Как выводятся спутники на орбиту
Почему спутники не падают
Прямо сейчас на орбите Земли расположено более 1000 искусственных спутников. Они выполняют самые разнообразные задачи и имеют различную конструкцию. Но объединяет их одно — спутники вращаются вокруг планеты и не падают.
Быстрое объяснение
На самом деле спутники постоянно падают на Землю из-за воздействия гравитации. Но они всегда промахиваются, т. к. имеют боковую скорость, заданную инерцией при запуске.
Вращение спутника вокруг Земли — это его постоянное падение мимо.
Развёрнутое объяснение
Если вы бросаете мяч в воздух, мяч возвращается обратно вниз. Это из-за гравитации — той же силы, которая удерживает нас на Земле и не дает улететь в открытый космос.
Спутники попадают на орбиту благодаря ракетам. Ракета должна разогнаться до 29 000 км/ч! Этого достаточно быстро, чтобы преодолеть сильное притяжение и покинуть атмосферу Земли. Как только ракета достигает нужной точки над Землей, она отпускает спутник.
Спутник использует энергию, полученную от ракеты, чтобы оставаться в движении. Это движение называется импульсом.
Но как спутник остается на орбите? Разве он не полетел бы по прямой в космос?
Не совсем. Даже когда спутник находится за тысячи километров, гравитация Земли все еще притягивает его. Притяжение Земли в сочетании с импульсом от ракеты заставляет спутник следовать круговой траектории вокруг Земли — орбите.
Когда спутник находится на орбите, он имеет идеальный баланс между импульсом и силой притяжения Земли. Но найти этот баланс довольно сложно.
Гравитация тем сильнее, чем ближе объект к Земле. И спутники, которые вращаются вокруг Земли, должны двигаться на очень высоких скоростях, чтобы оставаться на орбите.
Например, спутник NOAA-20 вращается всего в нескольких сотнях километров над Землей. Он должен путешествовать со скоростью 27 300 км/ч, чтобы оставаться на орбите.
С другой стороны, спутник NOAA GOES-East вращается вокруг Земли на высоте 35 405 км. Чтобы преодолеть гравитацию и остаться на орбите, ему нужна скорость около 10 780 км/ч.
Спутники могут оставаться на орбите в течение сотен лет, поэтому нам не нужно беспокоиться о том, что они упадут на Землю.
Как работают спутники?
«Человек должен подняться над Землей — в атмосферу и за ее пределы — ибо только так он полностью поймет мир, в котором живет».
Сократ сделал это наблюдение за века до того, как люди успешно вывели объект на земную орбиту. И все же древнегреческий философ, кажется, понял, насколько ценным может быть вид из космоса, хотя совершенно не знал, как этого достичь.
Этому понятию — о том, как вывести объект «в атмосферу и за ее пределы» — пришлось ждать до тех пор, пока Исаак Ньютон не опубликовал свой знаменитый мысленный эксперимент с пушечным ядром в 1729 году. Выглядит он примерно так:
В октябре 1957 года Советский Союз наконец подтвердил догадку Ньютона, запустив «Спутник-1» — первый искусственный спутник на орбите Земли. Это инициировало космическую гонку и многочисленные запуски объектов, которым предназначалось летать вокруг Земли и других планет Солнечной системы. С момента запуска «Спутника» некоторые страны, по большей части США, Россия и Китай, запустили более 3000 спутников в космос. Некоторые из этих сделанными людьми объектов, например МКС, большие. Другие отлично умещаются в небольшом сундучке. Благодаря спутникам мы получаем прогнозы погоды, смотрим телевизор, сидим в Интернете и звоним по телефону. Даже те спутники, работу которых мы не ощущаем и не видим, отлично служат в пользу военных.
Конечно, запуск и эксплуатация спутников привели к проблемам. Сегодня, учитывая более 1000 рабочих спутников на земной орбите, наш ближайший космический район стал оживленнее, чем крупный город в час пик. Приплюсуйте к этому нерабочее оборудование, заброшенные спутники, части аппаратного обеспечения и фрагменты от взрывов или столкновений, которые наполняют небеса вместе с полезным оборудованием. Этот орбитальный мусор, о котором мы подробно писали, накапливался на протяжении многих лет и представляет серьезную угрозу для спутников, в настоящее время кружащим вокруг Земли, а также для будущих пилотируемых и непилотируемых запусков.
