Kosmiczne tunele i żelazo na głowie, czyli po co nam kosmodrom Wostoczny

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-16 16:14

Któregoś dnia poproszono mnie o zapoznanie się z infografiką RIA Novosti, poświęconą pierwszemu wystrzeleniu z kosmodromu Vostochny. I będzie jedno duże uproszczenie ze względu na ograniczenia formatu materiału. W rzeczywistości kosmodrom Wostoczny nie jest nam potrzebny, ponieważ większość cywilnych startów odbywa się z kosmodromu Bajkonur.

Aby jednak wyjaśnić, po co nam to, będziemy musieli wyjaśnić, dlaczego orbitę statku kosmicznego można porównać do tunelu, a także wyjaśnić, jakie „żelazo” spada z nieba i na kogo spada.

Tunel na niebie

Fizyka ruchu orbitalnego jest całkowicie sprzeczna z intuicją. Jest to raczej przeciwieństwo tego, co wyobraża sobie zwykły człowiek. I nawet dobre filmy, pozornie dążące do realizmu, dają zupełnie błędne wyobrażenie o tym, jak latają satelity i statki kosmiczne. Pamiętacie "Grawitację", która słynna przeleciała z Hubble'a na ISS, a potem na chińską stację? Nawet jeśli odrzucimy różnicę w wysokościach orbit, jeden parametr ruchu orbitalnego zabija nawet najmniejszą szansę na takie loty. Ten parametr nazywa się „nachyleniem orbity”.

Nachylenie orbityjest kątem między płaszczyzną orbity satelity a płaszczyzną równika (dla satelity Ziemi)

Na przykład w przypadku „Gravity” obraz będzie wyglądał tak:

A fakt, że płaszczyzny orbit w ogóle się nie pokrywają, nie stanowi problemu. Prawdziwym problemem jest to, że dla małej orbity kołowej (a Hubble, ISS, Tiangong i masa innych satelitów mają niską orbitę kołową) zmiana nachylenia jest bardzo kosztowna. Aby „obrócić” orbitę o 45°, będziemy musieli zmienić naszą prędkość o około 8 km/s, czyli tyle samo, ile potrzebowaliśmy do wejścia na orbitę. A zmiana prędkości to strata paliwa i resetowanie etapów. Oznacza to, że jeśli rakieta o masie 300 ton wyniesie 7 ton na orbitę, to po zmianie nachylenia o 45 ° pozostanie tylko 150 kilogramów. W rzeczywistości każdy orbiter leci w niewidzialnym tunelu, którego średnica zależy od jego zdolności do zmiany prędkości. Dlatego podczas wystrzeliwania satelitów starają się natychmiast doprowadzić je do pożądanego nachylenia.

Ubite drogi

Jakie nachylenie stosuje się w istniejących orbiterach? Obecnie na orbicie Ziemi znajduje się wiele satelitów:

Jeśli przyjrzysz się uważnie, zobaczysz, że na niektórych orbitach jest więcej satelitów. Oto zdjęcie przedstawiające ruch satelitów względem Ziemi:

Orbita geostacjonarna (Zielony). Jest to orbita kołowa o wysokości 36 000 km i nachyleniu 0 °. Satelita na nim znajduje się powyżej jednego punktu na powierzchni ziemi, dlatego na zdjęciu prawidłowa orbita geostacjonarna jest oznaczona zieloną kropką. Zielone pętle to uszkodzone satelity lub brak paliwa. Orbita geostacjonarna znajduje się pod niepokojącym wpływem księżyca i musisz wydać paliwo, aby pozostać w miejscu. Orbitę tę zamieszkują satelity telekomunikacyjne, które są opłacalne, więc już teraz trudno jest na niej znaleźć wolne miejsca.

Orbity GLONAS / GPS (niebieski i czerwony). Orbity te mają wysokość około 20 000 kilometrów i nachylenie około 60 °. Jak sama nazwa wskazuje, przenoszą satelity nawigacyjne.

Orbity polarne (żółty). Orbity te są nachylone w zakresie 90 °, a wysokość zwykle nie przekracza 1000 km. W takim przypadku satelita będzie przelatywał nad biegunami co obrót i zobaczy całe terytorium Ziemi. Osobnym podgatunkiem takich orbit są orbity synchroniczne ze słońcem o wysokości 600-800 km i nachyleniu 98 °, w których satelity przelatują nad różnymi częściami Ziemi w przybliżeniu w tym samym czasie lokalnym. Orbity te wymagają satelitów meteorologicznych, mapujących i rozpoznawczych.

Ponadto należy zwrócić uwagę na orbitę ISS o wysokości 450 km i nachyleniu 51,6 °.

