На какой высоте летают космические корабли: На какой высоте летают самолеты, спутники и космические корабли? – My-Ship.Space

На самолете в космос | Наука и жизнь

Схема освоения приземного воздушного и космического пространства.

Коридор возможных высот и скоростей полета крылатых летательных аппаратов.

Экспериментальные самолеты Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства США для изучения проблем, связанных с освоением гиперзвуковых скоростей полета и созданием многоразового космического транспортного корабля.

Самолет-носитель B-52, под фюзеляжем которого подвешен экспериментальный самолет Х-15.

Схема полета современного истребителя напоминает схему полета разрабатываемого многоразового космического транспортного корабля.

Взлет истребителя с пороховыми ускорителями.

Истребители, снабженные под фюзеляжным дополнительным топливным баком.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Наука и жизнь // Иллюстрации

Наука и жизнь // Иллюстрации

‹

›

Открыть в полном размере

Когда летишь на современном сверхзвуковом истребителе, забираешься на самый «потолок», на предельную высоту, кажется, что совсем немного недостает машине, чтобы вырваться из пут земного тяготения и выйти на орбиту. А когда возвращаешься из космического полета и корабль входит в плотные спои атмосферы, невольно думаешь о том, как было бы хорошо, если бы он обладал качествами самолета: можно было бы выполнить необходимый маневр и совершить привычную посадку на аэродром.

К сожалению, пока ни самолет, ни космический корабль не обладают такими качествами. Но я глубоко убежден, что дело это временное.

Авиация подготовила научные и технические заделы в области силовых установок, конструкции аппаратов, бортовых систем, приборов и оборудования, которые явились базой для создания ракеткой техники, для рождения космонавтики. И хотя космические корабли пока мало походят на самолет, а их полет мало напоминает полет самолетов, тем не менее в их конструкции и оснащении есть много от крылатых машин.

Авиацию по праву называют колыбелью космонавтики: только овладев полетом на больших скоростях и высотах, научившись создавать совершенные конструкции летательных аппаратов и мощные реактивные двигатели, человечество смогло предпринять штурм космоса. Многие ученые, конструкторы, участвующие в исследовании и освоении космического пространства, были тесно связаны с авиацией. Не случайно и то, что первыми покорителями космоса стали летчики.

В то же время многие проблемы, решаемые при создании ракетно-космической техники, и многие результаты исследований, полученные в космических полетах, имеют важное значение для дальнейшего развития авиации. Это теплозащита конструкции, терморегулирование, биологическая защита от космического излучения и многое другое.

Наблюдая прогресс авиационной и космической техники, мы вправе задать себе такой вопрос: будет ли в дальнейшем происходить сближение этих областей, или их развитие пойдет разными путями? Есть серьезные основания считать, что в недалеком будущем произойдет заметное сближение авиации и космонавтики.

Дальнейший прогресс авиации связывают в основном с двумя направлениями; с созданием аэробусов — крупных самолетов, способных перевозить по нескольку сот пассажиров, и с переходом к еще большим скоростям полета.

В последние годы очень быстро растут пассажирские перевозки на воздушных линиях, связывающих крупные города с местами массового туризма, с курортами. А поскольку значительная часть перевозок приходится сейчас на самолеты небольшой и средней вместимости, некоторые аэропорты работают очень напряженно.

Выход из создавшегося положения авиационные конструкторы видят в создании аэробусов — крупных самолетов для обслуживания линий небольшой и средней протяженности. Это будут представители третьего поколения реактивных пассажирских лайнеров. Большая коммерческая нагрузка, высокая крейсерская скорость, низкий расход топлива на километр пути, небольшие затраты на техническое обслуживание, большой ресурс самолета, двигателей и всех агрегатов — таковы должны быть достоинства аэробусов.

В Советском Союзе конструкторским бюро Сергея Владимировича Ильюшина разрабатывается аэробус «Ил-86». Он сможет перевозить 350 пассажиров со скоростью 950 километров в час на дальность до 4 600 километров.

Граница скорости полетов в пределах Земли известна — ее уже достигли баллистические ракеты и искусственные спутники Земли. Это первая космическая скорость — 7,9 км/сек. До нее авиации пока еще далековато — мировые достижения скорости самолетов находятся где-то в районе 3—4 тысяч километров в час, то есть 1 км/сек.

Что же стоит на пути достижения авиацией больших скоростей полета?

