Vesmírne tunely a železo na hlave alebo načo nám je kozmodróm Vostočnyj

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Naposledy zmenené: 2023-12-16 16:15

Minule som bol požiadaný, aby som nahliadol do infografiky RIA Novosti venovanej prvému štartu z kozmodrómu Vostočnyj. A dôjde k jednému zásadnému zjednodušeniu kvôli obmedzeniam formátu materiálu. V skutočnosti kozmodróm Vostočnyj nepotrebujeme, pretože väčšina civilných štartov sa uskutočňuje z kozmodrómu Bajkonur.

Aby sme však vysvetlili, prečo to potrebujeme, budeme musieť povedať, prečo možno obežnú dráhu kozmickej lode prirovnať k tunelu, a tiež vysvetliť, aké „železo“padá z neba a na koho padá.

Tunel na oblohe

Fyzika orbitálneho pohybu je úplne neintuitívna. Je to skôr opak toho, čo si bežný človek predstavuje. A dokonca aj dobré filmy, ktoré sa zdanlivo snažia o realizmus, poskytujú úplne nesprávnu predstavu o tom, ako lietajú satelity a vesmírne lode. Pamätáte si na "Gravity", ktorá preslávila let z Hubbleovho teleskopu na ISS a potom na čínsku stanicu? Aj keď zahodíme rozdiel vo výškach obežných dráh, jeden parameter pohybu obežnej dráhy zabíja aj najmenšiu šancu na takéto prelety. Tento parameter sa nazýva "orbitálny sklon".

Sklon obežnej dráhyje uhol medzi rovinou obežnej dráhy satelitu a rovinou rovníka (pre satelit Zeme)

Napríklad v prípade „Gravity“bude obrázok vyzerať takto:

A to, že sa roviny dráh vôbec nezhodujú, nie je problém. Skutočným problémom je, že pre nízku kruhovú obežnú dráhu (a Hubbleov teleskop, ISS, Tiangong a hmotnosť iných satelitov majú nízku kruhovú obežnú dráhu) je zmena sklonu veľmi nákladná. Aby sme obežnú dráhu „otočili“o 45°, budeme musieť zmeniť svoju rýchlosť o približne 8 km/s, teda o toľko, koľko sme potrebovali na vstup na obežnú dráhu. A zmena rýchlosti je plytvanie palivom a prestavovanie stupňov. To znamená, že ak raketa s hmotnosťou 300 ton vynesie na obežnú dráhu 7 ton, potom po zmene sklonu o 45 ° zostane iba 150 kilogramov. V skutočnosti každý orbiter letí vnútri neviditeľného tunela, ktorého priemer závisí od jeho schopnosti meniť rýchlosť. Preto sa ich pri vypúšťaní satelitov snažia okamžite uviesť do požadovaného sklonu.

Vychodené cesty

Aký sklon sa používa pre existujúce orbitery? Na obežnej dráhe Zeme je teraz veľa satelitov:

Ak sa pozriete pozorne, môžete vidieť, že na niektorých obežných dráhach je viac satelitov. Tu je obrázok znázorňujúci pohyb satelitov vzhľadom na Zem:

Geostacionárna dráha (zelená). Ide o kruhovú dráhu s výškou 36 000 km a sklonom 0°. Satelit na ňom sa nachádza nad jedným bodom zemského povrchu, preto je na obrázku správna geostacionárna dráha označená zelenou bodkou. Zelené slučky sú chybné satelity alebo im chýba palivo. Geostacionárna dráha je pod rušivým vplyvom Mesiaca a musíte minúť palivo, aby ste zostali na mieste. Túto obežnú dráhu obývajú telekomunikačné satelity, ktoré sú rentabilné, a tak sa na nej už ťažko hľadajú voľné miesta.

Obežné dráhy GLONAS / GPS (modrá a červená). Tieto dráhy majú výšku približne 20 000 kilometrov a sklon okolo 60°. Ako už názov napovedá, nesú navigačné satelity.

Polárne dráhy (žltá). Tieto dráhy sú naklonené v oblasti 90° a nadmorská výška zvyčajne nie je väčšia ako 1000 km. V tomto prípade satelit preletí nad pólmi každú otáčku a uvidí celé územie Zeme. Samostatným poddruhom takýchto dráh sú slnečné synchrónne dráhy s nadmorskou výškou 600-800 km a sklonom 98°, na ktorých satelity prelietavajú nad rôznymi časťami Zeme približne v rovnakom miestnom čase. Tieto dráhy sú žiadané pre meteorologické, mapovacie a prieskumné satelity.

Okrem toho si treba uvedomiť obežnú dráhu ISS s výškou 450 km a sklonom 51,6°.

