Содержание

Как летает космическая ракета? (Продолжение) / Хабр

Здравствуйте, дорогие любители острых космических ощущений (хабровчане)!

В предыдущей своей публикации я посчитал траекторию космической ракеты «РН Союз», сравнив результаты с телеметрией из видеоролика на Ютуб. Расчёты были произведены без учёта силы сопротивления атмосферы, что в итоге привело к существенным расхождениям с реальностью (если конечно же верить той самой телеметрии из видеоролика). Разумеется, мне стало интересно, а что если учесть это сопротивление? Как оно повлияет на траекторию и другие параметры полёта космической ракеты? Попробуем по порядку в этом разобраться.

Благодарю пользователя в комментариях, это дополнительно послужило мотивацией к данному исследованию, спасибо!

Если коротко, то моё исследование можно описать так — увяз коготок, вся птичка пропала. Хотелось обойтись какими-нибудь упрощёнными вычислениями, но, как уж получилось.

Для тех, кто не прочитал начало, оно тут https://habr. com/ru/post/649961/

Постановка задачи

Физическая модель, системы координат и допущения, принятые в предыдущей публикации остаются справедливыми и для текущих расчётов, за исключением сопротивления атмосферы. Напомню, ракета имеет три ступени. Соответственно, полёт разделяется на три этапа: полёт с момента старта до отстыковки первой ступени, с момента отстыковки первой ступени до момента отстыковки второй ступени, и с момента отстыковки второй ступени до момента отстыковки третьей ступени. Изменения в вычислениях коснутся только первого этапа полёта, то есть от старта до момента отстыковки первой ступени. На этом участке полёта ракета преодолевает наиболее плотные слои атмосферы и испытывает вместе с этим наибольшее сопротивление трения. Забегая вперёд, из вычислений получилось, что в конце работы первой ступени сила сопротивления атмосферы, действующая на ракету (высота 45 км, скорость 1700 м/с), составляет около 5 тонн-сил!

Напишем уравнение динамики с учётом силы сопротивления:

где m — масса ракеты, — вектор ускорения, — вектор силы тяги двигателей, — вектор силы тяжести, — сила сопротивления атмосферы.

Разделив обе части на массу ракеты и сделав необходимые подстановки (см. первую публикацию), получим:

Аэродинамическое сопротивление

Теперь давайте разберёмся, что такое .

Аэродинамическое сопротивление вычисляется по формуле:

где — коэффициент лобового аэродинамического сопротивления, — плотность атмосферы, — скорость движения в среде, — характерная площадь.

Сначала разберёмся с плотностью атмосферы.

Как известно, плотность атмосферы вслед за давлением убывает с высотой. Но не всё так просто. Плотность атмосферы также зависит и от температуры, которая тоже убывает с высотой. Но и это ещё не всё. Мы собираемся лететь так высоко, что будем пересекать такие слои атмосферы, где температура не изменяется или даже возрастает.

Теперь в правильных терминах.

Введём параметр — градиент температуры. Не надо пугаться, в нашем случае это просто положительное или отрицательное число, которое характеризует быстроту и направление изменения температуры в i — том слое атмосферы. Нумерация слоёв начинается с самого нижнего слоя — тропосферы. Если градиент отрицательный, то температура атмосферы убывает, если положительный — возрастает. Атмосфера Земли хорошо изучена и градиенты температуры слоёв измерены и известны. Вот они:

Номер слоя

Диапазон высот, км

Градиент температуры,

Температура в начале слоя , K

Давление в начале слоя , гПа

1

0 — 11

-6,5

288

1030

2

11 — 20

0,0

216

229,8

3

20 — 32

+1,0

216

55,3

4

32 — 47

+2,8

227

8,7

5

47 — 51

0,0

270

1,1

6

51 — 71

-2,8

270

0,6

7

71 — 85

-2,0

216

0,03

Таким образом, зная эту таблицу, можем вычислить температуру на любой высоте по следующей формуле:

где — высота начала слоя (например, для первого слоя ).

Изобразим эту зависимость графически:

Давление для каждого слоя соответственно вычисляется по формулам:

если градиент температуры

если градиент температуры

Плотность есть некоторая функция температуры и давления , где температура и давление в свою очередь являются функциями высоты. Плотность вычисляется по формуле:

где — молярная масса воздуха, — универсальная газовая постоянная.

Зависимость плотности от высоты будет выглядеть следующим образом:

Итак, с плотностью воздуха разобрались. Теперь вернёмся к формуле аэродинамического сопротивления и посмотрим на ещё один интересный параметр — — аэродинамический коэффициент сопротивления. Наш полёт происходит на разной высоте, с разной скоростью. Поэтому этот коэффициент так же как и плотность воздуха не может считаться константой. Если рассматривать большой диапазон скорости летательного аппарата, например от близких к нулю значений, до нескольких Махов, а это как раз наш случай, то окажется, что коэффициент значительно изменяется, и мы не можем этого не учитывать. В данном случае этот коэффициент будет зависеть от числа Маха, то есть от скорости полёта ракеты. Число Маха, в свою очередь, зависит от скорости звука, а скорость звука зависит от температуры среды, в которой он распостраняется. А, как мы выяснили раньше, температура среды изменяется с высотой. Давайте попробуем это записать:

Разберём по порядку все зависимости. Для начала займёмся функцией — зависимостью коэффициента сопротивления от числа Маха. После продолжительных исследований литературы на эту тему я решил найти готовый, наиболее подходящий под задачу полёта ракеты вариант, нежели самому проводить расчёты этой зависимости. Коэффициент сопротивления сильно зависит от формы обтекаемого газом тела, его геометрических параметров, плюс отдельно считаются боковые блоки, элементы аэродинамики и т. д. Методика таких расчётов довольно объёмна и муторна, приводить её здесь я посчитал излишним. Поэтому привожу то, что нашёл уже посчитанным для реальной ракеты. Вот оно:

Интересно то, что при приближении скорости к числу Маха и его пересечении коэффициент сопротивления резко возрастает. Происходит так называемый скачок уплотнения. После этого при дальнейшем возрастании скорости коэффициент несколько уменьшается.

Со следующей зависимостью — всё просто: число Маха есть отношение скорости движения в среде к скорости звука — .

Зависимость скорости звука в воздухе от температуры тоже известна, её можно найти в любом справочнике по физике:

Теперь напишем формулу для вычисления силы сопротивления воздуха с учётом всех выше приведённых расчётов:

Подставим силу сопротивления в основное уравнение динамики и распишем его на оси координат:

Или в производных:

Таким образом, задача сводится к решению системы дифференциальных уравнений вида:

что мы и сделаем численным методом с помощью программы.

Входные данные

Параметры ракеты (в основном, массовые характеристики) были уточнены. Поэтому есть расхождения между траекториями без учёта сопротивления воздуха в предыдущей публикации и в этой. В данный момент они являются более точными. Ссылки на источники будут ниже.

Результаты вычислений

Результаты весьма интересны. Честно говоря, они меня впечатлили. Я не думал что атмосфера настолько сильно влияет на траекторию полёта и конечные орбитальные параметры. Разницу траекторий без учёта силы сопротивления и с учётом этой силы Вы можете видеть на этом изображении:

Давайте сравним полученные данные.

В момент перед отстыковкой первой ступени:

Параметры телеметрии

Расчёты программы с учётом R

Расчёты программы без учёта R

Высота, км

45

44

51

Дальность, км

48

47

51

Скорость, км/ч

6312

6198

6785

Перегрузка, g

4

3,95

3,99

В момент перед отстыковкой второй ступени:

Параметры телеметрии

Расчёты программы с учётом R

Расчёты программы без учёта R

Высота, км

154

153

185

Дальность, км

452

459

480

Скорость, км/ч

13732

13864

14266

Перегрузка, g

2,3

2,3

2,3

В момент перед отстыковкой третьей ступени:

Параметры телеметрии

Расчёты программы с учётом R

Расчёты программы без учёта R

Высота, км

202

204

281

Дальность, км

1675

1725

1770

Скорость, км/ч

26737

27120

27386

Перегрузка, g

2,9

2,8

2,8

Хотел бы привести ещё один график, который мы немного проанализируем:

Это зависимость сопротивления атмосферы от высоты.

Ну во-первых, сразу бросается в глаза значение максимума — 740 кН, это 75 тонн-сил! Да, уже на высоте чуть больше 10 км ракета набирает такую скорость, что сила сопротивления воздуха составляет такую большую величину, даже с учётом того, что атмосфера на этой высоте значительно разреженная. Для сравнения, когда ракета стартует, избыток тяги (разница между тягой двигателей и весом ракеты) составляет 1130 кН. То есть сила сопротивления на максимуме составляет две трети от тяги на старте!

Также интересно, насколько быстро нарастает сила сопротивления, но это и не удивительно. Ракета — тело переменной массы. Ракета теряет массу, ускорение стремительно возрастает. Эффекта добавляет здесь ещё тот факт, что двигатели существенно прибавляют мощности с ростом высоты (тяга в ваккууме больше, чем на уровне моря).

Ещё один интересный результат — сопротивление атмосферы в момент отстыковки первой ступени. Казалось бы, высота уже 45 км, атмосфера крайне разреженная. Но не тут то было, получите: 46 кН (4,7 тонн-сил)! Неожиданно, правда? Но если учесть, что в этот момент ракета летит со скоростью 1722 м/с, что уже является даже не сверхзвуковой, а гиперзвуковой скоростью (> 5 Маха), то можно в это поверить. К тому же если сравнить с тягой двигателя в этот момент, а осталась у нас только вторая ступень, вполне приемлемо:

95% тяги остаётся, потери на сопротивление всего 5%, и оно продолжает уменьшаться, мы же взлетаем.