В этой статье мы залезем в кишки обычного спутника и заглянем в его глаза, чтобы увидеть виды нашей планеты, о которых Сократ и Ньютон не могли и мечтать. Но сначала давайте подробнее разберемся, чем, собственно, спутник отличается от других небесных объектов.
Что такое спутник?
Чтобы понять, почему спутники движутся таким образом, мы должны навестить нашего друга Ньютона. Он предположил, что сила гравитации существует между двумя любыми объектами во Вселенной. Если бы этой силы не было, спутники, летящие вблизи планеты, продолжали бы свое движение с одной скоростью и в одном направлении — по прямой. Эта прямая — инерционный путь спутника, который, однако, уравновешивается сильным гравитационным притяжением, направленным к центру планеты.
Иногда орбита спутника выглядит как эллипс, приплюснутый круг, который проходит вокруг двух точек, известных как фокусы. В этом случае работают все те же законы движения, разве что планеты расположены в одном из фокусов. В результате, чистая сила, приложенная к спутнику, не проходит равномерно по всему его пути, и скорость спутника постоянно меняется. Он движется быстро, когда находится ближе всего к планете — в точке перигея (не путать с перигелием), и медленнее, когда находится дальше от планеты — в точке апогея.
Спутники бывают самых разных форм и размеров и выполняют самые разнообразные задачи.
Когда были изобретены спутники?
Ученые не понимали Кларка — до 4 октября 1957 года. Тогда Советский Союз запустил «Спутник-1», первый искусственный спутник, на орбиту Земли. «Спутник» был 58 сантиметров в диаметре, весил 83 килограмма и был выполнен в форме шарика. Хотя это было замечательное достижение, содержание «Спутника» было скудным по сегодняшним меркам:
На внешней стороне «Спутника» четыре штыревые антенны передавали на коротковолновой частоте выше и ниже нынешнего стандарта (27 МГц). Станции слежения на Земле поймали радиосигнал и подтвердили, что крошечный спутник пережил запуск и успешно вышел на курс вокруг нашей планеты. Месяцем позже Советский Союз запустил на орбиту «Спутник-2». Внутри капсулы была собака Лайка.
В декабре 1957 года, отчаянно пытаясь идти в ногу со своими противниками по холодной войне, американские ученые попытались вывести спутник на орбиту вместе с планетой Vanguard. К сожалению, ракета разбилась и сгорела еще на стадии взлета. Вскоре после этого, 31 января 1958 года, США повторили успех СССР, приняв план Вернера фон Брауна, который заключался в выводе спутника Explorer-1 с ракетой U.S. Redstone. Explorer-1 нес инструменты для обнаружения космических лучей и обнаружил в ходе эксперимента Джеймса Ван Аллена из Университета Айовы, что космических лучей гораздо меньше, чем ожидалось. Это привело к открытию двух тороидальных зон (в конечном счете названных в честь Ван Аллена), наполненных заряженными частицами, захваченными магнитным полем Земли.
Воодушевленные этими успехами, некоторые компании начали разрабатывать и запускать спутники в 60-х годах. Одной из них была Hughes Aircraft вместе со звездным инженером Гарольдом Розеном. Розен возглавил команду, которая воплотила идею Кларка — спутник связи, размещенный на орбите Земли таким образом, что мог отражать радиоволны из одного места в другое. В 1961 году NASA заключило контракт с Hughes, чтобы построить серию спутников Syncom (синхронная связь). В июле 1963 года Розен и его коллеги увидели, как Syncom-2 взлетел в космос и вышел на грубую геосинхронную орбиту. Президент Кеннеди использовал новую систему, чтобы поговорить с премьер-министром Нигерии в Африке. Вскоре взлетел и Syncom-3, который на самом деле мог транслировать телевизионный сигнал.
Эпоха спутников началась.
Какая разница между спутником и космическим мусором?
Техногенные объекты, вроде «Спутника» и Explorer, также можно классифицировать как спутники, поскольку они, как и луны, вращаются вокруг планеты. К сожалению, человеческая активность привела к тому, что на орбите Земли оказалось огромное количество мусора. Все эти куски и обломки ведут себя как и крупные ракеты — вращаются вокруг планеты на высокой скорости по круговому или эллиптическому пути. В строгом толковании определения можно каждый такой объект определить как спутник. Но астрономы, как правило, считают спутниками те объекты, которые выполняют полезную функцию. Обломки металла и другой хлам попадают в категорию орбитального мусора.