Bezcitná geografia

No dobre, prišli sme na nálady, povie si čitateľ. A kde je kozmodróm? Faktom je, že existuje taký nepríjemný fyzikálny zákon:

Počiatočný sklon obežnej dráhy nemôže byť menší ako zemepisná šírka kozmodrómu

prečo je to tak? Všetko bude jasnejšie, ak nakreslíme trajektóriu satelitu na mapu Zeme:

Ak začneme z Bajkonuru zrýchľovať na východ, dostaneme obežnú dráhu so sklonom zemepisnej šírky Bajkonur, 45 ° (červená). Ak začneme zrýchľovať na severovýchod, tak najsevernejší bod obežnej dráhy bude severne od Bajkonuru, to znamená, že sklon bude väčší (žltý). Ak sa pokúsime podvádzať a začneme zrýchľovať na juhovýchod, tak výsledná dráha bude mať stále najsevernejší bod severne od Bajkonuru a opäť väčší sklon (modrá).

Takáto dráha je ale fyzicky nemožná, pretože neprechádza ťažiskom Zeme. Presnejšie povedané, lietať s vypnutým motorom je nemožné. Na takejto obežnej dráhe môžete byť nejaký čas so zapnutým motorom, ale palivo sa minie veľmi rýchlo.

Ak teda chceme vypustiť satelity na geostacionárnu obežnú dráhu nie z rovníka, musíme nejakým spôsobom resetovať sklon obežnej dráhy, čím sa spotrebuje palivo. Práve tieto náklady vysvetľujú, prečo tá istá raketa Sojuz-2.1a úspešne vynáša satelity na geostacionárnu dráhu z kozmodrómu Kuru pri rovníku, no z Bajkonuru sa na tieto úlohy nepoužíva.

Rusko je severná krajina. A ak môžu byť satelity bezpečne vypustené na polárne dráhy a obežnú dráhu GLONASS z Plesetska, ktorý sa nachádza na zemepisnej šírke 63 °, potom pre geostacionárnu dráhu platí, že čím južnejšie sa kozmodróm nachádza, tým lepšie. A tu vstupuje do platnosti druhý problém – nie každé územie je vhodné pre kozmodróm.

Krok na kumpol

Všetky moderné rakety pri vypúšťaní satelitu zhadzujú opotrebované stupne a predné kapotáže, ktoré padajú na Zem. Ak je miesto havárie v inej krajine, musíte s touto krajinou rokovať o každom spustení. Preto napríklad minimálny sklon kozmodrómu Bajkonur nie je 45 °, ale 51 °, pretože inak druhý stupeň spadne do Číny:

A na mieste, kde padla prvá etapa, treba rokovať s Kazachstanom a platiť za využívanie týchto plôch. Niekedy nastanú problémy a štart satelitov sa oneskorí. Oblasti jesene musia byť odcudzené pomerne veľké:

A v európskej časti Ruska nie sú dobré miesta pre kozmodróm. Hral som sa s mapami, na Kaukaze sa dá uhnúť a pokúsiť sa odštartovať z oblasti Mozdok, no aj tak sa budete musieť snažiť, aby druhé etapy nespadli do Kazachstanu. Ak odpálite raketu z Krymu, prvý stupeň padne do obývaných oblastí blízko Rostova na Done a druhý stupeň sa bude opäť snažiť spadnúť do Kazachstanu. A to neberieme do úvahy problémy s infraštruktúrou v oboch možnostiach. Na tomto pozadí sa pozriete na sklony, ktoré majú vesmírne prístavy USA k dispozícii, a budete ľutovať bezcitnosť fyziky a geografie.

Ale máme aj východné pobrežie. A ak tam umiestnime kozmodróm, potom bude možné nájsť odľahlé oblasti pre pád vyčerpaných stupňov pre najžiadanejšie sklony: 51, 6 ° (k ISS a geostacionárnej obežnej dráhe), 64, 8 ° (GLONASS, niektoré satelity snímajúce Zem), 98° (na polárnu obežnú dráhu).

Ešte raz diplomová práca

Kozmodróm Vostočnyj nám umožní vypúšťať náklad na geostacionárnu obežnú dráhu a k ISS bez toho, aby sme museli tieto štarty koordinovať s inými krajinami a platiť im za využívanie vylúčených oblastí. Nachádza sa v južnej časti krajiny a poskytuje počiatočný orbitálny sklon nie horší ako Bajkonur. Je iracionálne stavať štartovací komplex pre novú nosnú raketu Angara na Bajkonure (opäť koordinácia štartov a havarijných oblastí), ale z Vostočného to nebude poskytovať menšie užitočné zaťaženie.

Pekná maličkosť: nový štartovací komplex so servisnou vežou, podobne ako v Kourou, umožní spúšťanie západných nákladov, ktoré musia byť na nosnej rakete namontované vo vzpriamenej polohe.

Bonusom je aj rozvoj infraštruktúry, impulz k rozvoju územia, vedecké mesto a pod.

UPD: infografika von. Škoda, nestihli sme prekresliť rozmiestnenie satelitov. Ešte veľmi stručne sme sa pokúsili vysvetliť, čo sa tu píše. Podľa mňa to dopadlo pekne.