Ну и в завершении обратим внимание на то место, которое обозначено красным овалом. Там явно прослеживается излом. Давайте посмотрим, что в этот момент происходит со скоростью:

Зелёный график — зависимость скорости от высоты, чёрный — зависимость силы сопротивления от высоты. Ось абсцисс выдержана в одном масштабе. а ось ординат теперь это значение скорости. Отсюда видно, что в момент излома скорость составляет почти 400 м/с. Что это за скорость? Вычислим число Маха для данной высоты. На высоте, соответствующей излому (~8 км) скорость звука составляет примерно 308 м/с

Теперь обратимся к графику зависимости аэродинамического коэффициента сопротивления от числа Маха:

Данное зачение числа Маха соответствует резкому прекращению возрастания коэффициента сопротивления. Физически это означает, что ракета в данный момент закончила преодолевать трансзвуковой барьер (0,8 < M < 1,2).

На этом всё, спасибо за внимание!

Ссылка на программу здесь, бранч soyz

Использованные источники:

Параметры РН Союз

Аэродинамический коэффициент сопротивления

Параметры атмосферы

Зависимость скорости звука от температуры: справочник по физике.

Почему ракеты взлетают

Один из популярных детских вопросов «Почему ракеты летают?» для многих остается без ответа. Изучение космонавтики требует глубоких знаний по физике, ракетостроению, астрономии и в других отраслях. Т&Р объясняют, как происходит одно из самых завораживающих научных событий, и рассказывают, благодаря чему ракеты сохраняют скорость, не переворачиваются и преодолевают силу притяжения.

Как устроен реактивный двигатель

Русский революционер и изобретатель Николай Кибальчич создал первый в мире проект аппарата с реактивным двигателем. Однако ученый был казнен. В начале XX века эту идею стал развивать К.Э. Циолковский. Ученый разработал саму схему реактивного двигателя, который работал на жидком топливе.

Ракета способна обеспечивать собственное движение в пустоте за счет реактивной силы. То есть она самостоятельно толкает себя, подобно осьминогу или кальмару. Процесс воспламенения смеси в двигателе является непрерывным — это пример простого твердотопливного двигателя. Еще один тип ракетного двигателя — жидкостный. В нем используется жидкий кислород или азотная кислота, при окислении этого вещества увеличивается удельный импульс — показатель эффективности реактивного двигателя или ракетного топлива.

Несмотря на всю сложность конструкции современных космических кораблей, ракета — один из самых простых летательных аппаратов. В основе ее устройства лежит принцип, согласно которому всякое действие рождает противодействие. Ракета летит, выбрасывая определенное вещество из своей хвостовой части. Несмотря на всю эту простоту, ракеты разрабатывались и совершенствовались в течение более чем семисот лет.

Луис Блумфилд. «Как все работает. Законы физики в нашей жизни»

Луис Блумфилд в своей книге «Как все работает. Законы физики в нашей жизни» приводит в пример движение по скользкому льду. Единственный способ сдвинуться — получить какой-то толчок от самого себя. Необходимо бросить кроссовок, и вы начнете двигаться в противоположную сторону. Вы передали импульс брошенной обуви, и она обратно передала его вам. «Величина импульса кроссовка равна величине вашего противоположно направленного импульса. Естественно, ваша масса намного больше массы кроссовка, поэтому вы двигаетесь гораздо медленнее, чем он», — объясняет Блумфилд.

Движение ракеты предполагает действие двух равных и противоположно направленных сил

Аналогично этому работает реактивный двигатель. Топливо и окислитель попадают в рабочую камеру, смешиваются, сгорают в зоне горения, выделяя огромное количество тепла, которого достаточно для движения.

Траектория полета

Многие убеждены, что ракеты взлетают вертикально, однако это не так. Ракетное топливо может закончиться через 10 минут, а при вертикальном взлете этого времени просто не хватит для выхода на орбиту.

Современные ракеты взлетают вертикально на самом первом этапе, а далее меняют траекторию и двигаются под углом по отношению к Земле. Чем выше высота полета, тем заметнее угол. Ракета совершает гравитационный разворот — маневр, при котором направление тяги совпадает или противоположно направлению движения, изменяющемуся под действием силы тяжести. Этот маневр используется в момент выведения на орбиту или при посадке с нее.

Ускорение ракеты, взлетающей под углом к горизонту: g — ускорение свободного падения, ae — вклад двигателя в ускорение, a — итоговое ускорение ракеты

Как обеспечивается устойчивость ракеты

«Ракета сохраняет динамическую устойчивость, если суммарный момент приложенных к ней сил относительно центра масс равен нулю при ориентации носом вперед», — объясняет Луис Блумфилд. Иными словами, для того чтобы ракета постоянно двигалась носом вперед и не переворачивалась, двигатель должен создавать силу тяги, которая направлена к центру масс. Второе условие устойчивости — действие аэродинамических сил. Воздушный поток обволакивает ракету и помогает лететь, если сопротивление воздуха у хвостовой части больше, чем спереди. Для устойчивого полета модели ракеты необходимо, чтобы центр тяжести модели ракеты был впереди ее центра давления.

Действие трех скоростей

Нет однозначного ответа на вопрос, с какой скоростью летит ракета. Все зависит от ее типа, загрузки и так далее. Однако все летальные аппараты стараются достигнуть космической скорости — первой (7,9 км/с), второй (11,2 км/с) и, соответственно, третьей (46,9 км/с). Первая позволяет «не упасть» и выйти на орбиту, вторая — выйти из орбиты Земли, третья — преодолеть притяжение. Чем дальше объект, с которого стартует ракета, находится от звезды, тем меньше третья космическая скорость. Например, американский космический зонд «Вояджер-1» движется со скоростью 17 км/с.

Существует и четвертая космическая скорость. Она необходима для того, чтобы объект мог преодолеть притяжение Галактики и выйти в межгалактическое пространство. Например, около Солнца четвертая космическая составляет 550 км/с.

Любовь Карась

Теги

#конструктор

#полет

#космонавтика

#космос

#ракета

#физика

Полёты к МКС по коротким схемам

Полёты к МКС по коротким схемам

Загружаем

ENG

От двухсуточных полётов — к сверхкоротким

В 2020 году впервые в истории космических полётов российский корабль «Союз МС-17» прилетел на МКС по сверхкороткой двухвитковой схеме. Время от старта до стыковки заняло всего 3 часа 3 минуты, хотя ещё недавно путь до станции растягивался на двое суток. Рассказываем, как Роскосмосу удалось совершить этот прорыв и смогут ли в ближайшем будущем космонавты прилетать на МКС быстрее, чем люди на Земле доезжают до работы.

ENG

В 2020 году впервые в истории космических полётов российский корабль «Союз МС-17» прилетел на МКС по сверхкороткой двухвитковой схеме. Время от старта до стыковки заняло всего 3 часа 3 минуты, хотя ещё недавно путь до станции растягивался на двое суток. Рассказываем, как Роскосмосу удалось совершить этот прорыв и смогут ли в ближайшем будущем космонавты прилетать на МКС быстрее, чем люди на Земле доезжают до работы.

Далеко ли МКС?

Поехали!

12 апреля 1961 года в 9:07 по московскому времени с полигона Тюра-Там (ныне космодром Байконур) впервые стартовал советский космический корабль «Восток-1» с человеком на борту. 108 минут полёта, один виток по околоземной орбите и успешное возвращение — так для человечества началась эпоха пилотируемой космонавтики, а имя Юрия Гагарина стало нарицательным.

максимальная высота первого полёта человека в космосе

Корабль «Восток-1» поднялся примерно на 85 км выше, чем планировалось.

Триумф СССР не могли оставить без реакции главные конкуренты в космической гонке — США. Американцы изначально не скрывали намерений отправить своего человека в космос раньше всех. Их пилотируемая программа Mercury («Меркурий») должна была стать реваншем за советский «Спутник-1». С полёта Гагарина не прошло и месяца, когда астронавт Алан Шепард пересёк линию Кармана (условную границу начала космоса), правда, без выхода на орбиту. Международная авиационная федерация признала этот 15-минутный полёт космическим, но чаще всего первым американским астронавтом называют Джона Гленна. 20 февраля 1962 года он три раза облетел вокруг Земли.

Полёт Шепарда всё же больше похож на прыжок до космоса. Ракета-носитель покидает атмосферу Земли, но её скорость не достигает первой космической (7,9 км/с), а значит, вывести аппарат на орбиту нельзя. В этом случае корабль возвращается обратно в течение нескольких минут после выключения двигателя. Такие пуски называются суборбитальными. Пилотируемых суборбитальных космических запусков насчитывается не так много.

Основным способом пребывания людей в космосе вот уже 60 лет остаётся орбитальный полёт.

Классификация космических полётовКлассификация космических полётов

Орбита обитания

Как любое небесное тело, Земля имеет гравитационное поле и собственные орбиты, по которым вокруг неё двигаются искусственные спутники (начиная от космических кораблей и исследовательских аппаратов, заканчивая космическим мусором). С точки зрения высоты орбиты бывают трёх типов: низкие, средние и высокие.

Границы ближайшей к нам орбиты — низкой околоземной — начинаются на высоте около 200 километров от поверхности Земли и заканчиваются на отметке в 2 000 километров. Даже по сравнению со следующей за ней средней околоземной это расстояние ничтожно малое, но зато самое обжитое. Здесь летают спутники дистанционного зондирования Земли и разведывательные аппараты — их близость к планете позволяет получать более точные изображения наземных объектов. Низкие орбиты также занимают различные спутники связи.

Для большего охвата телекоммуникационные компании нередко запускают в космос целые «созвездия» таких спутников. И, наконец, люди. До сегодняшнего дня все космонавты и почти все астронавты выполняли полёты только на низкой околоземной орбите.

Классификация орбит по высотеКлассификация орбит по высоте

Максимальной высоты среди пилотируемых полётов на низкой околоземной орбите удалось достичь в 1966 году аппарату Gemini-11. На 26-м обороте вокруг Земли корабль поднялся на высоту 1370 километров. Единственной космической программой, чьи участники смогли покинуть пределы ближайшего околоземного пространства, стала американская лунная миссия Apollo («Аполлон»).