Орбитальный мусор поступает из многих источников:
NASA вывело специальный спутник под названием LDEF для изучения долгосрочных эффектов от столкновения с космическим мусором. За шесть лет инструменты спутника зарегистрировали около 20 000 столкновений, некоторые из которых были вызваны микрометеоритами, а другие орбитальным мусором. Ученые NASA продолжают анализировать данные LDEF. А вот в Японии уже планируют развернуть гигантскую сеть для отлова космического мусора.
Что внутри обычного спутника?
У всех спутников есть источник питания (обычно солнечные батареи) и аккумуляторы. Массивы солнечных батарей позволяют заряжать аккумуляторы. Новейшие спутники включают и топливные элементы. Энергия спутников очень дорога и крайне ограничена. Ядерные элементы питания обычно используются для отправки космических зондов к другим планетам.
У всех спутников есть бортовой компьютер для контроля и мониторинга различных систем. У всех есть радио и антенна. Как минимум, у большинства спутников есть радиопередатчик и радиоприемник, поэтому экипаж наземной команды может запросить информацию о состоянии спутника и наблюдать за ним. Многие спутники позволяют массу различных вещей: от изменения орбиты до перепрограммирования компьютерной системы.
Как и следовало ожидать, собрать все эти системы воедино — непростая задача. Она занимает годы. Все начинается с определения цели миссии. Определение ее параметров позволяет инженерам собрать нужные инструменты и установить их в правильном порядке. Как только спецификация утверждена (и бюджет), начинается сборка спутника. Она происходит в чистой комнате, в стерильной среде, что позволяет поддерживать нужную температуру и влажность и защищать спутник во время разработки и сборки.
Искусственные спутники, как правило, производятся на заказ. Некоторые компании разработали модульные спутники, то есть конструкции, сборка которых позволяет устанавливать дополнительные элементы согласно спецификации. К примеру, у спутников Boeing 601 было два базовых модуля — шасси для перевозки двигательной подсистемы, электроника и батареи; и набор сотовых полок для хранения оборудования. Эта модульность позволяет инженерам собирать спутники не с нуля, а с заготовки.
Как спутники запускаются на орбиту?
В большинстве запусков спутников запуск ракеты происходит прямо вверх, это позволяет быстрее провести ее через толстый слой атмосферы и минимизировать расход топлива. После того, как ракета взлетает, механизм управления ракеты использует инерциальную систему наведения для расчета необходимых корректировок сопла ракеты, чтобы обеспечить нужный наклон.
После того как ракета выходит в разреженный воздух, на высоту около 193 километров, система навигации выпускает небольшие ракетки, чего достаточно для переворота ракеты в горизонтальное положение. После этого выпускается спутник. Небольшие ракеты выпускаются снова и обеспечивают разницу в расстоянии между ракетой и спутником.
Орбитальная скорость и высота
Ракета должна набрать скорость в 40 320 километров в час, чтобы полностью сбежать от земной гравитации и улететь в космос. Космическая скорость куда больше, чем нужно спутнику на орбите. Они не избегают земной гравитации, а находятся в состоянии баланса. Орбитальная скорость — это скорость, необходимая для поддержания баланса между гравитационным притяжением и инерциальным движением спутника. Это примерно 27 359 километров в час на высоте 242 километра. Без гравитации инерция унесла бы спутник в космос. Даже с гравитацией, если спутник будет двигаться слишком быстро, его унесет в космос. Если спутник будет двигаться слишком медленно, гравитация притянет его обратно к Земле.
Орбитальная скорость спутника зависит от его высоты над Землей. Чем ближе к Земле, тем быстрее скорость. На высоте в 200 километров орбитальная скорость составляет 27 400 километров в час. Для поддержания орбиты на высоте 35 786 километров спутник должен обращаться со скорость 11 300 километров в час. Эта орбитальная скорость позволяет спутнику делать один облет в 24 часа. Поскольку Земля также вращается 24 часа, спутник на высоте в 35 786 километров находится в фиксированной позиции относительно поверхности Земли. Эта позиция называется геостационарной. Геостационарная орбита идеально подходит для метеорологических спутников и спутников связи.
В целом, чем выше орбита, тем дольше спутник может оставаться на ней. На низкой высоте спутник находится в земной атмосфере, которая создает сопротивление. На большой высоте нет практически никакого сопротивления, и спутник, как луна, может находиться на орбите веками.
