Орбитальный космический полет

*Ракеты космического корабля "Дискавери"* выходят на орбитальную скорость, видно здесь сразу после отделения ракеты-носителя.

Орбитальный космический полет (или орбитальный полет ) — космический полет , при котором космический корабль выводится на траекторию, позволяющую ему оставаться в космосе хотя бы одну витку . Чтобы сделать это вокруг Земли , он должен двигаться по свободной траектории, ( высота высота перигея при наибольшем сближении) составляет около 80 километров (50 миль); это граница космоса , определенная НАСА , ВВС США и ФАУ . Чтобы оставаться на орбите на такой высоте, требуется орбитальная скорость ~ 7,8 км/с. Орбитальная скорость медленнее на более высоких орбитах, но для их достижения требуется большая дельта-v . установила Международная авиационная федерация линию Кармана на высоте 100 км (62 мили) в качестве рабочего определения границы между воздухоплаванием и космонавтикой. Это используется потому, что на высоте около 100 км (62 мили), как подсчитал Теодор фон Карман , транспортному средству придется двигаться со скоростью, превышающей орбитальную скорость , чтобы получить достаточную аэродинамическую подъемную силу из атмосферы, чтобы поддерживать себя. ^[1]^: 84^[2]

Из-за сопротивления атмосферы минимальная высота, на которой объект на круговой орбите может совершить хотя бы один полный оборот без движения, составляет примерно 150 километров (93 мили).

Выражение «орбитальный космический полет» чаще всего используется для отличия от суборбитальных космических полетов , которые представляют собой полеты, при которых апогей космического корабля достигает космоса, но перигей слишком низок. ^[3]

Орбитальный запуск

Космический корабль	Первый запуск	Последний запуск	Запускает
Орбитальный полет человека в космос
Vostok	1961	1963	6
Меркурий	1962	1963	4
Восход	1964	1965	2
Близнецы	1965	1966	10
Soyuz	1967	Непрерывный	146
Аполлон	1968	1975	15
Трансфер	1981	2011	134
Шэньчжоу	2003	Непрерывный	9
Экипаж Дракона	2020	Непрерывный	11
Общий	-	-	333

Орбитальный космический полет с Земли возможен только с помощью ракет-носителей , использующих в качестве движения ракетные двигатели . Чтобы выйти на орбиту, ракета должна сообщить полезной нагрузке дельта -v около 9,3–10 км/с. Эта цифра в основном (~7,8 км/с) соответствует горизонтальному ускорению, необходимому для достижения орбитальной скорости, но учитывает сопротивление атмосферы (приблизительно 300 м/с при баллистическом коэффициенте корабля длиной 20 м на плотном топливе), гравитационные потери (в зависимости от время горения и детали траектории и ракеты-носителя), а также набор высоты.

Основной проверенный метод предполагает запуск почти вертикально на несколько километров с выполнением гравитационного разворота , а затем постепенное выравнивание траектории на высоте более 170 км и ускорение по горизонтальной траектории (при этом ракета будет направлена вверх для борьбы с гравитацией и поддержания высоты). ) для горения в течение 5–8 минут до достижения орбитальной скорости. 2–4 этапа В настоящее время для достижения требуемого значения delta-v необходимо . Большинство запусков осуществляется с помощью одноразовых пусковых систем .

Вместо этого ракета Pegasus для небольших спутников запускается с самолета на высоте 39 000 футов (12 км).

Было предложено множество методов осуществления орбитального космического полета, которые потенциально могут быть гораздо более доступными, чем ракеты. Некоторые из этих идей, такие как космический лифт и ротоватор , требуют новых материалов, гораздо более прочных, чем любые известные в настоящее время. Другие предложенные идеи включают наземные ускорители, такие как стартовые петли , самолеты/космопланы с ракетным вооружением, такие как Reaction Engines Skylon , космические самолеты с прямоточным воздушно-реактивным двигателем и космические самолеты с двигателем RBCC . Запуск пушки предлагался по грузовому.

