Avaruustunnelit ja rauta päähän tai miksi tarvitsemme Vostochnyn kosmodromia

2024 Kirjoittaja: Seth Attwood | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2023-12-16 16:04

Toissapäivänä minua pyydettiin tutustumaan RIA Novostin infografiikkaan, joka on omistettu ensimmäiselle laukaisulle Vostochnyn kosmodromista. Ja siihen tulee yksi merkittävä yksinkertaistus materiaalin muodon rajoitusten vuoksi. Itse asiassa emme tarvitse Vostochny-kosmodromia, koska suurin osa siviililaukaisuista tapahtuu Baikonurin kosmodromista.

Mutta selittääksemme, miksi tarvitsemme sitä, meidän on kerrottava, miksi avaruusaluksen kiertorataa voidaan verrata tunneliin, ja myös selvitettävä, millaista "rautaa" putoaa taivaalta ja kenelle se putoaa.

Tunneli taivaalla

Orbitaaliliikkeen fysiikka on täysin ristiriitaista. Pikemminkin se on päinvastoin kuin tavallinen ihminen kuvittelee. Ja jopa hyvät elokuvat, jotka näennäisesti pyrkivät realismiin, antavat täysin väärän kuvan siitä, kuinka satelliitit ja avaruusalukset lentävät. Muistatko "Gravity", joka tunnetusti lensi Hubblesta ISS:lle ja sitten Kiinan asemalle? Vaikka hylkäämme kiertoradan korkeuksien erot, yksi kiertoradan liikkeen parametri tappaa pienimmänkin tällaisten lentojen mahdollisuuden. Tätä parametria kutsutaan "kiertoradan kaltevuudeksi".

Radan kaltevuuson kulma satelliitin kiertoradan tason ja päiväntasaajan tason välillä (maasatelliitti)

Esimerkiksi "Gravity" -tilanteessa kuva on seuraava:

Ja se, että kiertoradan tasot eivät ole ollenkaan samat, ei ole ongelma. Todellinen ongelma on, että matalalla ympyräradalla (ja Hubble, ISS, Tiangong ja muiden satelliittien massat ovat matalalla ympyräradalla) kaltevuuden muutos on erittäin kallista. "Kiertää" kiertorataa 45 °, meidän on muutettava nopeuttamme noin 8 km / s, sama määrä kuin tarvitsimme kiertoradalle. Ja nopeuden muuttaminen on polttoaineen tuhlausta ja vaiheiden nollausta. Eli jos raketti, jonka massa on 300 tonnia, asettaa 7 tonnia kiertoradalle, kaltevuuden muutoksen jälkeen 45 °:lla jää vain 150 kilogrammaa. Itse asiassa jokainen kiertorata lentää näkymätön tunnelin sisällä, jonka halkaisija riippuu sen kyvystä muuttaa nopeuttaan. Siksi satelliitteja laukaistaessaan he yrittävät tuoda ne välittömästi haluttuun kaltevuuteen.

Hakatut tiet

Mitä kaltevuutta käytetään olemassa olevissa kiertoradoissa? Maan kiertoradalla on nyt monia satelliitteja:

Jos katsot tarkasti, voit nähdä, että joillakin kiertoradoilla on enemmän satelliitteja. Tässä on kuva, joka näyttää satelliittien liikkeen suhteessa maahan:

Geostationaarinen kiertorata (vihreä). Se on pyöreä kiertorata, jonka korkeus on 36 000 km ja kaltevuus 0 °. Siinä oleva satelliitti sijaitsee yhden pisteen yläpuolella maan pinnalla, joten kuvassa oikea geostationaarinen kiertorata on merkitty vihreällä pisteellä. Vihreät silmukat ovat viallisia satelliitteja tai polttoaine lopussa. Gestationaarinen kiertorata on kuun häiritsevän vaikutuksen alaisena, ja sinun on käytettävä polttoainetta vain pysyäksesi paikallaan. Tällä kiertoradalla asuu televiestintäsatelliitteja, jotka ovat kannattavia, joten vapaita paikkoja on jo vaikea löytää siltä.

GLONAS / GPS kiertoradat (sininen ja punainen). Näiden kiertoratojen korkeus on noin 20 000 kilometriä ja kaltevuus noin 60°. Kuten nimestä voi päätellä, ne kuljettavat navigointisatelliitteja.

Naparadat (keltainen). Nämä kiertoradat ovat kaltevia noin 90 ° ja korkeus on yleensä enintään 1000 km. Tässä tapauksessa satelliitti lentää napojen yli joka kierros ja näkee koko maan alueen. Tällaisten kiertoradojen erillinen alalaji ovat auringon synkroniset kiertoradat, joiden korkeus on 600-800 km ja kaltevuus 98 °, joissa satelliitit lentävät maan eri osien yli suunnilleen samaan paikalliseen aikaan. Nämä kiertoradat ovat kysyttyjä meteorologisille, kartoitus- ja tiedustelusatelliiteille.

Lisäksi on huomattava ISS:n kiertorata, jonka korkeus on 450 km ja kaltevuus 51,6 °.