Типы спутников
Полярно-орбитальные спутники также проходят через полюсы с каждым оборотом, хотя их орбиты менее эллиптические. Полярные орбиты остаются фиксированными в космосе, в то время как вращается Земля. В результате, большая часть Земли проходит под спутником на полярной орбите. Поскольку полярные орбиты дают прекрасный охват планеты, они используются для картографирования и фотографии. Синоптики также полагаются на глобальную сеть полярных спутников, которые облетают наш шар за 12 часов.
Можно также классифицировать спутники по их высоте над земной поверхностью. Исходя из этой схемы, есть три категории:
И наконец, можно подумать о спутниках в том смысле, где они «ищут». Большинство объектов, отправленных в космос за последние несколько десятилетий, смотрят на Землю. У этих спутников есть камеры и оборудование, которое способно видеть наш мир в разных длинах волн света, что позволяет насладиться захватывающим зрелищем в ультрафиолетовых и инфракрасных тонах нашей планеты. Меньше спутников обращают свой взгляд к пространству, где наблюдают за звездами, планетами и галактиками, а также сканируют объекты вроде астероидов и комет, которые могут столкнуться с Землей.
Известные спутники
Однако есть настоящие герои орбиты. Давайте с ними познакомимся.
Сколько стоят спутники?
Строительство такой сложной машины требует массы ресурсов, поэтому исторически только правительственные ведомства и корпорации с глубокими карманами могли войти в спутниковый бизнес. Большая часть стоимости спутника лежит в оборудовании — транспондерах, компьютерах и камерах. Обычный метеорологический спутник стоит около 290 миллионов долларов. Спутник-шпион обойдется на 100 миллионов долларов больше. Добавьте к этому стоимость содержания и ремонта спутников. Компании должны платить за пропускную полосу спутника так же, как владельцы телефонов платят за сотовую связь. Обходится иногда это более чем в 1,5 миллиона долларов в год.
Другим важным фактором является стоимость запуска. Запуск одного спутника в космос может обойтись от 10 до 400 миллионов долларов, в зависимости от аппарата. Ракета Pegasus XL может поднять 443 килограмма на низкую околоземную орбиту за 13,5 миллиона долларов. Запуск тяжелого спутника потребует большей подъемной силы. Ракета Ariane 5G может вывести на низкую орбиту 18 000-килограммовый спутник за 165 миллионов долларов.
Несмотря на затраты и риски, связанные с постройкой, запуском и эксплуатацией спутников, некоторые компании сумели построить целый бизнес на этом. К примеру, Boeing. В 2012 году компания доставила в космос около 10 спутников и получила заказы на более чем семь лет, что принесло ей почти 32 миллиарда долларов дохода.
Будущее спутников
Другое решение — сокращение размера и сложности спутников. Ученые Калтеха и Стэнфордского университета с 1999 года работают над новым типом спутника CubeSat, в основе которого лежат строительные блоки с гранью в 10 сантиметров. Каждый куб содержит готовые компоненты и может объединиться с другими кубиками, чтобы повысить эффективность и снизить нагрузку. Благодаря стандартизации дизайна и сокращению расходов на создание каждого спутника с нуля, один CubeSat может стоить всего 100 000 долларов.
В апреле 2013 года NASA решила проверить этот простой принцип и запустило три CubeSat на базе коммерческих смартфонов. Цель состояла в том, чтобы вывести микроспутники на орбиту на короткое время и сделать несколько снимков на телефоны. Теперь агентство планирует развернуть обширную сеть таких спутников.
Будучи большими или маленькими, спутники будущего должны быть в состоянии эффективно сообщаться с наземными станциями. Исторически сложилось так, что NASA полагалось на радиочастотную связь, но РЧ достигла своего предела, поскольку возник спрос на большую мощность. Чтобы преодолеть это препятствие, ученые NASA разрабатывают систему двусторонней связи на основе лазеров вместо радиоволн. 18 октября 2013 года ученые впервые запустили лазерный луч для передачи данных с Луны на Землю (на расстоянии 384 633 километра) и получили рекордную скорость передачи в 622 мегабита в секунду.
Процесс запуска спутника и вывода на орбиту земли
Запуск спутника в космос ознаменовался новой эрой и стал прорывом в области техники и космонавтики. Необходимость создания спутника определилась ещё в начале двадцатого века. Однако с самого начала на пути запуска спутника в космическое пространство стояло множество проблем, над которыми трудились самые лучшие инженеры и учёные. Эти проблемы были связаны с необходимостью создания двигателей, способных работать в тяжелейших условиях и при этом, они должны быть необычайно мощными. Так же проблемы были связаны с правильным определением траектории движения спутника.
