двигателя. После этого были проведены расчеты, которые подтвердили затопление спутника в заданном районе.
Заключение
На данном этапе развития космической техники, далеко не с каждым аппаратом можно что-либо сделать в случае нештатной ситуации при выведении. В первую очередь это связано с дороговизной каждого килограмма, выведенного на орбиту. Например, с целью повышения времени работы спутников на геостационарной орбите, на них ставят электроракетные двигательные установки, которые обладают очень малой тягой. При аварии со спутником с такими двигателями становится невозможными ни переход на безопасную орбиту, ни его затопление.На встрече с французскими производителями спутников они выразили заинтересованность в дальнейшем исследовании возможностей парирования нештатных ситуаций при выведении. Сейчас работы ведутся в направлении исследования возможности дополнительной установки двигателей, проработки системы ориентации и еще многих других компонентов спутника. Возможно, в скором времени, на спутниках будут ставить оборудование, способное при нештатном выведении автономно принимать решения о дальнейших своих действиях.
Конечно, в одну статью не уместить все особенности возвращения космических аппаратов на Землю, но для начала, думаю, хватит.
Подобно тому, как места в театре позволяют по-разному взглянуть на представление, различные орбиты спутников дают перспективу, каждая из которых имеет свое назначение. Одни кажутся висящими над точкой поверхности, они обеспечивают постоянный обзор одной стороны Земли, в то время как другие кружат вокруг нашей планеты, за день проносясь над множеством мест.
Типы орбит
На какой высоте летают спутники? Различают 3 типа околоземных орбит: высокие, средние и низкие. На высокой, наиболее удаленной от поверхности, как правило, находятся многие погодные и некоторые спутники связи. Сателлиты, вращающиеся на средней околоземной орбите, включают навигационные и специальные, предназначенные для мониторинга конкретного региона. Большинство научных космических аппаратов, в том числе флот системы наблюдения за поверхностью Земли НАСА, находится на низкой орбите.
От того, на какой высоте летают спутники, зависит скорость их движения. По мере приближения к Земле гравитация становится все сильнее, и движение ускоряется. Например, спутнику НАСА Aqua требуется около 99 минут, чтобы облететь вокруг нашей планеты на высоте около 705 км, а метеорологическому аппарату, удаленному на 35 786 км от поверхности, для этого потребуется 23 часа, 56 минут и 4 секунды. На расстоянии 384 403 км от центра Земли Луна завершает один оборот за 28 дней.
Аэродинамический парадокс
Изменение высоты спутника также изменяет его скорость движения по орбите. Здесь наблюдается парадокс. Если оператор спутника хочет повысить его скорость, он не может просто запустить двигатели для ускорения. Это увеличит орбиту (и высоту), что приведет к уменьшению скорости. Вместо этого следует запустить двигатели в направлении, противоположном направлению движения спутника, т. е. совершить действие, которое на Земле бы замедлило движущееся транспортное средство. Такое действие переместит его ниже, что позволит увеличить скорость.
Характеристики орбит
В дополнение к высоте, путь движения спутника характеризуется эксцентриситетом и наклонением. Первый относится к форме орбиты. Спутник с низким эксцентриситетом движется по траектории, близкой к круговой. Эксцентричная орбита имеет форму эллипса. Расстояние от космического аппарата до Земли зависит от его положения.
Наклонение - это угол орбиты по отношению к экватору. Спутник, который вращается непосредственно над экватором, имеет нулевой наклон. Если космический аппарат проходит над северным и южным полюсами (географическими, а не магнитными), его наклон составляет 90°.
Все вместе - высота, эксцентриситет и наклонение - определяют движение сателлита и то, как с его точки зрения будет выглядеть Земля.
Высокая околоземная
Когда спутник достигает ровно 42164 км от центра Земли (около 36 тыс. км от поверхности), он входит в зону, где его орбита соответствует вращению нашей планеты. Поскольку аппарат движется с той же скоростью, что и Земля, т. е. его период обращения равен 24 ч, кажется, что он остается на месте над единственной долготой, хотя и может дрейфовать с севера на юг. Эта специальная высокая орбита называется геосинхронной.
Спутник движется по круговой орбите прямо над экватором (эксцентриситет и наклонение равны нулю) и относительно Земли стоит на месте. Он всегда расположен над одной и той же точкой на ее поверхности.