Своим возникновением и развитием авиация обязана воздушной оболочке планеты. Воздух создает опору летящему самолету, позволяет маневрировать в пространстве, он же используется для «дыхания» двигателей. Но одновременно воздух создает и аэродинамическое сопротивление, на преодоление которого тратится значительная мощность двигателей, причем с увеличением скорости это сопротивление резко возрастает. Кроме того, воздух ставит на пути к большим скоростям полета ряд пороговых препятствий, барьеров. Это хорошо известный теперь звуковой барьер. Его уже преодолела не только военная, но и гражданская авиация. Однако далось это не легко и не сразу. Это также тепловой барьер — недопустимый нагрев самолетов при полете на скоростях, в три и более раз превышающих скорость звука. К этому барьеру несколько лет назад вплотную подошла военная авиация. Экспериментальные самолеты предпринимают вылазки за его пределы. Но пока это лишь проба сил.

Попутно хочется отметить, что само название «барьер» для авиации не совсем удачно. Это не барьеры в обычном понимании слова — преодолел, а дальше снова легкая дорога. Это скорее рубеж, на котором авиация встречается с новыми серьезными трудностями, причем, появившись однажды, они уже не исчезают, а требуют к себе постоянного внимания.

Самолет, превысив скорость звука, преодолев звуковой барьер, все время как бы несет его на себе в виде ударной волны и становится своеобразным источником непрерывного, бесконечно растянутого взрыва. Такое же положение с тепловым барьером.

По мере развития авиации конструкторам приходится решать все более сложные задачи.

Если, к примеру, для небольших скоростей полете в атмосфере аэродинамические расчеты производятся независимо от тепловых, то при полетах на сверхзвуковых скоростях в аэродинамических расчетах приходится уже учитывать теплообмен, решать вопрос о тепловой защите аппарата, то есть решать типичную задачу теории тепломассообмена.

Современные лайнеры летают обычно на высоте 8—10 километров со скоростью около 900 километров в час. В этих условиях аэродинамический нагрев незначителен, и его во внимание не принимают. Если же самолет будет лететь на этой высоте со скоростью в 3 тысячи километров в час, то, как показывают простейшие расчеты, температура заторможенного воздушного потока — слоев воздуха, омывающих поверхность самолета,— составит плюс 280 градусов Цельсия. На гиперзвуковых скоростях (превышающих скорость звука в пять и более раз) она превысит тысячу градусов. При скорости 10 тысяч километров температура достигнет уже 3 600 градусов,

С трудными задачами теплозащиты уже столкнулись создатели космической техники. Были разработаны так называемые абляционные покрытия, теплозащитные свойстве которых основываются на переходе материала из твердого состояния в газообразное, минуя жидкую фазу. Абляционные покрытия защищают спускаемый аппарат космического корабля, тормозящийся при спуске в атмосфере Земли, от тепловых потоков, достигающих 6—8 тысяч градусов. Но действие таких покрытий связано с укосом массы, а следовательно, с изменением формы покрытия, что совершенно нежелательно для аппаратов, использующих в полете подъемную силу крыльев и корпуса, снабженных аэродинамическими органами управления.

Но даже если бы удалось создать надежную тепловую защиту, попет с гиперзвуковыми скоростями на освоенных высотах был бы невыгоден по экономическим соображениям — расход энергии на преодоление аэродинамического сопротивления воздуха был бы слишком большим.

Вот почему летать с большими скоростями можно лишь в разреженной атмосфере. Здесь и задачи теплозащиты аппарата могут быть решены доступными средствами. Другими словами, надо подниматься в область не освоенных еще высот, в область верхней атмосферы, которая лежит между высотами 30 и 150 километров. Самолеты не могут здесь летать вследствие недостаточной подъемной силы крыльев и тяги воздушно-реактивного двигателя, а орбитальный полёт космического корабля на таких высотах невозможен из-за большого аэродинамического торможения. Эта область разреженной атмосферы пока разделяет авиацию и космонавтику, не дает установить между ними более тесное взаимодействие.

А нужно ли такое взаимодействие? Да, нужно. В околоземном космическом пространстве без него вряд ли можно будет обойтись. С дальнейшим расширением деятельности человека в этом районе все обслуживание между Землей и околоземными орбитами, очевидно, придется взять на себя аппаратам самолетного типа.

Есть ли какие-либо данные о том, что авиация и космонавтика стремятся освоить пространство верхней атмосферы?

Есть… И уже немало.

В частности, экспериментальные пилотируемые самолеты с ракетными жидкостными двигателями, запускаемые в США с самолетов-носителей, достигали высоты более 80 километров и скорости полета около 6 тысяч километров в час. После отделения от носителей самолеты разгонялись и выходили на баллистическую траекторию, Для управления вне пределов плотной атмосферы на них использовались не аэродинамические, а струйные рули. Однако ограниченный запас топлива позволял самолетам выполнять лишь своеобразный подскок вверх, после чего они планировали и совершали посадку.