Итак, советские ученые решили поставленные задачи, и 4 октября 1957 года в СССР успешно был запущен искусственный спутник, за движением которого наблюдал весь мир. Это событие стало мировым прорывом и обозначило новый этап, как в науке в целом, так и во всем мире.
Спутник на орбите земли
Прямая трансляция запуска Союз-Прогресс (миссия к МКС)
Задачи, решаемые спутником
Задачи, решаемые запуском спутника можно определить как следующие:
1. Изучение климата;
Всем известно, какое влияние климат оказывает на сельское хозяйство, на военную инфраструктуру. Благодаря спутникам можно предсказать появление разрушающих стихий, избежать большого количества жертв.
2. Изучение метеоритов;
В космическом пространстве находится огромное количество метеоритов, вес которых достигает нескольких тысяч тонн. Метеориты могут представлять опасность не только для спутников, космических кораблей, но и для людей. Если при пролете метеорита сила трения невелика, то несгоревшая часть способна достигнуть Земли. Диапазон скорости метеоритов достигает от 1220 м/сек до 61000 м/сек.
3. Применение телевизионного вещания;
В настоящее время роль телевидения велика. В 1962 году был запущен первый телевизионный транслятор, благодаря ему мир впервые увидел видеокадры через Атлантику в течение нескольких минут.
Система GPS играет огромную роль почти в каждой сфере нашей жизни. GPS подразделяется на гражданскую и военную. Она представляет собой электромагнитные сигналы, излучаемые в радиоволновом участке спектра антенной, установленной на каждом из спутников. Состоит из 24 спутников, которые находятся на месте орбиты на высоте 20200 км. Время обращения вокруг Земли составляет 12 часов.
Телекоммуникационный спутник “Арабсат-5Б”
Запуск спутников и выход их на орбиту
Для начала важно обозначит траекторию полета спутника. На первый взгляд, кажется, что логичнее запустить ракету перпендикулярно (по кратчайшему расстоянию до цели), однако, такой вид запуска оказывается невыгодным, как с инженерной точки зрения, так и с экономической. На спутник, запущенный вертикально действуют силы притяжения Земли, которые значительно сносят её от назначенной траектории, и, сила тяги становится равной силе тяжести Земли.
Чтобы избежать падения спутника, сначала, его запускают вертикально, чтобы он смог преодолеть упругие слои атмосферы, такой полет продолжается на протяжении всего 20 км. Далее спутник с помощью автопилота наклоняется и в горизонтальном направлении движется к орбите.
Кроме того, задача инженеров состоит в том, чтобы рассчитать траекторию полета таким образом, чтобы скорость, затрачиваемая на преодоление атмосферных слоёв, а так же на затрату топлива составляли лишь несколько процентов от характеристической скорости.
Траектория выхода ракеты-носителя к орбите
Немаловажным является и то, в какую сторону запустить спутник. При запуске ракеты в сторону вращения Земли, происходит приращение скорости, которое зависит от местоположения запуска. Например, в экваторе оно является максимальным и составляет 403 м/с.
Орбиты спутников бывают круговыми и эллиптическими. Эллиптической орбита будет являться в том случае, если скорость ракеты будет выше окружной. Точка, находящаяся в ближайшем положении называется перигеем, а наиболее отдаленная апогеем.
Сам запуск ракеты со спутником производится в несколько ступеней. При прекращении работы двигателя первой ступени, угол наклона ракета-носителя составит 45 градусов, на высоте 58 км, затем производится её отделение. В работу включаются двигатели второй ступени, с возрастанием угла наклона. Далее, вторая ступени отделяется на высоте 225 км. Затем, ракета по инерции достигает высоты 480 км и оказывается в точке, находящейся на расстоянии 1125 км от старта. Затем начинает работать двигатели третьей ступени.
Ракета-носитель со ступенями
Возвращение спутника на землю
Возвращение спутника на Землю сопровождается некоторыми проблемами, связанными с торможением. Торможение может осуществляться двумя способами:
Заключение
Итак, спутники всего за полвека вошли в жизнь человека. Их участие помогает исследовать новые космические пространства. Спутник, как средство бесперебойной связи помогает сделать удобной повседневную жизнь людей. Прокладывающие путь в космические просторы, они помогают сделать нашу жизнь такой, какая она есть сейчас.