Орбита «Молния» (наклонение 63,4°) используется для наблюдения в высоких широтах. Геостационарные спутники привязаны к экватору, поэтому они не подходят для дальних северных или южных регионов. Эта орбита весьма эксцентрична: космический аппарат движется по вытянутому эллипсу с Землей, расположенной близко к одному краю. Так как спутник ускоряется под действием силы тяжести, он движется очень быстро, когда находится близко к нашей планете. При удалении его скорость замедляется, поэтому он больше времени проводит на вершине орбиты в самом дальнем от Земли краю, расстояние до которого может достигать 40 тыс. км. Период обращения составляет 12 ч, но около двух третей этого времени спутник проводит над одним полушарием. Подобно полусинхронной орбите сателлит проходит по одному и тому же пути через каждые 24 ч. Используется для связи на крайнем севере или юге.
Низкая околоземная
Большинство научных спутников, многие метеорологические и космическая станция находятся на почти круговой низкой околоземной орбите. Их наклон зависит от того, мониторингом чего они занимаются. TRMM был запущен для мониторинга осадков в тропиках, поэтому имеет относительно низкое наклонение (35°), оставаясь вблизи экватора.
Многие из спутников системы наблюдения НАСА имеют почти полярную высоконаклонную орбиту. Космический аппарат движется вокруг Земли от полюса до полюса с периодом 99 мин. Половину времени он проходит над дневной стороной нашей планеты, а на полюсе переходит на ночную.
По мере движения спутника под ним вращается Земля. К тому времени, когда аппарат переходит на освещенный участок, он находится над областью, прилегающей к зоне прохождения своей последней орбиты. За 24-часовой период полярные спутники покрывают большую часть Земли дважды: один раз днем и один раз ночью.
Солнечно-синхронная орбита
Подобно тому как геосинхронные спутники должны находиться над экватором, что позволяет им оставаться над одной точкой, полярно-орбитальные имеют способность оставаться в одном времени. Их орбита является солнечно-синхронной - при пересечении космическим аппаратом экватора местное солнечное время всегда одно и то же. Например, спутник Terra пересекает его над Бразилией всегда в 10:30 утра. Следующее пересечение через 99 мин над Эквадором или Колумбией происходит также в 10:30 по местному времени.
Солнечно-синхронная орбита необходима для науки, так как позволяет сохранять солнечного света на поверхность Земли, хотя он будет меняться в зависимости от сезона. Такое постоянство означает, что ученые могут сравнивать изображения нашей планеты одного времени года в течение нескольких лет, не беспокоясь о слишком больших скачках в освещении, которые могут создать иллюзию изменений. Без солнечно-синхронной орбиты было бы сложно отслеживать их с течением времени и собирать информацию, необходимую для изучения изменений климата.
Путь спутника здесь очень ограничен. Если он находится на высоте 100 км, орбита должна иметь наклон 96°. Любое отклонение будет недопустимым. Поскольку сопротивление атмосферы и сила притяжения Солнца и Луны изменяют орбиту аппарата, ее необходимо регулярно корректировать.
Выведение на орбиту: запуск
Запуск спутника требует энергии, количество которой зависит от расположения места старта, высоты и наклона будущей траектории его движения. Чтобы добраться до удаленной орбиты, требуется затратить больше энергии. Спутники со значительным наклоном (например, полярные) более энергозатратны, чем те, которые кружат над экватором. Выведению на орбиту с низким наклоном помогает вращение Земли. движется под углом 51,6397°. Это необходимо для того, чтобы космическим челнокам и российским ракетам было легче добраться до нее. Высота МКС - 337-430 км. Полярные спутники, с другой стороны, от импульса Земли помощи не получают, поэтому им требуется больше энергии, чтобы подняться на такое же расстояние.
Корректировка
После запуска спутника необходимо приложить усилия, чтобы удержать его на определенной орбите. Поскольку Земля не является идеальной сферой, ее гравитация в некоторых местах сильнее. Эта неравномерность, наряду с притяжением Солнца, Луны и Юпитера (самой массивной планеты Солнечной системы), изменяет наклон орбиты. На протяжении всего своего срока службы положение спутников GOES корректировалось три или четыре раза. Низкоорбитальные аппараты НАСА должны регулировать свой наклон ежегодно.
Кроме того, на околоземные спутники оказывает воздействие атмосфера. Самые верхние слои, хотя и достаточно разрежены, оказывают достаточно сильное сопротивление, чтобы притягивать их ближе к Земле. Действие силы тяжести приводит к ускорению спутников. Со временем они сгорают, по спирали опускаясь все ниже и быстрее в атмосферу, или падают на Землю.
Атмосферное сопротивление сильнее, когда Солнце активно. Так же, как воздух в воздушном шаре расширяется и поднимается при нагревании, атмосфера поднимается и расширяется, когда Солнце дает ей дополнительную энергию. Разреженные слои атмосферы поднимаются, а их место занимают более плотные. Поэтому спутники на орбите Земли должны изменять свое положение примерно четыре раза в год, чтобы компенсировать сопротивление атмосферы. Когда солнечная активность максимальна, положение аппарата приходится корректировать каждые 2-3 недели.