Sydämetön maantiede

No, no, me selvitimme tunnelmat, lukija sanoo. Ja missä sijaitsee kosmodromi? Tosiasia on, että on olemassa tällainen epämiellyttävä fyysinen laki:

Radan alkukaltevuus ei voi olla pienempi kuin kosmodromin leveysaste

Miksi niin? Kaikki selkenee, jos piirrämme satelliitin liikeradan Maan kartalle:

Jos me, alkaen Baikonurista, alamme kiihtyä itään, saamme kiertoradan, jonka kaltevuus on Baikonurin leveysaste, 45 ° (punainen). Jos alamme kiihtyä koilliseen, niin kiertoradan pohjoisin piste on Baikonurista pohjoiseen, eli kaltevuus on suurempi (keltainen). Jos yritämme huijata ja alkaa kiihdyttää kaakkoon, niin tuloksena olevalla kiertoradalla on edelleen pohjoisin piste Baikonurista pohjoiseen ja taas suurempi kaltevuus (sininen).

Mutta tällainen kiertorata on fyysisesti mahdoton, koska se ei kulje Maan massakeskuksen läpi. Tarkemmin sanottuna on mahdotonta lentää moottori sammutettuna. Voit olla tällaisella kiertoradalla jonkin aikaa moottorin ollessa käynnissä, mutta polttoaine loppuu hyvin nopeasti.

Siten, jos haluamme laukaista satelliitteja geostationaariselle kiertoradalle, ei päiväntasaajalta, meidän on jotenkin nollattava kiertoradan kaltevuus kuluttaen polttoainetta. Nämä kustannukset selittävät, miksi sama Sojuz-2.1a-raketti laukaisee onnistuneesti satelliitteja geostationaariselle kiertoradalle Kurun kosmodromista lähellä päiväntasaajaa, mutta sitä ei käytetä näihin tehtäviin Baikonurista.

Venäjä on pohjoinen maa. Ja jos satelliitit voidaan laukaista turvallisesti napa- ja GLONASS-kiertoradalle Plesetskistä, joka sijaitsee leveysasteella 63 °, niin geostationaarisen kiertoradan osalta mitä etelämpänä kosmodromi sijaitsee, sitä parempi. Ja tässä astuu voimaan toinen ongelma - kaikki alueet eivät sovellu kosmodromille.

Astu kumpoliin

Kaikki nykyaikaiset raketit pudottavat satelliitin laukaisussa käytettyjä vaiheita ja nokkasuojuksia, jotka putoavat Maahan. Jos törmäyspaikka on toisessa maassa, sinun on neuvoteltava kyseisen maan kanssa jokaisesta laukaisusta. Siksi esimerkiksi Baikonurin kosmodromin vähimmäiskaltevuus ei ole 45 °, vaan 51 °, koska muuten toinen vaihe putoaa Kiinaan:

Ja paikassa, jossa ensimmäinen vaihe putosi, sinun on neuvoteltava Kazakstanin kanssa ja maksettava näiden alueiden käytöstä. Joskus ilmenee ongelmia ja satelliittien laukaisu viivästyy. Syksyn alueet on vieraannettava melko suuriksi:

Ja Venäjän eurooppalaisessa osassa ei ole hyviä paikkoja kosmodromille. Pelasin kartoilla, Kaukasiassa voit väistää ja yrittää laukaista Mozdokin alueelta, mutta silloinkin sinun on yritettävä, jotta toiset vaiheet eivät putoa Kazakstaniin. Jos laukaistat raketin Krimiltä, ensimmäinen vaihe putoaa asutuille alueille lähellä Rostovia Donissa ja toinen vaihe pyrkii jälleen putoamaan Kazakstaniin. Ja tässä ei oteta huomioon infrastruktuuriongelmia molemmissa vaihtoehdoissa. Tätä taustaa vasten tarkastelet Yhdysvaltojen avaruussatamiin käytettävissä olevia taipumuksia ja pahoittelet fysiikan ja maantieteen sydämettömyyttä.

Mutta meillä on myös itärannikko. Ja jos sijoitamme kosmodromin sinne, on mahdollista löytää syrjäisiä alueita käytettyjen vaiheiden putoamiselle vaativimmille kaltevuuksille: 51, 6 ° (ISS:ään ja geostationaariseen kiertoradalle), 64, 8 ° (GLONASS, jotkin Maan mittaussatelliitit), 98 ° (naparadalle).

Jälleen kerran opinnäytetyö

Vostochnyn kosmodromin avulla voimme laukaista hyötykuormia geostationaariselle kiertoradalle ja ISS:lle ilman, että näitä laukaisuja tarvitsee koordinoida muiden maiden kanssa ja maksaa niille poissuljettujen alueiden käytöstä. Se sijaitsee maan eteläosassa ja tarjoaa alkuperäisen kiertoradan kaltevuuden, joka ei ole huonompi kuin Baikonur. On irrationaalista rakentaa laukaisukompleksi uudelle Angara-kantoraketille Baikonuriin (jälleen kerran laukaisujen ja törmäysalueiden koordinointi), mutta Vostochnysta se ei tarjoa vähemmän hyötykuormaa.

Kiva pikku juttu: uusi laukaisukompleksi huoltotorneineen mahdollistaa Kouroun tapaan länsimaisten hyötykuormien laukaisun, jotka on asennettava kantoraketille pystyasentoon.

Bonus on myös infrastruktuurin kehittäminen, sysäys alueen kehitykselle, tiedekaupunki ja niin edelleen.

UPD: infografiikka ulos. Harmi, emme ehtineet piirtää uudelleen satelliittien sijoittelua. Yritimme silti hyvin lyhyesti selittää, mitä täällä on kirjoitettu. Omasta mielestäni siitä tuli kivasti.