Tuneluri spațiale și fier pe cap sau de ce avem nevoie de cosmodromul Vostochny

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Modificat ultima dată: 2023-12-16 16:15

Zilele trecute am fost rugat să consult infograficul RIA Novosti, dedicat primei lansări din cosmodromul Vostochny. Și va exista o simplificare majoră din cauza limitărilor formatului materialului. De fapt, nu avem nevoie de cosmodromul Vostochny, deoarece majoritatea lansărilor civile au loc din cosmodromul Baikonur.

Dar pentru a explica de ce avem nevoie de el, va trebui să spunem de ce orbita unei nave spațiale poate fi comparată cu un tunel și, de asemenea, să explicăm ce fel de „fier” cade din cer și pe cine cade.

Tunel pe cer

Fizica mișcării orbitale este complet contraintuitivă. Mai degrabă, este opusul a ceea ce își imaginează o persoană obișnuită. Și chiar și filmele bune, care aparent luptă pentru realism, oferă o idee complet greșită despre modul în care zboară sateliții și navele spațiale. Vă amintiți „Gravity”, care a zburat de la Hubble la ISS și apoi la stația chineză? Chiar dacă renunțăm la diferența de înălțimi orbitale, un parametru al mișcării orbitale distruge chiar și cea mai mică șansă de astfel de zboruri. Acest parametru se numește „înclinație orbitală”.

Înclinarea orbiteieste unghiul dintre planul orbitei satelitului și planul ecuatorului (pentru un satelit Pământesc)

De exemplu, pentru cazul „Gravity” imaginea va fi astfel:

Iar faptul că planurile orbitelor nu coincid deloc nu este o problemă. Problema reală este că pentru o orbită circulară joasă (și Hubble, ISS, Tiangong și masa altor sateliți sunt o orbită circulară joasă), schimbarea înclinației este foarte costisitoare. Pentru a „roti” orbita cu 45 °, va trebui să ne schimbăm viteza cu aproximativ 8 km/s, aceeași cantitate de care aveam nevoie pentru a intra pe orbită. Iar schimbarea vitezei este o risipă de combustibil și resetarea treptelor. Adică, dacă o rachetă cu o masă de 300 de tone pune 7 tone pe orbită, atunci după o schimbare a înclinării cu 45 °, vor rămâne doar 150 de kilograme. De fapt, fiecare orbiter zboară în interiorul unui tunel invizibil, al cărui diametru depinde de capacitatea sa de a-și schimba viteza. Prin urmare, atunci când lansează sateliți, ei încearcă să-i aducă imediat la înclinația dorită.

Drumuri bătute

Ce înclinare este folosită pentru orbiterii existenți? Acum există mulți sateliți pe orbita Pământului:

Dacă te uiți cu atenție, poți vedea că există mai mulți sateliți pe unele orbite. Iată o imagine care arată mișcarea sateliților în raport cu Pământul:

Orbită geostaționară (verde). Este o orbită circulară cu o altitudine de 36.000 km și o înclinare de 0 °. Satelitul de pe acesta este situat deasupra unui punct de pe suprafața pământului, prin urmare, în imagine, orbita geostaționară corectă este indicată printr-un punct verde. Buclele verzi sunt sateliți defecte sau fără combustibil. Orbita geostaționară se află sub influența perturbatoare a lunii și trebuie să cheltuiți combustibil doar pentru a rămâne pe loc. Această orbită este locuită de sateliți de telecomunicații, care sunt profitabili, așa că este deja dificil să găsești locuri libere pe ea.

GLONAS / orbite GPS (albastru și roșu). Aceste orbite au o altitudine de aproximativ 20.000 de kilometri și o înclinare de aproximativ 60 °. După cum sugerează și numele, transportă sateliți de navigație.

Orbitele polare (galben). Aceste orbite sunt înclinate în regiunea de 90 °, iar altitudinea nu este de obicei mai mare de 1000 km. În acest caz, satelitul va zbura peste poli la fiecare revoluție și va vedea întregul teritoriu al Pământului. O subspecie separată a unor astfel de orbite sunt orbitele sincrone cu soarele, cu o altitudine de 600-800 km și o înclinare de 98 °, în care sateliții zboară peste diferite părți ale Pământului la aproximativ aceeași oră locală. Aceste orbite sunt solicitate pentru sateliți meteorologici, de cartografiere și de recunoaștere.

În plus, trebuie remarcată orbita ISS cu o altitudine de 450 km și o înclinare de 51,6 °.