Межпланетные перелёты, и на Луну в том числе, — одно из ключевых направлений, которое определило развитие пилотируемой космонавтики. Вторым же стало долговременное пребывание в космосе на орбитальных станциях. Более 20 лет на нижнем участке низкой околоземной орбиты располагается главное представительство людей за пределами Земли — Международная космическая станция. Когда-то здесь летали и её предшественницы — советские «Салют», «Алмаз», «Мир» и американская Skylab.

Нынешний орбитальный город «парит» над нами на высоте около 420 километров от поверхности Земли. С одной стороны, до МКС рукой подать. С другой — сложно представить, что человечество обосновалось на таком близком к планете участке космоса и за 60 лет практически его не покидало.

…Если нам нужна чистая невесомость для проведения экспериментов, то нет смысла лететь далеко, но с точки зрения дальнейшего освоения — оно идёт дальше и будет за пределами низкой околоземной орбиты

Сергей Крикалёв, исполнительный директор госкорпорации «Роскосмос» по пилотируемым космическим программам

…Если нам нужна чистая невесомость для проведения экспериментов, то нет смысла лететь далеко, но с точки зрения дальнейшего освоения — оно идёт дальше и будет за пределами низкой околоземной орбиты

Земля — МКС

Международная космическая станция — самый дорогой научный проект в истории и самый большой спутник, созданный человеком. Её строительство началось в 1998 году силами России, США, Канады, Японии и европейских держав. Первый экипаж в составе россиян Сергея Крикалёва, Юрия Гидзенко и американца Уильяма Шепарда прибыл на МКС уже в конце 2000 года — с этого момента и до сего дня на борту станции, сменяя друг друга, месяцами работают экипажи основных экспедиций. За управление полётом МКС отвечают два центра: за российский сегмент станции — в подмосковном Королёве, за американский — в Хьюстоне. Лабораторный модуль Columbus («Коламбус») Европейского космического агентства контролирует ЦУП в Оберпфаффенхофене, за модуль Kibo («Кибо») Японского агентства аэрокосмических исследований отвечает ЦУП в городе Цукуба.

Экипаж первой долговременной экспедиции на МКС доставил российский корабль «Союз ТМ-31». В дальнейшем вместе с «Союзами» за ротацию экипажей отвечали многоразовые корабли американской программы Space Shuttle. В 2003 году после катастрофы шаттла Columbia («Колумбия») полёты челноков приостановили до середины 2005 года.

А уже в 2011-м, когда NASA окончательно свернуло программу Space Shuttle, «Союзы» и вовсе стали единственными доставщиками на МКС и космонавтов, и астронавтов. Положение дел изменилось спустя девять лет — корабль Dragon-2 (также известный как Crew Dragon) частной американской компании SpaceX совершил свой первый пилотируемый полёт. 31 мая 2020 года Илону Маску удалось доставить на МКС астронавтов Дагласа Хёрли и Боба Бенкена.

Беспилотные же космические полёты на станцию сегодня совершают четыре грузовых корабля: российский «Прогресс», японский HTV и американские Dragon и Cygnus. С 2008-го по 2014-й на станцию также летал «грузовик» Европейского космического агентства ATV. Аппараты доставляют различные грузы и оборудование, необходимые для работы МКС, научных экспериментов и жизнедеятельности экипажа.

Предел возможного

МКС уникальна, и всё же ещё одной из её особенностей является непостоянство высоты. Воздействие верхних слоёв земной атмосферы тормозит станцию, из-за чего её орбита постепенно снижается.

Близость к планете влияет и на период обращения объектов вокруг неё — МКС полностью огибает Землю примерно за 90 минут.

Поэтому на станции не используют Солнце в качестве временного ориентира.

Чтобы создать необходимые условия для стыковки аппаратов с МКС, специалисты регулярно корректируют её орбиту. При помощи двигателей пристыкованных к станции «Прогрессов» её «поднимают» на несколько сотен метров. Нередко орбиту МКС меняют, чтобы избежать столкновения с космическим мусором, так как он легко может пробить обшивку модулей.

Не проще ли поднять МКС ещё выше? Отнюдь нет, ведь при расчёте орбиты станции учитывают несколько важных ограничений. Во-первых, МКС не может находиться выше 500 километров — за этой отметкой значительно повышается уровень радиации, что негативно скажется на здоровье экипажа. Во-вторых, высота орбиты зависит от возможностей основных кораблей, доставляющих на неё людей, — «Союзы» сертифицированы для полётов на расстояние до 460 километров.

Например, в эпоху Space Shuttle МКС находилась на высоте около 350 километров, так как космические челноки просто не летали выше. И последнее, но не менее важное: пуск ракеты нельзя назвать дешёвым удовольствием, а МКС нуждается в регулярных поставках оборудования. Чем выше находится станция, тем меньше груза туда можно будет доставить. По этой причине летать на МКС придётся чаще. Получается замкнутый круг.

Пока оптимальным вариантом остаются 400 с лишним километров. К слову, на Земле на таком же расстоянии друг от друга находятся Москва и Смоленск. Километры между этими городами на самолёте можно преодолеть за час, скоростная «Ласточка» проходит их за четыре часа, автомобиль — за пять. А вот для космонавтов путь к МКС до недавнего времени растягивался до двух суток. Кажется, что скорость космического корабля позволяет преодолеть это расстояние за минуту, однако в реальности всё оказалось не совсем так.

Если очень захотеть…

Три, два, один — пуск. Зажигание, вспышка пламени, и вот уже ракета-носитель поднимается в небо. Через несколько минут она сбросит ступени, а затем отправит корабль в космическое плавание, конечный пункт которого — МКС. И если после выхода аппарата на орбиту кажется, что всё самое трудное закончилось, то в ЦУПе работа только начинается, ведь стыковка со станцией ещё впереди.

Работу МКС без технологии стыковки представить невозможно, однако сближать аппараты в космосе научились задолго до появления орбитальных станций. В прошлом при отработке стыковок кораблями просто «стреляли» друг в друга. Например, сначала запускали один аппарат, а другой через сутки — в момент, когда первый «проходил» через стартовую площадку второго. Из-за того, что корабли оказывались на небольшом расстоянии друг от друга, первые стыковки были молниеносными. Абсолютный рекорд по времени принадлежит нам.

время между стартом и стыковкой беспилотных аппаратов «Космос-212» и «Космос-213» в 1968 году

Серебряная медаль у NASA — двумя годами ранее Gemini-11 пристыковался к ракете Agena за 94 минуты.

На заре эпохи полётов к орбитальным станциям советские специалисты освоили суточную схему сближения. Она отвечала необходимым техническим требованиям, но для космонавтов стала непростой. В конце первых суток у человека наступает острая фаза адаптации к невесомости, координация становится хуже, а риск не состыковаться в случае перехода на ручное управление только возрастает. В этом случае максимально безопасную стыковку можно было провести на вторые-третьи сутки, когда пик космической болезни пройден. С 1986 года, после запуска станции «Мир», летать начали уже по двухсуточной схеме. Этот подход позже унаследовала и МКС.

При двухсуточной схеме корабль делает 34 витка вокруг Земли. За это время ему нужно подняться со своей, более низкой, траектории на орбиту станции и начать сближение. Просто это не получится, так как орбитальный комплекс всё это время двигается с собственной скоростью. Поэтому ЦУП проводит специальные расчёты орбиты и выдаёт манёвры, которые позволяют аппарату в конце концов «догнать» МКС. В полёте космонавты неизбежно сталкиваются с «глухими витками». На них корабль настолько отдалён от наземных станций связи, что на несколько часов теряет контакт с ЦУПом. По этой причине на «глухих витках» не совершают важных операций, а космонавты отдыхают или спят.

Сама стыковка проходит на 34-м витке. Несмотря на то что за манёвр отвечает компьютер, в случае нештатной ситуации командир корабля должен взять управление в свои руки. «Ручная» стыковка требует ещё и дополнительных действий. Например, экипажу нужно дождаться определённых светотеневых условий, чтобы во время стыковки солнце не светило в глаза.

Станция — это не маленький корабль-мишень. Получить стыковку [с МКС] за 94 минуты невозможно. Особенно когда мы летим к станции, которая имеет международный статус. Мы должны соблюдать все законы, главный из которых — лететь медленно

Рафаил Муртазин, начальник отдела баллистики Ракетно-космической корпорации (РКК) «Энергия»

Станция — это не маленький корабль-мишень. Получить стыковку [с МКС] за 94 минуты невозможно. Особенно когда мы летим к станции, которая имеет международный статус. Мы должны соблюдать все законы, главный из которых — лететь медленно

Если для грузовых «Прогрессов» полёт по двухсуточной схеме не представляет особых сложностей, то для экипажей «Союзов» эти 50 часов становятся испытанием. При всех своих достоинствах «Союз» остаётся достаточно тесным кораблём. В минимальном комфорте космонавты находятся во время основных операций: выведения, манёвров и стыковки.

На «глухих витках» два человека переходят отдыхать в бытовой отсек, командир остаётся в спускаемом аппарате, а сам корабль ориентируется на Солнце в режиме закрутки, чтобы зарядить свои батареи. Технике — хорошо, ведь она получает солнечную энергию. Тем, кто находится в бытовом отсеке, — плохо, их вестибулярный аппарат испытывает на себе все последствия от закрутки.

свободный объём на одного члена экипажа в спускаемом аппарате корабля «Союз»

С учётом бытового отсека объём на одного человека — 1,2 м3.