Космический мусор
Третья причина, вынуждающая менять орбиту - космический мусор. Один из коммуникационных спутников Iridium столкнулся с нефункционирующим российским космическим аппаратом. Они разбились, образовав облако мусора, состоящее из более чем 2500 частей. Каждый элемент был добавлен в базу данных, которая сегодня насчитывает свыше 18000 объектов техногенного происхождения.
НАСА тщательно отслеживает все, что может оказаться на пути спутников, т. к. из-за космического мусора уже несколько раз приходилось менять орбиты.
Инженеры отслеживают положение космического мусора и сателлитов, которые могут помешать движению и по мере необходимости тщательно планируют маневры уклонения. Эта же команда планирует и выполняет маневры по регулировке наклона и высоты спутника.
При выведении спутника на орбиту ракета-носитель обычно сообщает ему начальную скорость после пересечения плотных слоев атмосферы на высоте, не меньшей 140 км. В момент, когда достигнута необходимая орбитальная скорость, двигатель последней ступени ракеты-носителя выключается. Далее от этой ступени могут отделяться один или несколько искусственных спутников, предназначенных для разных целей. В момент отделения спутник получает небольшую дополнительную скорость. Поэтому начальные орбиты спутника и последней ступени ракеты-носителя всегда несколько отличаются между собой.
Помимо одного или нескольких спутников с той или иной аппаратурой и последней ступени ракеты-носителя, обычно на близкие орбиты выводятся и некоторые детали, например части носового обтекателя, защищающего спутник при прохождении плотных слоев атмосферы, и т. п.
На рис. 34 показана схема запуска корабля-спутника «Восток». На корабле «Восток» 12 апреля 1961 г. Ю. А. Гагарин совершил первый в истории пилотируемый орбитальный полет.
В принципе начальной точкой движения спутника может быть любая точка его орбиты, но характеристическая скорость ракеты-носителя будет минимальной, если активный участок кончается вблизи перигея. В случае, когда перигей находится вблизи плотных слоев атмосферы, особенно важно, чтобы приобретенная спутником при разгоне скорость не была меньше заданной величины и чтобы ее направление минимально отклонялось от горизонтального. В противном случае спутник войдет в плотные слои атмосферы, не завершив и одного оборота (такие объекты и не регистрируются в качестве спутников).
Если запланированная орбита расположена достаточно высоко, то небольшие ошибки не грозят гибелью спутнику, но из-за них
полученная орбита, даже если она не пересечет плотные слои атмосферы, может оказаться непригодной для намеченных научных целей.
Рис. 34. (см. скан) Схемы ракет-носителя «Восток», «союз» и этапов выведения на орбиту корабля «Восток» - 1 - один из четырех боковых блоков первой ступени, 2 - центральный блок (вторая ступень), 3 - третья ступень ракеты «Восток», 4 - головной обтекатель ракеты «Восток», 5- третья ступень ракеты «Союз», 6 - корабль «Союз», 7 - головной обтекатель ракеты Участок выведения на орбиту обычно включает в себя один или больше пассивных интервалов. При достаточно высоком
перигее орбиты, на которую выводится спутник, пассивный участок выведения может иметь более в длину.
Траектория выведения, представляющая собой, вообще говоря, пространственную кривую, расположена вблизи плоскости орбиты спутника. Если запуск производится точно в восточном направлении, то наклон плоскости орбиты равен широте места запуска. При этом плоскость орбиты касается параллели. Во всех остальных случаях наклон орбиты может быть только больше широты космодрома (в частности, при запуске в западном направлении, когда плоскость орбиты также касается параллели космодрома, наклон должен быть больше 90°).
Меньше широты места запуска наклонение орбиты может быть только в том случае, если предусмотрен маневр изменения плоскости орбиты уже после вывода на нее.
На активном участке от ракеты-носителя может отделиться спутник еще до выключения последней ступени. После выключения может отделиться второй спутник. Очевидно, орбиты двух спутников будут различны, но их перигейные высоты будут отличаться мало, так как за время дополнительного разгона последняя ступень не могла подняться слишком высоко. Апогеи же могут находиться на совсем разных высотах, ибо даже небольшое увеличение начальной скорости резко поднимает апогей (вспомним рис. 17 в § 5 гл. 2). По такому методу были в январе 1964 г. запущены советские спутники «Электрон-1, -2» для изучения внутренней и внешней частей пояса радиации (перигеи на высотах 406 и 460, а апогеи - 7100 и 68 200 км соответственно).
Все сказанное выше справедливо и в том случае, если вместо ракеты-носителя используется аппарат многоразового употребления - орбитальный самолет, пилотируемый человеком (см. § 4 гл. 7).