С 2015 года SpaceX продемонстрировала значительный прогресс в своем более постепенном подходе к снижению стоимости орбитальных космических полетов. Их потенциал снижения затрат обусловлен главным образом новаторской посадкой с использованием многоразовой ступени ракетного ускорителя, а также капсулы Dragon , но также включает в себя повторное использование других компонентов, таких как обтекатели полезной нагрузки , и использование 3D-печати из суперсплава для создания более эффективных ракетные двигатели, такие как их SuperDraco . Начальные этапы этих усовершенствований могут снизить стоимость орбитального запуска на порядок. ^[4]

Стабильность

Объект, находящийся на орбите на высоте менее 200 км, считается нестабильным из-за сопротивления атмосферы . Для того чтобы спутник находился на стабильной орбите (т.е. устойчивой более нескольких месяцев), 350 км — это более стандартная высота для низкой околоземной орбиты . Например, 1 февраля 1958 года спутник «Эксплорер-1» был выведен на орбиту с перигеем 358 километров (222 мили). ^[5] Он оставался на орбите более 12 лет, прежде чем 31 марта 1970 года вернулся в атмосферу над Тихим океаном.

Однако точное поведение объектов на орбите зависит от высоты , их баллистического коэффициента и деталей космической погоды , которые могут повлиять на высоту верхних слоев атмосферы.

Орбиты

Существует три основных «диапазона» орбиты вокруг Земли: низкая околоземная орбита (НОО), средняя околоземная орбита (СОО) и геостационарная орбита (ГСО).

Согласно орбитальной механике , орбита лежит в особой, в значительной степени фиксированной плоскости вокруг Земли, которая совпадает с центром Земли и может быть наклонена относительно экватора. Относительное движение космического корабля и движение земной поверхности при вращении Земли вокруг своей оси определяют положение, в котором космический корабль появляется на небе с земли и какие части Земли видны с космического корабля.

Можно рассчитать наземную траекторию , которая показывает, над какой частью Земли находится космический корабль; это полезно для визуализации орбиты.

Орбитальный маневр

В космическом полете орбитальный маневр — использование двигательных установок для изменения орбиты космического корабля . Для космических кораблей, находящихся далеко от Земли (например, находящихся на орбитах вокруг Солнца), орбитальный маневр называется маневром в дальнем космосе (DSM) .

Свод с орбиты и повторный вход в атмосферу

Возвращающиеся космические корабли (включая все потенциально пилотируемые корабли) должны найти способ максимально замедлиться, находясь в более высоких слоях атмосферы, и избежать столкновения с землей ( литоторможение ) или сгорания. Для многих орбитальных космических полетов начальное торможение обеспечивается за счет перезапуска ракетных двигателей корабля, смещая орбиту (путем понижения перигея в атмосферу) на суборбитальную траекторию. Многие космические аппараты на низкой околоземной орбите (например, наноспутники или космические корабли, у которых закончилось топливо на станции или они нефункциональны по другим причинам) решают проблему торможения с орбитальных скоростей за счет использования атмосферного сопротивления ( аэроторможения ) для обеспечения начального торможения. Во всех случаях, как только начальное замедление опустило перигей орбиты в мезосферу , все космические корабли теряют большую часть оставшейся скорости и, следовательно, кинетической энергии из-за эффекта атмосферного сопротивления при аэроторможении .

Намеренное торможение в воздухе достигается путем ориентации возвращающегося космического корабля так, чтобы тепловые экраны были направлены вперед, в сторону атмосферы, чтобы защитить от высоких температур, возникающих в результате сжатия и трения атмосферы, вызванных прохождением через атмосферу на гиперзвуковых скоростях. Тепловая энергия рассеивается в основном за счет сжатия воздуха, нагреваемого ударной волной перед автомобилем с использованием тупого теплозащитного экрана с целью минимизировать попадание тепла в автомобиль.