В полетах экспериментальных ракетных самолетов ученым и конструкторам удалось получить ответы на многие вопросы. В частности, немало нового узнали они об аэродинамике и устойчивости аппаратов, летающих на гиперзвуковых скоростях, о воздействии аэродинамического нагрева на их конструкцию и на работоспособность систем, об особенностях входа в плотные слои атмосферы на больших скоростях с использованием подъемной силы.

Авиация подбирается к области неосвоенных высот снизу, космонавтика — сверху.

Как известно, снижение кораблей «Восток» и «Восход» происходило по баллистической траектории. Рассеивание (проще говоря, показатель неточности попадания в расчетную точку приземления) и перегрузки при таком спуске были довольно значительными, ибо аппарат полностью отдавался во власть стихии — управлять им не представлялось возможным.

Меньшие перегрузки при снижении и значительно большую точность приземления можно было получить лишь при управляемом спуске, то есть при таком спуске, когда в атмосфере происходит управление траекторией спуска корабля. Именно так происходит спуск «Союзов». Правда, этот способ снижения с орбиты потребовал преодоления ряда технических трудностей. Во-первых, нужно было придать спускаемому аппарату форму, обеспечивающую ему аэродинамическое качество. (Эта характеристика, пришедшая из авиации, есть отношение подъемной сипы аппарата к величине его лобового сопротивления.) Кроме того, нужно было создать систему, управляющую кораблем как на внеатмосферном, так и на атмосферном участках полета, и решить ряд других задач. Но зато управляемый спуск позволил снизить перегрузки в 2—3 раза (с 8—10 до 3—4 единиц) и значительно уменьшить рассеивание точки приземления.

От управляемого спуска космического корабля до управляемого полета в верхней атмосфере дистанция еще, конечно, огромного размера. Но тем не менее можно считать, что определенный шаг в этом направлении был сделан и космонавтикой.

В последние годы советские ученые провели ряд других экспериментов, имеющих важное значение для сверхвысотной и сверхскоростной авиации будущего. Я имею в виду эксперименты на автоматических ионосферных лабораториях «Янтарь».

На борту этих лабораторий, запускавшихся с помощью геофизических ракет, устанавливались электрореактивные двигатели. Испытания показали достаточно устойчивую работу этих двигателей на разных высотах и в разных режимах. Примечательно то, что на борту не было ни горючего, ни окислителя. Рабочим телом служил азот атмосферы, правда, предварительно ионизированный. Таким образом, была доказана реальная возможность применения электрических реактивных двигателей для транспортных средств, совершающих полет в верхней атмосфере.

Процесс взаимопроникновения авиации и космонавтики начался уже давно, а в последнее время идет особенно активно. Если лет десять назад еще трудно было говорить об аппаратах, сочетающих качества космического корабля и самолета, то теперь положение изменилось. Облик таких аппаратов предстает достаточно отчетливо. И не только потому, что проведены многие фундаментальные исследования. Главное — конкретнее, определеннее стали цели их создания.

Будущее космонавтики в значительной мере связано с долговременными орбитальными станциями и лабораториями различного назначения. Советская наука рассматривает их создание как магистральный путь человека в космос.

Опыт создания и эксплуатации орбитальных станций советской «Салют» и американской «Скайлэб» показал, что современной космонавтике такая задача уже по плечу.

Но сами станции представляют лишь часть космической системы. Для их эксплуатации— смены экипажей, доставки запасов продовольствия, топлива для двигателей и других материалов — нужны транспортные корабли, которые совершали бы регулярные рейсы по трассе Земля — орбита — Земля.

Это звено системы оказалось пока наиболее слабым. Современные ракетно-космические транспортные средства сравнительно дороги, недостаточно грузоподъемны, требуют долгого времени для подготовки к старту. Все космические аппараты (пилотируемые и беспилотные) выводятся сейчас в космос с помощью одноразовых ракет-носителей. Сложные космические корабли также предназначаются лишь для одного полета.

Разве можно примириться, например, с тем, чтобы крупный океанский лайнер, строящийся несколько лет, предназначался для одного-единствениого рейса? А в космонавтике именно так дело и обстоит.