Сложности выхода на орбиту, особенности траекторий и анализ подходящих двигателей: большая статья о космосе
Научный анализ классических тонкостей и разбор перспективных теорий и идей.
Космос, последний рубеж. Ровно 60 лет назад человек впервые отправился преодолевать его. Как тогда, так и сейчас для отрыва от поверхности используются химические двигатели, в основе их работы лежит реакция горения, в результате которой высвобождается огромное количество газа, который с реактивной силой вырывается из сопла. В этой статье мы поговорим о запусках, двигателях и о том, как человек полетит к звёздам.
Для начала нам нужно разобраться с двумя терминами: тяговооружённость и удельный импульс. Никакой сложной теории, только примеры.
Тяговооружённость — это соотношение, которое определяет мощность двигателей аппарата по отношению к его собственному весу. Другими словами от этого показателя зависит то как быстро ракета будет разгоняться, например от 0 до 100. Этот показатель крайне важен для того, чтобы оторваться от Земли и набрать первоначальное ускорение. Так ракета с тяговооружённостью меньше 1 вообще не сможет оторваться от поверхности
Если аппарату необходимо выйти на стабильную орбиту, или совершить безопасную посадку на текущее небесное тело без использования парашютов, тогда его двигатели должны выдавать больше тяги, чем его текущий вес для противодействия гравитации. Так ракета с тяговооружённостью меньше 1 вообще не сможет оторваться от поверхности или сбросить скорость для посадки. Ещё одна важная особенность, что за время полёта ракета становится легче(за счёт расхода топлива), а значит тяговооружённость растёт. Также для каждого небесного тела у аппарата будет своя тяговооружённость, которая зависит от его сил тяжести(т.е на Луне одинаковый двигатель будет работать в 6 раз мощнее, чем на Земле).
Удельный импульс — определяет эффективность двигателя, связанную с расходом топлива на ускорение.
Чем больше удельный импульс, тем меньше времени работы двигателя нужно для изменение скорости, а значит меньше расходуется топливо и его хватит на дольше. А что это значит? Значит мы сможешь разогнаться до больших скоростей!
Тут мы и приходим к такой важной вещи как характеристическая скорость(Δv). Она показывает какое суммарное изменение скорости может совершить аппарат перед тем, как у него кончится топливо.
Мы с вами привыкли мыслить земными категориями: вот я еду на машине, машину затормаживает сила трения о землю, поэтому мне надо постоянно поддерживать работу двигателя, чтобы продолжать движение, иначе я остановлюсь. Но в космосе нет дороги. Там вообще ничего нет, а значит и ничто не будет тормозить, мешать двигаться, но и ничто не поможет мне затормозить. На машине я могу просто выключить двигатель и она рано или поздно остановится, проехав ещё какое-то время по иннерции, в космосе тормозить придётся самому. Т.е вам нужно развернуть вашу «машину» в обратном направлении и включить двигатель, чтобы притормозить. Именно все эти изменения скорости закладываются в Δv.
Теперь, когда мы немного вспомнили теорию, перейдём к практике.
Химические ракетные двигатели. Это то, на чём мы летаем сейчас. Принцип не меняется: горючее горит, окислитель поддерживает реакцию горения, образуется газ, газ вырывается их сопла, ракета летит. Эта технология будет использоваться ещё очень долго, здесь прорыв пока что ждать не стоит, поэтому поговорим не о двигателях, а о системах запуска.
Это запуск с космодрома. Ракета стоит на стартовом столе, всю работу принимают на себя маршевые двигатели первой ступени, ничего нового для себя вы здесь не увидите.
Здесь уже поинтереснее: ракетоноситель доставляется на необходимую высоту самолётом. Обычно такой способ используется для с суборбитальных полётов или вывода небольших спутников. Так российский самолёт АН-124-100 «Руслан» может вывести для запуска 100-тонную ракету, полезный груз которой варьируется от 1 до 2 тонн.
Чем же хороша такая система?
На ракету при старте, помимо гравитации действует ещё и сила сопротивления воздуха. Возле поверхности плотность атмосферы достаточно высока, поэтому нужен больший расход топлива, чтобы преодолеть этот участок, в то время как можно доставлять ракеты на высоту, где воздух уже достаточно разрежен, но самолёт всё ещё может летать.
