Космически тунели и желязо на главата или защо се нуждаем от космодрума Vostochny

2024 Автор: Seth Attwood | [email protected]. Последно модифициран: 2023-12-16 15:58

Онзи ден ме помолиха да се консултирам с инфографиката на РИА Новости, посветена на първото изстрелване от космодрума Восточный. И ще има едно голямо опростяване поради ограниченията на формата на материала. Всъщност ние не се нуждаем от космодрума Восточный, защото по-голямата част от гражданските изстрелвания се извършват от космодрума Байконур.

Но за да обясним защо се нуждаем от него, ще трябва да кажем защо орбитата на космически кораб може да се сравни с тунел, както и да обясним какво „желязо“пада от небето и върху кого пада.

Тунел в небето

Физиката на орбиталното движение е напълно противоинтуитивна. По-скоро е обратното на това, което си представя обикновеният човек. И дори добрите филми, привидно стремящи се към реализъм, дават напълно погрешна представа за това как летят спътници и космически кораби. Спомняте ли си "Гравитация", която прочуто лети от Хъбъл до МКС, а след това до китайската станция? Дори и да отхвърлим разликата в орбиталните височини, един параметър на орбиталното движение убива дори най-малкия шанс за такива полети. Този параметър се нарича "орбитален наклон".

Наклон на орбитата е ъгълът между равнината на орбитата на спътника и равнината на екватора (за спътник на Земята)

Например, за случая на "Гравитация" картината ще бъде така:

А това, че равнините на орбитите изобщо не съвпадат не е проблем. Истинският проблем е, че за ниска кръгова орбита (а Хъбъл, МКС, Тиангонг и масата на други спътници са ниска кръгова орбита) промяната в наклона е много скъпа. За да „завъртим“орбитата с 45°, ще трябва да променим скоростта си с около 8 km/s, колкото ни е необходимо, за да влезем в орбита. А промяната на скоростта е загуба на гориво и нулиране на етапите. Тоест, ако ракета с маса 300 тона изведе 7 тона в орбита, тогава след промяна на наклона с 45 ° ще останат само 150 килограма. Всъщност всеки орбитален апарат лети вътре в невидим тунел, чийто диаметър зависи от способността му да променя скоростта си. Ето защо, когато изстрелват спътници, те се опитват да ги доведат незабавно до желания наклон.

Утъпкани пътища

Какъв наклон се използва за съществуващи орбитални апарати? Сега в орбитата на Земята има много спътници:

Ако се вгледате внимателно, можете да видите, че в някои орбити има повече спътници. Ето снимка, показваща движението на спътниците спрямо Земята:

Геостационарна орбита (зелено). Това е кръгова орбита с височина 36 000 km и наклон от 0°. Сателитът върху него се намира над една точка на земната повърхност, следователно на снимката правилната геостационарна орбита е обозначена със зелена точка. Зелените контури са дефектни сателити или няма гориво. Геостационарната орбита е под смущаващото влияние на луната и трябва да изразходвате гориво, само за да останете на място. Тази орбита е населена с телекомуникационни спътници, които са печеливши, така че вече е трудно да се намерят свободни места на нея.

GLONAS / GPS орбити (синьо и червено). Тези орбити имат височина от приблизително 20 000 километра и наклон около 60 °. Както подсказва името, те носят навигационни спътници.

Полярни орбити (жълт). Тези орбити са наклонени в района на 90 ° и надморската височина обикновено е не повече от 1000 km. В този случай спътникът ще лети над полюсите на всеки оборот и ще вижда цялата територия на Земята. Отделен подвид на такива орбити са слънчево-синхронни орбити с височина 600-800 km и наклон от 98 °, при които спътниците летят над различни части на Земята приблизително по едно и също местно време. Тези орбити са търсени за метеорологични, картографски и разузнавателни спътници.

Освен това трябва да се отбележи орбитата на МКС с височина 450 км и наклон от 51,6 °.