…можно быстро полететь

Несмотря на тяжёлые физические нагрузки в полёте, профессиональные космонавты к ним готовы и переносят легче благодаря длительной предстартовой подготовке. Чего не скажешь о космических туристах, которые тратят на такую подготовку гораздо меньше времени. «Теперь я знаю, для чего мы проводили эти ужасные тренировки на вращающихся стульях», — писала в своём блоге Ануше Ансари — американка иранского происхождения, прилетевшая в 2006 году на МКС по программе космического туризма. 34 витка по орбите для Ансари прошли тяжело. Эйфория от происходящего быстро сменилась космической болезнью. На МКС Ануше понадобились ещё сутки, чтобы восстановиться после перелёта.

Мне пришлось стать мумией. Я делала лишь небольшие медленные движения, и даже от этого меня сильно тошнило

Ануше Ансари, первая женщина-турист, побывавшая в космосе

Мне пришлось стать мумией. Я делала лишь небольшие медленные движения, и даже от этого меня сильно тошнило

После этого случая в РКК «Энергия» задумались: как облегчить жизнь экипажу? По данным медиков, состояние эйфории от полёта в невесомости проходит на пятом-шестом витке, переносить космическую болезнь лучше в более комфортных условиях на МКС. Баллистики решили, что стыковаться нужно ещё и до ухода корабля в пассивную «глухую» зону, которая начинается сразу после пятого витка. Поэтому изначально специалисты разработали пятивитковую схему, но из-за особенностей управления её невозможно было испытать на «Прогрессах». В таком случае единственным допустимым вариантом короткой схемы стал полёт за четыре витка.

Для реализации своего плана в РКК «Энергия» разработали революционный подход. Раньше для перехода корабля с орбиты выведения на промежуточную, так называемую орбиту фазирования, аппарат тратил целый виток на измерения и расчёты для проведения манёвров. Теперь предварительные расчёты проводили на Земле, поэтому корабль поднимался на орбиту фазирования сразу после выведения. Следующие витки отводились на полноценное измерение орбиты и исправление ошибок выведения при помощи корректирующих импульсов — ракета-носитель «Союз-ФГ» с аналоговой системой управления выводила пилотируемые аппараты на орбиту с большой погрешностью. На автономное сближение со станцией корабль выходил уже на четвёртом витке.

Схема 34-виткового полёта к МКСнизкая опорная орбитакоэллиптическая орбитаорбита фазированияорбита МКСЗемляМКС«Союз»Стыковка «Союза» с МКССхема 4-виткового полёта к МКСнизкая опорная орбитакоэллиптическая орбитаорбита фазированияорбита МКСЗемляМКС«Союз»ЗемляСтыковка «Союза» с МКС

Так получилась четырёхвитковая схема. Она сокращала полёт до шести часов и в то же время, при возникновении нештатной ситуации, позволяла спокойно перейти на привычную двухсуточную схему. Разработку испытывали на «Прогрессах» в 2012 и 2013 годах. После трёх успешных попыток на «грузовиках» короткую схему решили опробовать уже на «Союзе». В марте 2013 года космонавты Роскосмоса Павел Виноградов, Александр Мисуркин и астронавт NASA Кристофер Кэссиди добрались до Международной космической станции за рекордные (на тот момент) шесть часов. После перехода на новые корабли — «Союз МС» — пилотируемые полёты по короткой схеме в целом стали штатными.

Характер работы поменялся, но не стал в два раза сложнее. Главное требование к космонавтам — чёткая работа. Оно легко выполнимо для хорошо подготовленных экипажей, а у нас все экипажи подготовлены хорошо

Павел Виноградов, командир экипажа, совершившего полёт на корабле «Союз ТМА-08М» по четырёхвитковой схеме

Характер работы поменялся, но не стал в два раза сложнее. Главное требование к космонавтам — чёткая работа. Оно легко выполнимо для хорошо подготовленных экипажей, а у нас все экипажи подготовлены хорошо

Баллистический кёрлинг

И всё же короткая схема оказалась не совсем идеальной. Время в полёте сократилось, рабочее время космонавтов, наоборот, стало длиннее. «Глухих витков», на которых экипаж отдыхал при двухсуточной схеме, больше не было. Теперь от подъёма и завтрака до стыковки проходило порядка 16–18 часов. При этом 11 из них космонавты проводили в скафандрах. На то, что люди по-прежнему прилетают на станцию уставшими, указывали и медики. Разрешить ситуацию снова рискнули баллистики. Они предложили сократить время полёта с шести часов до трёх.

Разработанная в 2016 году сверхкороткая двухвитковая схема сближения стала возможна благодаря переходу на ракету «Союз-2.1». В отличие от предыдущего «Союза-ФГ» новый носитель имеет цифровую систему управления, которая позволяет выводить аппараты на орбиту с высокой точностью. Полёт начинается по тому же принципу, что и на четырёхвитковой, но благодаря точности ракеты корректирующие манёвры не требуются. Новая схема экономит два импульса и три часа.

Полёт за два витка упрощает работу космонавтам — меньше операций, меньше включений двигателя «Союза». Для баллистиков, напротив, задач становится больше. Ключевым параметром, влияющим на возможность стыковки со станцией, является фазовый угол. Корабль и МКС должны находиться под определённым углом в момент выведения. Чем меньше время полёта, тем меньше становится фазовый диапазон. Для сравнения, фазовый диапазон двухсуточной схемы — 150 градусов, четырёхвитковой — 22, двухвитковой — 6. «Поймать» станцию при двухвитковой схеме становится сложно, в случае ошибки лететь придётся на следующий день уже по двухсуточной схеме.

Схема 2-виткового полёта к МКСнизкая опорная орбитаорбита МКСЗемляМКС«Союз»ЗемляСтыковка «Союза» с МКС

Ко всему прочему, станция ежедневно снижается. Поэтому для обеспечения строгих фазовых условий к дате старта специалисты РКК «Энергия» и ЦУП расписывают корректирующие манёвры для поддержания высоты орбиты МКС на месяцы вперёд. Разработчик коротких схем Рафаил Муртазин сравнивает такой подход с баллистическим кёрлингом. Цель «игры» — правильно «подвести» орбитальную станцию к быстрой стыковке. Даты коррекции орбиты МКС расставляют, словно камни в кёрлинге. Как и в игре, они служат для защиты «дома» — фазы выведения. Поэтому, если до старта потребуется выполнить коррекцию орбиты МКС с целью уклонения от космического мусора, баллистики могут пожертвовать одним из «камней». При этом на реализацию такой схемы не требуется дополнительных затрат топлива со стороны станции.

Считаю двухвитковую схему более удобной с точки зрения восприятия организмом. По сути работа ничем не отличается, только выполняется без перерывов, более сжато и динамично

Сергей Рыжиков, командир экипажа, совершившего полёт на корабле «Союз МС-17» по двухвитковой схеме

Считаю двухвитковую схему более удобной с точки зрения восприятия организмом. По сути работа ничем не отличается, только выполняется без перерывов, более сжато и динамично

Уменьшение нагрузки на космонавтов — не единственное преимущество сверхкороткой схемы. Новый метод позволяет заметно экономить расход топлива корабля. По словам баллистиков, «Союз» в полёте по двухвитковой схеме экономит порядка 30 килограммов топлива за счёт отсутствия расхода энергии на закрутки и дополнительные развороты корабля. Топливо никогда не бывает лишним: чем больше в баках корабля остаётся горючего, тем более безопасным и надёжным становится полёт. Например, сохранённые килограммы топлива могут обеспечить резервную стыковку, в том случае если при сближении со станцией что-то пойдёт не так.

Первые испытания двухвитковой схемы на «Прогрессах» в 2017 и в начале 2018 года провести не удалось: из-за технических неполадок «грузовики» стартовали в резервную дату по двухсуточной схеме. Успешный пуск удалось отработать в июле 2018-го, «Прогресс МС-09» добрался до станции за 3 часа 40 минут. Уже после пяти благополучных полётов сверхкороткую схему решили испытать и на пилотируемом корабле.

Сколько времени занимает полёт к МКССколько времени занимает полёт к МКС

Первый в истории полёт «Союза» на МКС по сверхбыстрой схеме состоялся 14 октября 2020 года. Россияне Сергей Рыжиков, Сергей Кудь-Сверчков и астронавт NASA Кэтлин Рубинс долетели до станции за рекордные 3 часа 3 минуты. Ракета-носитель «Союз-2.1а» стартовала с космодрома Байконур в 08:45 мск, а уже в 11:48 мск корабль «Союз МС-17» в штатном режиме пристыковался к модулю «Рассвет» российского сегмента МКС.

3 часа 3 минуты — это в два раза лучше прежнего показателя. Какой русский не любит быстрой езды, как говорится. Считаем, что это [сверхкороткую схему] можно отрабатывать дальше

Дмитрий Рогозин, генеральный директор госкорпорации «Роскосмос»

3 часа 3 минуты — это в два раза лучше прежнего показателя. Какой русский не любит быстрой езды, как говорится. Считаем, что это [сверхкороткую схему] можно отрабатывать дальше

Для полной отработки новой схемы Роскосмос провёл в 2021 году два пилотируемых полёта. Первый состоялся 9 апреля. Корабль «Союз МС-18», получивший имя «Ю.А. Гагарин», добрался до МКС почти за 3,5 часа. 5 октября «Союз МС-19» доставил на станцию космонавта Антона Шкаплерова, а также актрису Юлию Пересильд и режиссёра Клима Шипенко, которые снимут первый художественный фильм в космосе. Всё это время грузовые «Прогрессы» запускали по двухсуточной схеме, чтобы сосредоточить силы на подготовке нужной фазы для «Союзов».

По словам Сергея Кудь-Сверчкова, для которого полёт по двухвитковой схеме осенью 2020 года стал первым космическим стартом в целом, острую фазу космической болезни он переносил уже на станции. «Новички, как я, заранее подготовлены, знают, как вести себя первое время в невесомости: двигаться плавно, без спешки. Работоспособность, конечно, снижается, но состояние позволяет выполнять поставленные задачи», — рассказал космонавт. После завершения всех испытаний космонавты смогут летать на МКС быстрее, чем люди на Земле добираются из одной точки в другую. Но, как известно, предела совершенству не бывает, поэтому отдел баллистики РКК «Энергия» разработал ещё более короткую схему сближения — за один виток.