Вторым преимуществом воздушного старта является возможность совершать запуски из любой точки Земли, в то время как космодромы железо-бетонно не могут изменить своё местоположение. Правильное место может помочь сэкономить огромное количество топлива на орбитальных манёврах.
Этот способ уже сейчас применяется для отправки небольших грузов на орбиту Земли., а в перспективе может стать основным
Этот проект разрабатывался международным консорциумом и предполагал плавучую платформу, которая была заякорена на экваторе. С 1999 по 2014 годы было совершено 36 запусков(32 полностью успешных), потом проект заморожен в связи с банкротством и выкуплен полностью российской стороной. Банкротство было связно с тем, что не удалось обеспечить интенсивность запусков за один заход на стартовую позицию. Сейчас весь проект проходит стадию модернизации в Роскосмосе.
Главным преимуществом морского старта также является мобильность точки запуска.
24 августа 2020 года на форуме «Армия-2020» вице-премьер Юрий Борисов сообщил СМИ, что «Морской старт» будет восстановлен, на что потребуется около 35 млрд рублей. Также Борисов сообщил, что проект сможет выйти на прибыльность при условии осуществления до 5 запусков год
Далее речь пойдёт о безракетных запусках, в них не используются привычные нам ракеты, а сами они пока не используются по различным причинам, однако они не являются чем-то из области научной фантастики.
Это инженерное сооружение представляет собой огромный трос, протянутый между точкой на земле и телом, при этом центр масс системы должен находиться на геостационарной орбите. Геостационарная орбита — это такая орбита, при движении по которой тело всегда находится над одной и той же точкой Земли. Впервые идея была предложена ещё Циолковским, сейчас проект оценивается в 10 млрд долларов, но он может удешевить стоимость доставки грузов почти в 150 раз (с 7000$ за кг до 50$).
Основной проблемой является прочность троса. Он должен быть способен выдержать движение многотонных грузов и атмосферное давление. Также очень вероятны постоянные столкновения с космическим мусором: потерянные спутники, остатки ракет и мелкие астероиды летают на орбите Земли с разными скоростями. А теперь представьте столкновение троса и булыжника, которые мчатся друг на друга со скоростью 8 км/с каждый.
Если удастся решить проблему прочности, то лифта может быть построен уже к 2050 году Японией или Китаем.
Этот проект чем-то похож на космический лифт, но по сравнению с ним все технологии для реализации уже есть.
Skyhook представляет собой станцию-маховик на орбите Земли, от которого отходят с противоположные стороны два длинных троса, и который вращается в плоскости орбиты.
На данный момент не получилось совершить ни одного удачного запуска на орбиту.
На этом с доставкой на орбиту мы закончили. В следующей части поговорим уже о межпланетных и межзвёздных полётах.
Когда вы в космосе, вы должны забыть о том, как двигаетесь по поверхности, чтобы попасть из точки А в точку В. В космосе обе эти точки находятся на орбите в постоянном движении относительно друг друга. Вы не можете просто нацелиться на Марс и полететь к нему, вам нужно изменить орбиту своего аппарата так, чтобы она пересеклась с орбитой Марса в точке, в которой будет находиться Марс в момент пересечения. Звучит сложно? Вот картинка:
Это простой манёвр, требует всего одного включения двигателей для ускорения и одного для торможения. Заметьте, что если бы Марс и Земля находились в других положениях, пришлось бы набирать большую скорость, для того, чтобы траектория пересекла орбиту Марса и тот успел прийти в точку встречи. Выглядит это примерно так:
Теперь вы понимаете как работают орбиты? А теперь поговорим о том, на чём мы летаем.
Применение здесь нашёл как мирный атом, так и бомбы. Особо примечательны проекты Орион и NERVA, существовавшие в 1960-70-ых годах.
Но были и попытки применить эту идею для межзвездных путешествий. По расчёт такой корабль мог бы достичь 3% скорости света за 10 дней при среднем ускорении в 1g. При такой скорости он бы достиг Альфы Центавры за 130 лет.
К сожалению весь проект «Орион» очень грязный. Постоянные взрывы зарядов приводят к выделению огромного количества радиации, так что запускать его с Земли нельзя, не хотелось бы загрязнять и орбиту.
NERVA должен был доставить человека на Марс к 1978 году, а в 1981 году участвовать в строительстве лунной базы, но проект был закрыт в связи с общим сокращением финансирования космической программы.