Geografie fără inimă

Ei bine, ne-am dat seama de dispozițiile, va spune cititorul. Și unde este cosmodromul? Faptul este că există o astfel de lege fizică neplăcută:

Înclinarea inițială a orbitei nu poate fi mai mică decât latitudinea cosmodromului

De ce este asta? Totul devine mai clar dacă trasăm traiectoria satelitului pe harta Pământului:

Dacă noi, pornind de la Baikonur, începem să accelerăm spre est, atunci obținem o orbită cu o înclinare a latitudinii Baikonur, 45 ° (roșu). Dacă începem să accelerăm spre nord-est, atunci punctul cel mai nordic al orbitei va fi la nord de Baikonur, adică înclinația va fi mai mare (galben). Dacă încercăm să trișăm și începem să accelerăm spre sud-est, atunci orbita rezultată va avea totuși punctul cel mai nordic la nord de Baikonur și, din nou, o înclinație mai mare (albastru).

Dar o astfel de orbită este imposibilă fizic, deoarece nu trece prin centrul de masă al Pământului. Mai exact, este imposibil să zbori cu motorul oprit. Poți fi pe o astfel de orbită ceva timp cu motorul pornit, dar combustibilul se va epuiza foarte repede.

Astfel, dacă vrem să lansăm sateliți pe orbită geostaționară nu de pe ecuator, trebuie să resetăm cumva înclinația orbitală, consumând combustibil. Aceste costuri explică de ce aceeași rachetă Soyuz-2.1a lansează cu succes sateliți pe orbită geostaționară din cosmodromul Kuru de lângă ecuator, dar nu este folosită pentru aceste sarcini din Baikonur.

Rusia este o țară din nord. Și dacă sateliții pot fi lansați în siguranță pe orbitele polare și GLONASS de la Plesetsk, care este situat la o latitudine de 63 °, atunci pentru o orbită geostaționară, cu cât este situat mai la sud cosmodromul, cu atât mai bine. Și aici intră în vigoare a doua problemă - nu orice teritoriu este potrivit pentru un cosmodrom.

Pășește pe kumpol

Toate rachetele moderne, atunci când lansează un satelit, scapă etape uzate și carene de nas care cad pe Pământ. Dacă locul accidentului este într-o altă țară, trebuie să negociați cu acea țară pentru fiecare lansare. Prin urmare, de exemplu, înclinația minimă a cosmodromului Baikonur nu este de 45 °, ci de 51 °, deoarece, altfel, a doua etapă va cădea în China:

Iar în locul în care a căzut prima etapă trebuie să negociezi cu Kazahstanul și să plătești pentru utilizarea acestor zone. Uneori apar probleme și lansarea sateliților este întârziată. Zonele de cădere trebuie să fie înstrăinate destul de mari:

Și în partea europeană a Rusiei nu există locuri bune pentru un cosmodrom. M-am jucat cu hărțile, în Caucaz poți să te eschivezi și să încerci să lansezi din regiunea Mozdok, dar și atunci va trebui să încerci ca etapele secunde să nu cadă în Kazahstan. Dacă lansați o rachetă din Crimeea, prima etapă va cădea în zonele populate de lângă Rostov-pe-Don, iar a doua etapă se va strădui din nou să cadă în Kazahstan. Și asta nu ține cont de problemele de infrastructură din ambele opțiuni. Pe acest fundal, veți privi înclinațiile disponibile pentru porturile spațiale din SUA și veți regreta lipsa de inimă a fizicii și a geografiei.

Dar avem și o coastă de est. Și, dacă plasăm cosmodromul acolo, atunci va fi posibil să găsim zone îndepărtate pentru căderea etapelor uzate pentru cele mai solicitate înclinații: 51, 6 ° (până la ISS și orbita geostaționară), 64, 8 ° (GLONASS)., unii sateliți de detectare a Pământului), 98 ° (în orbita polară).

Inca o data teza

Cosmodromul Vostochny ne va permite să lansăm încărcături utile pe orbita geostaționară și către ISS fără a fi nevoie să coordonăm aceste lansări cu alte țări și să le plătim pentru utilizarea zonelor de excludere. Este situat în partea de sud a țării și oferă o înclinație orbitală inițială nu mai rea decât Baikonur. Este irațional să construim un complex de lansare pentru noul vehicul de lansare Angara la Baikonur (din nou, coordonarea lansărilor și a zonelor de impact), dar de la Vostochny va oferi o încărcătură utilă nu mai mică.

Lucru frumos: noul complex de lansare cu un turn de serviciu, ca la Kourou, va permite lansarea încărcăturilor utile vestice, care trebuie montate pe vehiculul de lansare în poziție verticală.

Un bonus este și dezvoltarea infrastructurii, un impuls pentru dezvoltarea teritoriului, un oraș științific și așa mai departe.

UPD: out infografic. Păcat, nu am avut timp să redesenăm amplasarea sateliților. Tot pe scurt, am încercat să explicăm ceea ce este scris aici. După părerea mea, a ieșit frumos.