В будущее за один виток

Ещё быстрее

В апреле 2021 года генеральный директор Роскосмоса Дмитрий Рогозин заявил о том, что одновитковая схема полётов может быть опробована на «Прогрессе» уже в 2022 году. Концепцию такого полёта разработали в РКК «Энергия» в 2019 году. Специалисты рассчитывают, что по новой схеме корабль сблизится со станцией примерно за два часа.

По плану после старта космическому кораблю необходимо совершить два импульса, которые выведут его на коэллиптическую орбиту. Её особенность в том, что в каждой точке расстояние до трассы МКС будет одинаковым. Когда угол наблюдения станции с корабля составит 23 градуса, будет выдан третий импульс. Он и подведёт аппарат к МКС для стыковки. Но для осуществления этой схемы понадобится введение ещё одного элемента — квазикомпланарного выведения.

Схема 1-виткового полёта к МКСкоэллиптическая орбитаорбита МКСЗемляМКС«Союз»Землястыковка «Союза» с МКС

Как мы уже писали во второй главе, главный фактор, определяющий длительность сближения корабля и МКС, — значение фазового угла между ними в момент старта. И здесь возникает главная сложность: для полёта по одновитковой схеме фазовый диапазон (допустимые значения фазового угла, при которых возможна стыковка с МКС) должен составлять 0,5 градуса. Для сравнения: у двухвитковой — 6.

Представляете, с какой точностью нужно людям сработать, чтобы это обеспечить? Это невозможно, это игольное ушко. А что делать, не летать? Нет, есть способ, называется квазикомпланарное выведение

Рафаил Муртазин, начальник отдела баллистики РКК «Энергия»

Представляете, с какой точностью нужно людям сработать, чтобы это обеспечить? Это невозможно, это игольное ушко. А что делать, не летать? Нет, есть способ, называется квазикомпланарное выведение

При старте с Байконура квазикомпланарное выведение помогает увеличить фазовый диапазон до 20 градусов (шанс «поймать» станцию становится выше). Суть этого метода заключается в том, что корабль выводится на орбиту с наклонением, отличным от угла наклонения орбиты МКС к экватору (51,66 градуса). Таким образом, после старта корабль и станция находятся в разных плоскостях. Чтобы исправить это, корабль должен совершить дополнительный манёвр. По словам Муртазина, технически ракета-носитель «Союз-2.1а» способна реализовать одновитковую схему.

Одновитковая схема сближения при квазикомпланарном выведении будет более эффективна для стартов с космодрома Восточный, который находится в Амурской области. Байконур расположен на широте 46,5 градуса, а Восточный — 51,7, что ближе к значению угла наклонения орбиты МКС. В результате квазикомпланарного выведения с Восточного можно добиться фазового диапазона около 100 градусов. Это позволит осуществлять запуски почти ежесуточно.

Сегодня все пилотируемые миссии стартуют с Байконура. Но на Восточном идёт строительство второго стартового комплекса для ракеты-носителя «Ангара». Поэтому пилотируемые миссии с Дальнего Востока возможны уже в ближайшем будущем.

Назад в будущее

Разработка одновитковых схем — это не просто спортивный интерес. Сверхбыстрые полёты необходимы для реализации других космических программ, в частности лунной.

Начались разговоры про одновитковую схему. Почему? Во-первых, сократим время на 1,5 часа. Во-вторых, не потому что хочется быстро, главное — думать о том, что в будущем. А будущее — это лунные программы

Рафаил Муртазин, начальник отдела баллистики РКК «Энергия»

Начались разговоры про одновитковую схему. Почему? Во-первых, сократим время на 1,5 часа. Во-вторых, не потому что хочется быстро, главное — думать о том, что в будущем. А будущее — это лунные программы

СССР и США в 1960-х годах разрабатывали технологии стыковок как раз для пилотируемых полётов к Луне. В рамках американской миссии Apollo эта технология помогла обеспечить высадку человека на Луну. За один виток специальный облегчённый модуль с экипажем готовился к посадке и также за один виток возвращался к кораблю, который ждал на лунной орбите. По словам Муртазина, такая схема будет актуальна и для современных программ.

Выход кораблей миссии Apollo за пределы околоземного пространства обеспечивала сверхтяжёлая ракета Saturn V. В наше время Россия ведёт разработку сверхтяжёлого «Енисея», который станет основной ракетой-носителем для второго этапа Российской лунной программы, в рамках которой предусмотрены пилотируемые миссии. Но до его появления эту задачу могут решать с помощью «Ангары» и собираемых перелётных модулей на орбите. И тут без одновитковой схемы снова не обойтись.

Для того чтобы доставить пилотируемый корабль к Луне, его на околоземной орбите необходимо состыковать с кислородно-водородным разгонным блоком, старт которого будет проходить отдельно. Кораблю необходимо состыковаться с ним как можно быстрее.

может «прожить» кислородно-водородный разгонный блок на орбите

Нагреваясь, он теряет свою эффективность.

может «прожить» кислородно-водородный разгонный блок на орбите

Нагреваясь, он теряет свою эффективность.

В этом случае имеет значение каждая сэкономленная минута, поэтому одновитковая схема как раз должна справиться с этой задачей. Также планируется, что уже после стыковки корабль с разгонным блоком совершит ещё один виток вокруг Земли для проверки всех систем и, если всё будет в порядке, отправится к Луне.

Подобные двойные запуски кораблей и разгонных блоков будут возможны после введения второго стартового комплекса для «Ангары» на Восточном.

Больше возможностей

Мы уже рассказывали во второй главе, что быстрые схемы полётов к МКС задумывались в первую очередь для улучшения самочувствия космонавтов за счёт сокращения времени пребывания в тесном корабле. Кроме того, корабль экономит топливо и сокращает расход батареи, что влияет на безопасность экипажа. Но это далеко не все преимущества. Реализация коротких схем, особенно одновитковой, открывает дополнительные возможности.

Благодаря коротким схемам рабочий день сокращается не только на орбите, но и на Земле. Во время запуска по традиционной двухсуточной схеме ЦУП работает 24 часа практически трое суток. Короткие схемы позволяют значительно разгрузить наземные службы. Работники уже оценили это во время полётов по двухвитковой схеме.

Кроме того, короткие схемы полёта будут необходимы в случае проведения спасательных операций в космосе или во время нештатных ситуаций на МКС. Помощь с Земли сможет добраться быстрее, а когда речь идёт о человеческих жизнях, важна каждая минута.

Ещё одним преимуществом этих схем является быстрая доставка на станцию различных биоматериалов для проведения научных экспериментов. Работа в этом направлении на МКС ведётся постоянно, за 22 года существования станции члены экипажа провели более 2 тыс. экспериментов, большинство из них в области биологии и биотехнологий. Например, выращивание сложных белковых структур. Подготовка к экспериментам проводится в специальных лабораториях ещё на Байконуре, а необходимые компоненты укладываются в корабль за два-три часа до старта. Биологам важно, чтобы время доставки до МКС было минимальным.

Мы проводим на МКС уникальные эксперименты Поэтому возможность летать быстро — большая радость и огромная победа для наших учёных

Павел Виноградов, командир экипажа, совершившего полёт на корабле «Союз ТМА-08М» по четырёхвитковой схеме

Мы проводим на МКС уникальные эксперименты Поэтому возможность летать быстро — большая радость и огромная победа для наших учёных

Короткие схемы сделают космические полёты доступнее для туристов: им станет физически проще переносить путь к МКС.

Как показывает более чем полувековая практика освоения космоса, технологии стыковок будут актуальны всегда: для полётов к МКС или к будущим станциям, а также для межпланетных миссий. Поэтому можно смело сказать, что короткие схемы всегда будут оставаться востребованными.

Как космические ракеты работают без воздуха?

Ракета SpaceX Falcon Heavy стартует в клубах дыма. (Изображение предоставлено SpaceX)

В космосе ракеты летают без воздуха, на который можно было бы натолкнуться. В чем их секрет?

Оказывается, ракетные двигатели отличаются от двигателей самолетов или другого наземного оборудования. Ракетные двигатели несут в космос все, что им нужно, а не полагаются на воздух.

Как и земные двигатели, ракетные двигатели работают на основе внутреннего сгорания. Поскольку все формы горения нуждаются в кислороде, ракеты несут с собой в космос окислитель, такой как жидкий кислород. Это означает, что им не нужно полагаться на окружающий воздух, как это делает автомобильный двигатель.

«Тогда у ракеты все еще есть топливо, будь то керосин, метан или жидкий водород, чтобы произвести реакцию», — сказала Live Science Кассандра Марион, научный советник Канадского музея авиации и космонавтики.

Связанный: Вселенная вращается?

Ракета SpaceX Falcon 9 запускает в космос 60 интернет-спутников Starlink с площадки 39A Космического центра имени Кеннеди НАСА на мысе Канаверал, Флорида, 6 октября 2020 года. Это был третий полет Falcon 9.бустер. (Изображение предоставлено SpaceX)

Конструкция ракеты включает камеру сгорания, где реагируют окислитель и топливо, а затем сопло, из которого выходят продукты сгорания, пояснила она.

«Взрыв, вызванный этим сгоранием, создаст очень горячие газы, которые выбрасываются из днища ракеты», — сказала Марион. «Если вы приложите достаточно силы к нижней части ракеты, реакция будет движением ракеты в противоположном направлении».

Это отсылка к третьему закону движения Исаака Ньютона. Мы часто формулируем это, говоря, что каждое действие вызывает равную и противоположную реакцию, хотя это не совсем так, как Ньютон назвал это.