Geografia bez serca

No cóż, ustaliliśmy nastroje, powie czytelnik. A gdzie kosmodrom? Faktem jest, że istnieje takie nieprzyjemne prawo fizyczne:

Początkowe nachylenie orbity nie może być mniejsze niż szerokość geograficzna kosmodromu

Dlaczego? Wszystko staje się jaśniejsze, jeśli na mapie Ziemi narysujemy trajektorię satelity:

Jeśli zaczynamy od Bajkonuru, zaczynamy przyspieszać na wschód, otrzymujemy orbitę o nachyleniu na szerokości Bajkonur, 45 ° (czerwony). Jeśli zaczniemy przyspieszać na północny wschód, to najbardziej wysunięty na północ punkt orbity będzie na północ od Bajkonuru, czyli nachylenie będzie większe (żółte). Jeśli spróbujemy oszukać i zaczniemy przyspieszać na południowy wschód, wynikowa orbita nadal będzie miała najbardziej wysunięty na północ punkt na północ od Bajkonuru i znowu większe nachylenie (niebieski).

Ale taka orbita jest fizycznie niemożliwa, ponieważ nie przechodzi przez środek masy Ziemi. Dokładniej, nie można latać z wyłączonym silnikiem. Możesz przez jakiś czas przebywać na takiej orbicie przy pracującym silniku, ale paliwo wyczerpie się bardzo szybko.

Tak więc, jeśli chcemy wystrzelić satelity na orbitę geostacjonarną nie z równika, musimy jakoś zresetować nachylenie orbity, zużywając paliwo. To właśnie te koszty wyjaśniają, dlaczego ta sama rakieta Sojuz-2.1a z powodzeniem wystrzeliwuje satelity na orbitę geostacjonarną z kosmodromu Kuru w pobliżu równika, ale nie jest wykorzystywana do tych zadań z Bajkonuru.

Rosja to kraj północny. A jeśli satelity można bezpiecznie wystrzelić na orbity polarne i GLONASS z Plesiecka, który znajduje się na szerokości geograficznej 63 °, to dla orbity geostacjonarnej im dalej na południe znajduje się kosmodrom, tym lepiej. I tu pojawia się drugi problem – nie każde terytorium nadaje się na kosmodrom.

Wejdź na kumpol

Wszystkie współczesne rakiety, wystrzeliwując satelitę, zrzucają zużyte stopnie i owiewki przednie, które spadają na Ziemię. Jeśli miejsce katastrofy znajduje się w innym kraju, musisz negocjować z tym krajem przy każdym uruchomieniu. Dlatego na przykład minimalne nachylenie kosmodromu Bajkonur nie wynosi 45 °, ale 51 °, bo inaczej drugi etap spadnie do Chin:

A w miejscu, w którym padł pierwszy etap, trzeba negocjować z Kazachstanem i płacić za użytkowanie tych terenów. Czasami pojawiają się problemy i wystrzelenie satelitów jest opóźnione. Obszary upadku muszą być wyobcowane dość duże:

A w europejskiej części Rosji nie ma dobrych miejsc na kosmodrom. Bawiłem się mapami, na Kaukazie można robić uniki i próbować startować z rejonu Mozdok, ale nawet wtedy trzeba będzie postarać się, aby drugie etapy nie wpadły do Kazachstanu. Jeśli wystrzelisz rakietę z Krymu, pierwszy etap spadnie na zaludnione tereny w pobliżu Rostowa nad Donem, a drugi etap ponownie będzie dążył do wpadnięcia na Kazachstan. I to nie biorąc pod uwagę problemów infrastrukturalnych w obu opcjach. Na tym tle przyjrzysz się inklinacjom dostępnym dla amerykańskich portów kosmicznych i pożałujesz bezduszności fizyki i geografii.

Ale mamy też wschodnie wybrzeże. A jeśli umieścimy tam kosmodrom, będzie można znaleźć odległe obszary upadku zużytych etapów dla najbardziej pożądanych inklinacji: 51, 6 ° (do ISS i orbity geostacjonarnej), 64, 8 ° (GLONASS, niektóre satelity wykrywające Ziemię), 98 ° (na orbicie polarnej).

Jeszcze raz teza

Kosmodrome Vostochny umożliwi nam wystrzelenie ładunków na orbitę geostacjonarną i do ISS bez konieczności koordynowania tych startów z innymi krajami i płacenia im za korzystanie z obszarów wykluczonych. Znajduje się w południowej części kraju i zapewnia początkowe nachylenie orbity nie gorsze niż Bajkonur. Budowa kompleksu startowego dla nowego pojazdu startowego Angara na Bajkonurze jest nieracjonalna (po raz kolejny koordynacja startów i obszarów zderzenia), ale z Vostochny zapewni nie mniejszą ładowność.

Miły drobiazg: nowy kompleks startowy z wieżą serwisową, jak w Kourou, umożliwi wystrzeliwanie zachodnich ładunków, które muszą być zamontowane na pojeździe startowym w pozycji pionowej.

Premia to także rozwój infrastruktury, impuls do rozwoju terytorium, miasto nauki i tak dalej.

UPD: infografika się. Szkoda, nie mieliśmy czasu na przerysowanie rozmieszczenia satelitów. Wciąż bardzo krótko staraliśmy się wyjaśnić, co tu jest napisane. Moim zdaniem wyszło ładnie.