Безсърдечна география

Е, добре, разбрахме настроенията, ще каже читателят. И къде е космодрума? Факт е, че има такъв неприятен физически закон:

Първоначалният наклон на орбитата не може да бъде по-малък от географската ширина на космодрума

Защо така? Всичко става по-ясно, ако начертаем траекторията на спътника на картата на Земята:

Ако, започвайки от Байконур, започнем да ускоряваме на изток, тогава получаваме орбита с наклон на ширина на Байконур, 45 ° (червено). Ако започнем да ускоряваме на североизток, тогава най-северната точка на орбитата ще бъде северно от Байконур, тоест наклонът ще бъде по-голям (жълт). Ако се опитаме да измамим и започнем да ускоряваме на югоизток, тогава получената орбита все пак ще има най-северната точка на север от Байконур и отново по-голям наклон (синьо).

Но такава орбита е физически невъзможна, защото не минава през центъра на масата на Земята. По-точно е невъзможно да летиш с изключен двигател. Може да сте в такава орбита известно време с работещ двигател, но горивото ще свърши много бързо.

По този начин, ако искаме да изстреляме спътници в геостационарна орбита не от екватора, трябва по някакъв начин да нулираме орбиталния наклон, като консумираме гориво. Именно тези разходи обясняват защо същата ракета Союз-2.1а успешно изстрелва спътници в геостационарна орбита от космодрума Куру близо до екватора, но не се използва за тези задачи от Байконур.

Русия е северна държава. И ако спътниците могат безопасно да бъдат изстреляни в полярни и ГЛОНАСС орбити от Плесецк, който се намира на географска ширина 63 °, то за геостационарна орбита, колкото по на юг е разположен космодрумът, толкова по-добре. И тук влиза в сила вторият проблем - не всяка територия е подходяща за космодрум.

Стъпете на кумпол

Всички съвременни ракети, когато изстрелват спътник, изпускат отработени стъпала и носови обтекатели, които падат на Земята. Ако мястото на катастрофата е в друга държава, трябва да преговаряте с тази страна за всяко стартиране. Следователно, например, минималният наклон на космодрума Байконур не е 45 °, а 51 °, защото в противен случай вторият етап ще падне в Китай:

И на мястото, където падна първият етап, трябва да преговаряте с Казахстан и да платите за използването на тези площи. Понякога възникват проблеми и пускането на спътници се забавя. Зоните на падането трябва да бъдат отчуждени доста големи:

А в европейската част на Русия няма добри места за космодрум. Играх с картите, в Кавказ можете да избягвате и да опитате да изстреляте от района на Моздок, но дори и тогава ще трябва да опитате, за да не попаднат вторите етапи в Казахстан. Ако изстреляте ракета от Крим, първият етап ще падне в населени места близо до Ростов на Дон, а вторият етап отново ще се стреми да падне в Казахстан. И това без да се вземат предвид проблемите с инфраструктурата и в двата варианта. На този фон ще разгледате наклонностите, налични за американските космодрумове, и ще съжалявате за бездушието на физиката и географията.

Но имаме и източно крайбрежие. И ако поставим космодрума там, тогава ще бъде възможно да се намерят отдалечени зони за падане на отработените етапи за най-търсените наклони: 51, 6 ° (към МКС и геостационарна орбита), 64, 8 ° (ГЛОНАСС, някои земни спътници), 98 ° (в полярна орбита).

Още веднъж теза

Космодрумът „Восточный“ще ни позволи да изстреляме полезни товари в геостационарната орбита и към МКС, без да е необходимо да координираме тези изстрелвания с други държави и да им плащаме за използване на зоните за изключване. Намира се в южната част на страната и осигурява начален орбитален наклон не по-лош от Байконур. Нерационално е да се строи изстрелващ комплекс за новата ракета-носител „Ангара“в Байконур (отново координация на изстрелванията и зоните на катастрофа), но от „Восточный“ще осигури не по-малко полезен товар.

Хубаво нещо: новият стартов комплекс с обслужваща кула, като в Куру, ще позволи изстрелване на западни полезни товари, които трябва да бъдат монтирани на ракетата-носител в изправено положение.

Бонус е и развитието на инфраструктурата, тласък за развитието на територията, научен град и т.н.

UPD: инфографика навън. Жалко, че нямахме време да преначертаем разположението на сателитите. Все пак съвсем накратко се опитахме да обясним какво пише тук. Според мен се получи добре.