Один старый английский перевод его латыни из «Математических принципов натуральной философии (том 1) » 1766 года описывает этот закон: «Каждому действию всегда противостоит равное противодействие: или взаимные действия два тела друг на друга всегда равны и направлены в противоположные стороны».

Другими словами, ракеты работают во вселенной сил. Иногда силы неуравновешены, что мы видим, когда ускорение ракеты толкает ее инертное тело вверх в космос. Иногда, однако, силы уравновешены, например, книга лежит на столе (или ракета, ожидающая старта на стартовой площадке).

«Согласно третьему закону, стол прикладывает к книге равную и противоположную силу. Эта сила возникает потому, что вес книги заставляет стол слегка деформироваться, так что он давит на книгу, как свернутая пружина,» Британика написала (откроется в новой вкладке).

Ракета United Launch Alliance Atlas V с марсоходом НАСА «Настойчивость» на борту освещена прожекторами на стартовой площадке космодрома 41 во вторник, 28 июля 2020 г., на базе ВВС на мысе Канаверал во Флориде. (Изображение предоставлено НАСА/Джоэл Ковски)

(открывается в новой вкладке)

Правила движения также должны учитывать орбитальную механику. Проще говоря, вокруг больших планет, таких как Земля, каждая возможная высота имеет определенную скорость, связанную с ней.

Высшей точкой орбиты является перицентр, а самой низкой точкой — апоцентр. Как объяснило НАСА , ракеты могут увеличить свой перицентр, только включив свои двигатели (или иным образом увеличив свою энергию), находясь в апоапсисе. Или, если ракеты хотят снизить высоту, им нужно снимать энергию (включать двигатели) в перицентре.

Земная атмосфера оказывает постоянное сопротивление космическим кораблям и Международной космической станции, заставляя их периодически запускать ракетные двигатели, чтобы предотвратить падение на Землю. Таким образом, миссии на всех околоземных орбитах, кроме самых высоких, должны нести достаточно топлива, чтобы предотвратить это «откатывание».

«Существуют очень точные измерения того, сколько топлива нужно заправить в ракету, в зависимости от размера ракеты, типа топлива и всего, что добавляется к массе ракеты», — сказала Мэрион. Дизайнеры также должны учитывать второй закон Ньютона. Один из способов перефразировать это: силы, приложенные к объекту, придают ему ускорение, при этом величина ускорения зависит от массы объекта.

Система космического запуска НАСА использует дополнительные ускорители, чтобы поднять большую стартовую массу с земли. (Изображение предоставлено НАСА/Гленн Бенсон)

Поэтому перед отправкой корабля на орбиту конструкторы должны учитывать удельный импульс ракеты. По словам НАСА, это показатель того, насколько эффективно ракетное топливо с точки зрения количества тяги на количество сожженного топлива. «Чем выше удельный импульс, тем больше «отталкивания от колодки» вы получаете на каждый фунт топлива», — добавили в агентстве .

Добавление топлива в ракету не всегда решает проблемы с орбитой. Это связано с тем, что больше топлива означает большую массу, что увеличивает стоимость миссии, поскольку потребуется больше энергии, чтобы оттолкнуть космический корабль и ракету от стартовой площадки.

НАСА часто использует жидкий водород и жидкий кислород, потому что эта комбинация обеспечивает самый высокий удельный импульс любого обычно используемого ракетного топлива, по данным агентства. Однако водород имеет настолько низкую плотность, что использовать топливо в чистом виде нецелесообразно: бак будет «слишком большим, слишком тяжелым и со слишком большой изоляцией, защищающей криогенное топливо, чтобы быть практичным», заявило агентство.

связанные загадки

Вот почему многие запуски ракет требуют ускорителей. Одним из сегодняшних примеров является система космического запуска НАСА (открывается в новой вкладке), ракета для дальних космических полетов на Луну, предназначенная для использования двух ускорителей. Вместе ускорители обеспечивают 75 % общей стартовой тяги (открывается в новой вкладке), необходимой для отрыва SLS от земли.

Для более дальних направлений космические агентства проявляют творческий подход. Чтобы сэкономить деньги при съемке далеких планет, таких как Юпитер, некоторые космические корабли вращаются вокруг планеты (скажем, Венеры) и используют ее гравитацию для увеличения скорости. Это сокращает время, необходимое для того, чтобы добраться до других пунктов назначения, и требует, чтобы ракета несла меньше топлива, чем требуется для столь далекого полета.

Первоначально опубликовано на Live Science.

Элизабет Хауэлл является постоянным автором Live Science и Space.com, а также ряда других научных публикаций. Она одна из немногих канадских репортеров, специализирующихся на космических репортажах. Элизабет имеет степень бакалавра журналистики в Карлтонском университете (Канада) и степень магистра наук. Космические исследования (дистанционные) в Университете Северной Дакоты. Элизабет стала штатным фрилансером после получения степени магистра наук. в 2012 году. Она лично сообщила о трех запусках космических челноков и однажды провела две недели на изолированном объекте в Юте, притворяясь марсианином.

Ответ

читателей: как космический корабль маневрирует в космическом вакууме? | Космос

Как космический корабль маневрирует в космосе? Неужели в вакууме сила реакции не сработает?
Rolf Ericsson

Пожалуйста, направляйте новые вопросы на [email protected] .

Ответы

Да ладно, приятель, это не ракетостроение
jimble675

Распространенное заблуждение

Среди публики распространено заблуждение, что когда ракета взлетает, она каким-то образом толкает воздух на стартовую площадку или на стартовую площадку вокруг него, чтобы набрать высоту. Это основано на здравом смысле и повседневном опыте. Допустим, вы идете на каток в коньках и хотите двигаться вперед; вам просто нужно нажать на что-то твердое, например, на край катка, в другом направлении. Но здравый смысл — плохой ориентир в случае с ракетой; например, как бы вы объяснили, что ракета все еще ускоряется в сторону космоса, когда она находится высоко над площадкой и движется сквозь облака? В самом деле, как он может менять направление в космическом вакууме?

Простой ответ заключается в том, что ракета движется, толкая газ, выходящий из ее двигателей. Хотя кажется невозможным, чтобы массивная ракета двигалась только за счет выпуска газа, это простая научная истина, основанная на третьем законе движения Ньютона: на каждое действие в природе есть равное и противоположное противодействие. Другими словами, когда один объект воздействует на другой объект, этот второй объект оказывает на первый объект силу, равную по величине, но противоположную по направлению. Итак, когда ракета с силой выталкивает газ из своих сопел, тот же самый газ, плазма, состоящая из множества крошечных атомов, разгоняющихся с очень высокой скоростью, одновременно давит на ракету, толкая ее вперед. В случае одной из самых мощных когда-либо созданных ракет, ракеты НАСА «Сатурн-5», которая доставила астронавтов «Аполлон» к Луне, тяга ее двигателей при старте была эквивалентна 7,6 млн фунтов газа, выбрасываемого из-за ракеты каждую секунду. .

То же самое происходит, когда вы сидите в весельной лодке и бросаете за корму массивный предмет, например бревно или большой камень; немедленно лодка двинется вперед. Чем массивнее предмет, который вы бросите, тем сильнее будет ускоряться лодка в другом направлении и тем быстрее она будет двигаться. Действие-реакция!

Как насчет ракеты, маневрирующей в космическом вакууме? Действительно, упираться не в что, но ситуация точно такая же, как и на стартовом столе: чтобы двигаться в одну сторону, пилоту достаточно активировать какую-то струю из сопла, направленного в другую сторону, и вуаля ! Газ, выбрасываемый в одном направлении, давит на ракету и толкает ее в противоположном направлении. Помните Сандру Буллок в «Гравитации», которая с помощью огнетушителя перебрасывалась с одной космической станции на другую? Ну, последняя часть не имеет смысла, но принцип действия-противодействия, иллюстрируемый стрельбой из огнетушителя и полетом Буллока в противоположном направлении, на высоте. Но она забыла одну вещь: в космическом вакууме, где нет трения, тормозящего вас, единственный способ остановиться — использовать принцип действия-противодействия в противоположном направлении, иначе вы просто продолжаете двигаться с постоянной скоростью в течение Когда-либо. Жаль, Буллок не взяла с собой второй огнетушитель!
Prof Pierre Chastenay, Université du Québec à Montréal

Горение для тяги

Сила реакции (третий закон Ньютона) — это точный принцип, который используется в космосе для движения.

В случае химического двигателя топливо сгорает в камере сгорания, в которой образуются очень горячие продукты сгорания под высоким давлением. Эти продукты сгорания разгоняются через сужающееся-расширяющееся сопло (колокол), которое повышает скорость газа до скорости звука в горловине (точка минимальной площади поперечного сечения), а затем дополнительно ускоряет поток сверх скорости звука в расширяющаяся часть сопла. Эта скорость продуктов сгорания в сочетании с их массой и есть импульс, определяющий силу реакции. Это также может быть достигнуто с помощью электрического двигателя, который выбрасывает заряженные частицы с гораздо большей скоростью, но с гораздо меньшей массой.