Подробнее про другие концепции ядерных двигателей вы можете почитать здесь.
Так называют большое семейство двигателей, в которых для получения тяги используется электричество.
Корабль с такими двигателями должен обладать мощной энергоустановкой. Сейчас это в основном солнечные панели, но на большом удалении от Солнца или других звёзд они недостаточно эффективны, поэтому нужны другие источники: ритэги или ядерные реакторы.
С 2011 года существовал проект по снабжению МКС электромагнитным двигателем, но он был закрыт т.к МКС является не лучшим местом для демонстрации его работы.
Ионные двигатели были впервые испытаны ещё в далёком 1964 году. В основе их работы лежит принцип ионизации газа, который разгоняется при помощи электромагнитного поля и выдаёт тягу. Рабочим телом является почти любой инертный газ: ксенон, аргон, криптон и т.д. Время стабильной непрерывной работы оценивается в 3 года.
Ионные двигатели обладают очень высоким удельным импульсом, но крайне низкой тягой. Т.е от 0 до 100 они будут разгоняться от нескольких часов, до дней, но зато они могут разогнаться и до 1000, и до 10000, если дать им достаточно времени. Благо полёты это дело долгое.
Они же двигатели на эффекте Холла. Холловский двигатель состоит из кольцевой камеры между анодом и катодом, вокруг которой расположены магниты. С одной стороны в камеру подаётся рабочее тело, с другой стороны происходит истекание плазмы. Нейтрализация положительного заряда плазмы производится электронами, эмитируемыми с катода.
Принцип работы похож, но при равных размерах эти двигатели выдают больше тяги.
Спутники Starlink также снабжены небольшими ионными двигателями, которые позволят им корректировать орбиту и избегать столкновений с космическим мусором.
Ещё не устали читать?
Закончим статью проектом межзвёздного полёта.
Амбициозный проект по отправке множества зондов к одной из ближайших звёзд. В его реализации участвуют различные иностранные партнёры, в том числе Марк Цукерберг. Предполагается, что первый аппарат можно будет запустить уже через 15 лет, а стоимость всей программы составит 5-10 млрд. долларов.
Зонды Starshot будут представлять собой миниатюрные аппараты со складным солнечным парусом. Выводиться на орбиту они будут традиционным способом, а уже с орбиты начинать ускорение при помощи мощной лазерной установки, находящейся на Земле.
Таким образом аппараты могут быть ускорены до 20% скорости света, и тогда полет до Альфы Центавры составит всего 20 лет. У зондов нет своей двигательной системы, поэтому они не смогут затормозить или выйти на орбиту после ускорения. Также они не смогут уклониться от космических объектов или пылевых скоплений, поэтому не все долетят до цели. После пролёта и сбора данных информация будет отправлена на Землю. Получить мы её сможем только спустя 4 года.
Это одна из основных проблем: зонд должен быть способен отправить сигнал обратно на Землю в одну конкретную точку за миллиарды километров. «Пятно» от такого сигнала будет очень маленьким и его будет сложно поймать, но для этого можно будет использовать как раз построенную лазерную установку.
Вторая проблема это лазерная установка. По предварительным расчётам она будет занимать площадь диаметром 1 километр и будет самой дорогой частью проекта. Потребление электроэнергии установкой сравнимо с выработкой 15 ГЭС, но это будет кратковременное включение примерно на 2 минуты. Также в будущем эту установку можно будет использовать заново.
Третье проблема пока что труднорешаемая. Нужно изготовить идеальный солнечный парус: тонкий, но прочный и с идеальным коэффициентов отражения. Уже есть несколько решений, которые будут испытываться.
Хоть проект и нацелен на звезды, испытывать его сначала будут в пределах Солнечной системы. Если тесты пройдут хорошо, то зонды смогут долететь до Марса за 1 час, но вот как их тормозить в таком случае? Ответа на этот вопрос я не нашёл, но думаю будет применяться та же лазерная установка, но в обратную сторону.
Я попытался рассказать вам о многом в одной статье. Изначально текст задумывался как лонгрид про межзвёздные полеты и их проблемы, но в итоге вышла вот такая сборная солянка. Моей целью было рассказать вам что-то новое, о чем вы могли не слышать или не понимать. Космос это интересно! Это один из главных двигателей науки сейчас. С днём космонавтики!
Если вы нашли ошибки, неточности, пишите!