Суборбитальные космические полеты, совершаемые на гораздо более низкой скорости, не производят и близко такого большого количества выбросов. ^{[ нужны дальнейшие объяснения ]} нагрев при повторном входе.

Даже если орбитальные объекты являются расходным материалом, большинство ^{[ количественно ]} космические власти ^{[ нужен пример ]} стремятся к контролируемому возвращению в атмосферу, чтобы минимизировать опасность для жизни и имущества на планете. ^{[ нужна ссылка ]}

История

Спутник-1 был первым искусственным объектом, совершившим орбитальный космический полет. Он был запущен 4 октября 1957 года Советским Союзом .
«Восток-1» , запущенный Советским Союзом 12 апреля 1961 года на борту Юрия Гагарина , стал первым успешным полетом человека в космос, достигшим околоземной орбиты.
«Восток-6» , запущенный Советским Союзом 16 июня 1963 года с Валентиной Терешковой , стал первым успешным космическим полетом женщины, достигшей околоземной орбиты.
Crew Dragon Demo-2 , запущенный SpaceX и США 30 мая 2020 года, стал первым успешным полетом человека в космос, осуществленным частной компанией и достигшим околоземной орбиты.

См. также

Список орбит
Запуск ракеты
Неракетный космический запуск
Космодром , включая список площадок для орбитальных запусков.

Ссылки

^ О'Лири, Бет Лора (2009). Дэррин, Энн Гаррисон (ред.). Справочник по космической инженерии, археологии и наследию . Достижения в области машиностроения. ЦРК Пресс. ISBN 978-1-4200-8431-3 .
^ «Где начинается космос? – Аэрокосмическая техника, новости авиации, зарплаты, рабочие места и музеи» . Аэрокосмическая техника, Новости авиации, Зарплата, Работа и Музеи . Архивировано из оригинала 17 ноября 2015 года . Проверено 10 ноября 2015 г.
^ Февраль 2020 г., Адам Манн 10 (10 февраля 2020 г.). «В чем разница между орбитальным и суборбитальным космическим полетом?» . Space.com . Архивировано из оригинала 16 июня 2020 года . Проверено 13 июля 2020 г. {{cite web}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
^ Бельфиоре, Майкл (9 декабря 2013 г.). «Ракетчик» . Внешняя политика . Архивировано из оригинала 10 декабря 2013 года . Проверено 11 декабря 2013 г.
^ «Проводник 1 – Идентификатор NSSDC: 1958-001A» . НАСА. Архивировано из оригинала 27 мая 2019 года . Проверено 21 августа 2019 г.

[1] О'Лири, Бет Лора (2009). Дэррин, Энн Гаррисон (ред.). Справочник по космической инженерии, археологии и наследию . Достижения в области машиностроения. ЦРК Пресс. ISBN 978-1-4200-8431-3 .

[space_begin-2] «Где начинается космос? – Аэрокосмическая техника, новости авиации, зарплаты, рабочие места и музеи» . Аэрокосмическая техника, Новости авиации, Зарплата, Работа и Музеи . Архивировано из оригинала 17 ноября 2015 года . Проверено 10 ноября 2015 г.

[3] Февраль 2020 г., Адам Манн 10 (10 февраля 2020 г.). «В чем разница между орбитальным и суборбитальным космическим полетом?» . Space.com . Архивировано из оригинала 16 июня 2020 года . Проверено 13 июля 2020 г. {{cite web}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )

[fp20131209-4] Бельфиоре, Майкл (9 декабря 2013 г.). «Ракетчик» . Внешняя политика . Архивировано из оригинала 10 декабря 2013 года . Проверено 11 декабря 2013 г.

[5] «Проводник 1 – Идентификатор NSSDC: 1958-001A» . НАСА. Архивировано из оригинала 27 мая 2019 года . Проверено 21 августа 2019 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]