Кроме того, на поверхность расширяющейся секции сопла действует сила давления, которая зависит от разницы между давлением окружающей среды и давлением в выходной плоскости сопла.
Фил Гэдсби, инженер-двигатель, Dawn Aerospace

В среднем космический корабль вообще не движется

Сила реакции — это именно то, как они работают. Космический корабль в среднем вообще не движется. Он отбрасывает часть своей массы в одну сторону (горящее топливо, которое полностью находилось внутри ракеты), а летит в другую. В среднем исходная масса продолжает двигаться с той же скоростью (сохранение импульса). На Земле предметы могут сталкиваться с другими объектами, используя трение (то, что делают шины автомобиля, чтобы заставить его двигаться, или крылья самолета, противодействующие воздуху, чтобы помочь ему поворачиваться), чего вы не можете сделать в космосе, отсюда и бессмысленность Крестокрылы в фильмах о «Звездных войнах», которые, кажется, заставляют космический корабль крениться и поворачиваться, когда они ничего подобного не делают. Настоящий космический корабль должен был бы быстро вытолкнуть топливо вправо, чтобы начать движение влево, но то, как он поворачивается, выглядит совершенно иначе, чем то, как самолет поворачивается в атмосфере.
Nic Océan, Швейцария

Криогенное топливо

Большая часть используемых сегодня ракетных двигателей — это химические ракеты; то есть они получают энергию, необходимую для создания тяги, в результате химических реакций для создания горячего газа, который расширяется для создания тяги. Существенным ограничением химического двигателя является то, что он имеет относительно низкий удельный импульс, который представляет собой отношение создаваемой тяги к массе топлива, необходимого при определенной скорости потока.

Значительное улучшение удельного импульса (более 30%) может быть достигнуто за счет использования криогенных пропеллентов, таких как, например, жидкий кислород и жидкий водород. Исторически эти топлива не применялись за пределами верхних ступеней. Кроме того, многочисленные концепции передовых технологий двигательных установок, таких как электрическая двигательная установка, обычно используются для поддержания станций на коммерческих спутниках связи и в качестве основной двигательной установки в некоторых научных космических миссиях, поскольку они имеют значительно более высокие значения удельного импульса. Однако они, как правило, имеют очень малые значения тяги и поэтому должны работать в течение длительного времени, чтобы обеспечить полный импульс, необходимый для миссии.
Юлиан Димитров, Гертс

Системы управления реакцией

Силы реакции действительно работают в вакууме. Космические аппараты обычно оснащены системой управления реакцией (RCS). Обычно они расположены в определенных местах снаружи космического корабля, чтобы можно было изменить его ориентацию.

Часто космические корабли также имеют более крупный главный ракетный двигатель, который используется для подъема или понижения его орбиты или изменения плоскости орбиты, известного как векторизация. Представьте себе двух астронавтов, парящих рядом друг с другом внутри космического корабля. Если бы один астронавт толкнул другого, оба астронавта отошли бы от своего исходного положения в противоположных направлениях с одинаковой скоростью (при условии, что они имеют одинаковую массу).

При воспламенении подруливающего устройства RCS или главного двигателя образовавшийся газ выбрасывается с очень высокой скоростью из раструба двигателя или подруливающего устройства. Движение этого газа от космического корабля обеспечивает силу реакции, толкающую его в противоположном направлении. После того, как был инициирован маневр по крену, тангажу или рысканию путем включения двигателя RCS, космический корабль будет продолжать движение вдоль оси двигателя даже после того, как он прекратит работу. Равный прожиг необходимо произвести в противоположном направлении, чтобы затем стабилизировать космический корабль.
Бен Диган

Система орбитального маневрирования

Поскольку в космосе нет среды, нет сопротивления движущему движению; выбросьте вещи из задней части космического корабля, и вы ускоритесь вперед. Чем быстрее ты выбрасываешь вещи в спину, тем быстрее ты разгоняешься, но из-за отсутствия среды маневровые плавники или крылья бесполезны для маневрирования, маневрировать нечем, поэтому маленькие ракеты, расположенные во всех трех плоскостях (х, y, z) транспортного средства используются в различных комбинациях для обеспечения желаемой ориентации. Система известна как OMS или система орбитального маневрирования, хотя космическому кораблю не обязательно находиться на орбите вокруг тела, чтобы использовать ее. Тот факт, что космос в основном пуст и не имеет значительной среды, означает, что вы должны брать с собой все свое топливо (которое составляет рабочее тело), ​​но плюс в том, что нет никакого сопротивления движению, если вы не находитесь слишком близко к планете. , поэтому однажды достигнутая скорость остается вашей скоростью до тех пор, пока вы не столкнетесь с чем-то, что маловероятно, потому что пространство очень большое и в основном пустое.
Therion Ware, Stevenage

Маневренные типы

Забавно читать этот вопрос при написании программного обеспечения для маневрирования малых космических кораблей. Я руковожу программным обеспечением в офисе поставщика малых спутников в Глазго. Мы делаем малые космические корабли для огромного спектра применений.

Я бы хотел разделить вопрос на два типа маневрирования:

Отношение (куда вы указываете) и
Положение (где вы находитесь)

Для корректировки пространственного положения у нас есть две основные формы маневрирования:

Реактивное колесо. Вращая вверх и вниз колеса, установленные в направлениях x, y и z, и внезапно изменяя их ускорение, мы очень точно контролируем положение космического корабля.

Магнитометры. У каждой компании свой подход к этому, но у нас есть большие петли из проволоки, встроенные в наши солнечные панели. Изменяя электрическое поле вокруг корабля с помощью этих петель и взаимодействуя поля с магнитным полем Земли, мы можем изменить свое положение, хотя и не с таким точным контролем, как с реактивными колесами.

Корректировка положения (орбиты):

Как правило, в небольших кораблях у нас нет реального прямого метода корректировки нашей орбиты. В экстремальных обстоятельствах, таких как предотвращение столкновений, мы направляем наши солнечные батареи в направлении движения корабля. Это вызывает небольшое сопротивление с ограниченным количеством атмосферы, с которой вы сталкиваетесь на низкой околоземной орбите, и корректирует орбиту корабля.

г. Опять же, есть несколько подходов к этому, но основная концепция одна и та же. Выбросьте что-нибудь из своего корабля в одном направлении, и вы скорректируете орбиту. У более крупного корабля будет запас газа для этого. Для нас, тех, кто занимается гораздо меньшими кораблями, вы можете использовать импульсно-плазменный двигатель, своего рода маленькую свечу зажигания, которая разрушает небольшое количество тефлона, искря на нем и выбрасывая образовавшиеся обломки из задней части корабля.

Есть и более экзотические формы двигателей, например, солнечные паруса, которые используют тепловое давление излучаемой солнцем энергии для толкания корабля, почти так же, как лодочный парус использует ветер.
Колин Уодделл, Глазго

Вопросы навигации

Другие авторы, гораздо более компетентные, чем я, уже объяснили физику, стоящую за этим, но, в качестве отступления, может быть уместно упомянуть, что по мере того, как пространство вокруг нашей планеты становится все более и более чем больше людей, тем важнее заранее предупредить другие транспортные средства, прежде чем запускать двигатели, чтобы отклонить свой космический корабль от его текущего курса.

В некоторых более ранних аппаратах, все еще находящихся в эксплуатации, астронавт-навигатор высовывает свою руку из специального герметичного порта или «окна» и подает одну из согласованных на международном уровне, но сложных сигналов рукой в ​​перчатке для связи их намерения. Это не совсем удовлетворительно, поскольку только некоторые люди и очень немногие роботизированные аппараты понимают или даже замечают жесты, и, следовательно, было несколько промахов.

К счастью, ситуация значительно улучшилась теперь, когда все современные космические корабли оснащены привлекательным и понятным набором мигалок Гордона.
ThereisnoOwl

Как работают ракеты: полное руководство

Система космического запуска НАСА (SLS) доставит астронавтов на Луну. (Изображение предоставлено: Гетти) Ракеты

— лучший способ для нашего вида вырваться из атмосферы Земли и достичь космоса. Но процесс, позволяющий заставить эти машины работать, далеко не прост. Вот что вам нужно знать о запуске ракеты в космос.

Как стартуют ракеты

Писатели и изобретатели веками мечтали исследовать вселенную за пределами Земли, но настоящие трудности путешествия в космос стали очевидны только в 19век. Экспериментальные полеты на воздушном шаре показали, что земная атмосфера быстро истончается на больших высотах, поэтому еще до того, как полеты с двигателем стали реальностью, инженеры знали, что устройства, которые создают направленную вперед или направленную вверх силу, отталкиваясь от окружающей среды, такой как воздух, такие как крылья и пропеллеры — в космосе бесполезны.

Другая проблема заключалась в том, что двигатели внутреннего сгорания — такие машины, как паровые или бензиновые двигатели, которые вырабатывают энергию за счет сжигания топлива в кислороде из земной атмосферы — также отказывали в безвоздушном пространстве.

К счастью, уже было изобретено устройство, решившее проблему создания силы без внешней среды, — ракета. Первоначально используемые в качестве оружия войны или в фейерверках, ракеты генерируют силу в одном направлении, называемую тягой, по принципу действия и противодействия: выхлопные газы, выделяемые взрывоопасными химическими веществами, выбрасываются из задней части ракеты с высокой скоростью и по мере того, как в результате ракета толкается в другом направлении, независимо от окружающей среды, НАСА объясняется в этом учебнике (pdf).

Ключ к использованию ракет в космосе заключается в том, чтобы нести химическое вещество, называемое окислителем, которое может выполнять ту же роль, что и кислород в земном воздухе, и позволяет сгорать топливу.

Уникальная конструкция космического корабля «Шаттл» направляла топливо из внешнего бака к основным двигателям шаттла во время запуска, в то время как два больших твердотопливных ускорителя помогали. (Изображение предоставлено НАСА)

Первый человек, серьезно изучивший потенциал ракеты для космических путешествий, русский школьный учитель и ученый-любитель Константин Циолковский , впервые опубликовал свои выводы в 1903 году. Он правильно определил запуск как одну из самых больших проблем — момент, когда ракета должна нести все топливо и окислитель, необходимые для достижения космоса — поскольку ее вес максимален. и требуется огромное количество тяги только для того, чтобы заставить его двигаться.

Когда ракета стартует, она теряет массу через выхлопные газы, поэтому ее вес уменьшается, и такое же количество тяги будет иметь больший эффект с точки зрения ускорения остальной части ракеты. Циолковский придумал различные конструкции ракет и пришел к выводу, что наиболее эффективной установкой была ракета вертикального запуска с несколькими «ступенями» — каждая из которых представляла собой автономную ракету, которая могла нести над собой ступени на определенное расстояние, прежде чем израсходовать свое топливо, отделиться и упасть. прочь. Этот принцип все еще широко используется сегодня. (открывается в новой вкладке) уменьшает количество собственного груза, который необходимо нести в космос.

Циолковский разработал сложное уравнение, которое выявило необходимую силу тяги, необходимую для любого заданного маневра ракеты, и «удельный импульс» — сколько тяги создается на единицу топлива — необходимый для того, чтобы ракета достигла космоса. Он понял, что взрывчатое ракетное топливо его времени было слишком неэффективным для питания космической ракеты, и утверждал, что в конечном итоге для выхода на орбиту и за ее пределы потребуются жидкие топлива и окислители, такие как жидкий водород и жидкий кислород. Хотя он не дожил до признания своей работы, принципы Циолковского до сих пор лежат в основе современной ракетной техники.

Отправление в полет

Ракеты должны тонко балансировать и контролировать мощные силы, чтобы пройти через атмосферу Земли в космос.

Ракета создает тягу с помощью контролируемого взрыва, поскольку топливо и окислитель подвергаются бурной химической реакции. Расширяющиеся газы от взрыва выталкиваются из задней части ракеты через сопло. Сопло представляет собой выхлоп особой формы , который направляет горячий газ под высоким давлением, образующийся при сгорании, в поток, выходящий из задней части сопла с гиперзвуковой скоростью, более чем в пять раз превышающей скорость звука.

Третий закон движения Исаака Ньютона гласит, что каждое действие имеет равную и противоположную реакцию, поэтому сила «действия», которая выталкивает выхлоп из сопла ракеты, должна быть уравновешена равной и противоположной силой. силой, толкающей ракету вперед. В частности, эта сила действует на верхнюю стенку камеры сгорания, но, поскольку ракетный двигатель является неотъемлемой частью каждой ступени ракеты, мы можем думать, что она действует на ракету в целом.

Ядру первой ступени ракеты Delta II во время запуска помогали девять отдельных твердотопливных ускорителей. (Изображение предоставлено НАСА)

Хотя силы, действующие в обоих направлениях, равны, их видимые эффекты различны из-за другого закона Ньютона, который объясняет, как объектам с большей массой требуется больше силы, чтобы ускорить их на заданную величину. Таким образом, в то время как сила действия быстро разгоняет небольшую массу выхлопных газов до гиперзвуковых скоростей каждую секунду, равная сила реакции создает гораздо меньшее ускорение в противоположном направлении для гораздо большей массы ракеты.

По мере того, как ракета набирает скорость, крайне важно, чтобы направление движения точно совпадало с направлением тяги. Необходимы постепенные корректировки, чтобы вывести ракету на орбитальную траекторию, но серьезное смещение может привести к тому, что ракета выйдет из-под контроля. Большинство ракет, в том числе Falcon и Titan серии и лунная ракета Saturn V управляются с помощью карданных двигателей, установленных таким образом, что весь ракетный двигатель может вращаться и изменять направление своей тяги от момента к моменту. Другие варианты рулевого управления включают использование внешних лопастей для отклонения выхлопных газов при их выходе из ракетного двигателя — наиболее эффективно для твердотопливных ракет без сложного двигателя — и вспомогательных двигателей, таких как небольшие ракетные двигатели, установленные по бокам ступени ракеты.

Как работают ракетные двигатели

Современные ракетные двигатели прошли долгий путь от фейерверков, первых в истории ракет. Относительно простые твердотопливные ракеты, чаще всего используемые в качестве ускорителей для обеспечения дополнительной тяги при запуске, по-прежнему основаны на том же основном принципе воспламенения трубки, содержащей горючую смесь топлива и окислителя. После воспламенения твердотопливная ракета будет продолжать гореть до тех пор, пока ее топливо не будет израсходовано, но скорость, с которой сгорает топливо — и, следовательно, величину тяги — можно контролировать, изменяя площадь поверхности, подвергаемой воспламенению в разное время в ракете. полет.

Это можно сделать, упаковав смесь топлива и окислителя с полым зазором по центру по всей длине ракеты. В зависимости от профиля этого зазора, который может быть, например, круглым или звездообразным, величина открытой поверхности будет меняться во время полета.

Все о космосе

(Изображение предоставлено Future)

Эта статья предоставлена ​​вам All About Space.

Журнал «Все о космосе» отправит вас в увлекательное путешествие по нашей Солнечной системе и за ее пределы, от удивительных технологий и космических кораблей, которые позволяют человечеству отправиться на орбиту, до сложностей космической науки.

Более распространенные жидкостные ракеты намного сложнее. Как правило, они включают в себя пару топливных баков — по одному для топлива и окислителя — соединенных с камерой сгорания через сложный лабиринт труб. Для подачи жидкого топлива в камеру через систему впрыска используются высокоскоростные турбонасосы, приводимые в движение собственными независимыми моторными системами. Скорость подачи может быть увеличена или уменьшена в зависимости от потребности, а топливо может впрыскиваться в виде простой струи или мелкодисперсного распыления.

Внутри камеры сгорания для начала горения используется запальный механизм — это может быть струя высокотемпературного газа, электрическая искра или пиротехнический взрыв. Быстрое воспламенение имеет решающее значение — если в камере сгорания скапливается слишком много смеси топлива и окислителя, то замедленное воспламенение может создать достаточное давление, чтобы разнести ракету на части, катастрофическое событие, которое инженеры-ракетчики лаконично называют «жесткий старт». или «быстрая внеплановая разборка» (RUD).

Детальный проект ступени жидкостной ракеты может сильно различаться в зависимости от топлива и других требований. Некоторые из наиболее эффективных пропеллентов — это сжиженные газы, такие как жидкий водород , который стабилен только при очень низких температурах — около минус 423 градусов по Фаренгейту (минус 253 градуса по Цельсию). После загрузки на борт ракеты это криогенное топливо должно храниться в хорошо изолированных баках. В некоторых ракетах нет необходимости в механизме зажигания, использующем гиперголическое топливо, которое самовозгорается при контакте друг с другом.

Межпланетное путешествие

Ракеты являются ключом к исследованию нашей солнечной системы , но как они перемещаются с орбиты в дальний космос?

Первый этап любого космического полета включает в себя запуск с поверхности Земли на относительно низкую орбиту около 124 миль (200 км) над большей частью атмосферы. Здесь гравитация почти так же сильна, как и на поверхности, но трение верхних слоев атмосферы Земли очень мало, поэтому, если самая верхняя ступень ракеты движется достаточно быстро, она может поддерживать стабильную круговую или эллиптическую траекторию, где сила тяжести и естественная тенденция автомобиля лететь по прямой уравновешивают друг друга.

Многие космические корабли и спутники не путешествуют дальше этой низкой околоземной орбиты (LEO), но тем, кому суждено полностью покинуть Землю и исследовать более широкую Солнечную систему, требуется дальнейшее увеличение скорости, чтобы достичь космической скорости — скорость, с которой их никогда не сможет оттянуть обратно гравитация нашей планеты.

Скорость убегания у поверхности Земли — 6,9 мили в секунду (11,2 км/с) — примерно на 50% выше, чем типичная скорость объектов на НОО. Он становится ниже на большем расстоянии от Земли, и зонды, направляющиеся в межпланетное пространство, часто сначала выводятся на удлиненные или эллиптические орбиты с помощью тщательно рассчитанного импульса тяги ракеты-носителя верхней ступени, которая может оставаться прикрепленной к космическому кораблю до конца полета. его межпланетный полет. На такой орбите расстояние космического корабля от Земли может варьироваться от сотен до тысяч миль, и его скорость также будет варьироваться, достигая максимума, когда космический корабль находится ближе всего к Земле — в точке, называемой перигеем, — и замедляясь дальше.

Ядерные тепловые ракеты — это гипотетический способ создания большой тяги в течение длительного периода времени — однажды они могут сократить время полета к другим планетам. (Изображение предоставлено НАСА)

Удивительно, однако, что критический взрыв ракеты, используемой для побега в межпланетное пространство, обычно происходит, когда космический корабль находится вблизи перигея. Это связано с так называемым эффектом Оберта , неожиданным свойством уравнений ракеты, которое означает, что ракета более эффективна, когда она движется с большей скоростью.

Одним из способов понять это является то, что сжигание топлива космического корабля позволяет двигателю использовать не только его химическую энергию, но и его кинетическую энергию, которая больше на более высоких скоростях. В итоге дополнительная тяга ракеты, необходимая для достижения космической скорости с малой высоты на более высокой скорости, меньше, чем необходимая для ухода с большой высоты при движении с более низкой скоростью.

Инженеры по космическим полетам и специалисты по планированию миссий часто ссылаются на « Delta-v », необходимый для выполнения определенного маневра полета, такого как изменение орбиты. Строго говоря, термин Delta-v означает изменение скорости, но инженеры используют его специально как меру количества импульса или силы тяги во времени, необходимой для выполнения маневра. Вообще говоря, миссии планируются исходя из «бюджета Delta-V» — сколько тяги они могут генерировать и как долго, используя бортовые запасы топлива космического корабля.

Отправка космического корабля с одной планеты на другую с минимальными требованиями Delta-v включает в себя вывод его на эллиптическую орбиту вокруг Солнца, называемую переходной орбитой Хохмана (откроется в новой вкладке). Космический корабль движется по отрезку эллиптической траектории, которая напоминает спиральную дорожку между орбитами двух планет и не требует дополнительной тяги на своем пути. По прибытии к целевому объекту он может использовать только гравитацию, чтобы выйти на свою конечную орбиту, или ему может потребоваться ракетная тяга в противоположном направлении — обычно это достигается простым разворотом космического корабля в космосе и запуском двигателя — прежде чем он сможет достичь стабильная орбита.