Возьмем, к примеру, американскую ракету-носитель «Сатурн-5», которая обеспечивала полеты кораблей «Аполлон» к Луне. Этот исполин высотой более 100 метров и весом почти в 3 тысячи тонн фактически прекращал свое существование через несколько минут после старта. А ведь каждая такая ракета стоит ни много ни мало 280 миллионов долларов. Через 10—12 дней от всей сложнейшей системы «Сатурн» — «Аполлон» оставалась лишь небольшая обгоревшая в атмосфере и практически непригодная для дальнейшей эксплуатации спускаемая капсула, в которой экипаж возвращался на Землю. Победная дорога космонавтики усеяна сгоревшими обломками ракет, блоков космических кораблей и брошенными на орбитах спутниками.

Такая «одноразовость» техники превращается в серьезный тормоз дальнейшего развития космонавтики и космических исследований. На первых порах, когда запусков было не так много, а исследования не косили столь большого масштаба, с этим можно было мириться. В дальнейшем же подобное расточительство станет невозможным.

Выход из создавшегося положения специалисты видят в разработке принципиально новых космических транспортных кораблей. Существует много различных проектов, но все такие корабли по замыслу конструкторов должны «уметь» летать в атмосфере, выходить на околоземную орбиту, находиться на ней достаточно продолжительное время, а затем совершать посадку по-самолетному, на свой аэродром. И, что особенно важно, сохранять как можно больше элементов системы для повторного использования.

Чтобы удовлетворять этим требованиям, новые космические корабли должны существенно отличаться от нынешних. Во всяком случае, их орбитальные ступени должны обладать многим из того, что есть у современного самолета.

В поисках схемы нового космического транспортного корабля научно-техническая мысль прошла долгий и сложный путь. Идеальной схемой корабля, отвечающей самым строгим требованиям, сейчас считается двухступенчатая схема с параллельным расположением ступеней. Обе ступени, возвращаемые, пилотируемые, снабжены крылом; как и самолет, они стартуют с аэродрома и садятся на аэродром. Такой корабль можно представить в виде двух самолетов: внизу большой — самолет-разгонщик, а на нем меньший. Большой взлетает с аэродрома, и после того, как достигнута расчетная скорость, меньший отделяется от него и с помощью своих двигателей выходит на орбиту. Самолет-разгонщик тем временем возвращается на аэродром. Выполнив задачу, орбитальный самолет сходит с орбиты и также совершает посадку на аэродром.

Горизонтальный, или самолетный, старт предпочтительнее для многоразового космического корабля, хотя при ракетном старте выводится большая полезная нагрузка. Горизонтальный старт дает возможность выполнять боковой маневр при выведении корабля и запускать вторую ступень практически в любое время без ограничения по азимуту. А это значит, что транспортная система с горизонтальным стартом более маневренна.

Однако реализация такого проекта сегодня еще слишком сложна. Он опережает время, включает еще много нерешенных проблем.

Наиболее приемлемым пока считается проект транспортного корабля, у которого первая ступень — непилотируемая, частично восстанавливаемая для повторного использования, а вторая ступень — пилотируемая, самолетного типа. Отход от «идеальной» схемы означает прежде всего возвращение к вертикальному ракетному старту, утрату в полете некоторых элементов системы. Заметьте: утрату не всей ракеты-носителя и не всего корабля, как сейчас, а лишь некоторых элементов.

В США разрабатывается космический транспортный корабль под названием «Шаттл» («Челнок»). Он имеет двухступенчатую схему с параллельным расположением ступеней, обе ступени возвращаемые; двигательные установки ступеней включаются одновременно. Первая ступень состоит из двух спасаемых (то есть возвращаемых на Землю и пригодных для повторного использования) непилотируемых ракетных блоков с двигателями, работающими на твердом топливе. Вторая ступень крылатая, пилотируемая, оснащенная в водородно-кислородными ЖРД и сбрасываемым перед выходом на орбиту топливным баком. В этой схеме используются преимущества ракетной техники, в частности, применяется высокоэнергетическое топливо и вертикальный старт. Единственная часть системы, которая будет утрачиваться в полете, — топливный бак второй ступени.

Вся эта система чем-то напоминает истребитель, снабженный подфюзеляжным дополнительным топливным баком и двумя пороховыми ускорителями. Взлет такого самолета не раз демонстрировался на воздушных парадах. Только в отличие от него космический транспортный корабль будет иметь топливный бак огромных размеров, превышающий по размерам и весу сам корабль почти вдвое. А вместо компактных пороховых ускорителей — два больших спасаемых твердотопливных ракетных блока.

Отмечая недостатки существующих пилотируемых космических кораблей, мы назвали два: одноразовость и недостаточную грузоподъемность. В действительности недостатков гораздо больше, В частности, нынешние корабли мало маневренны, выполняют только парашютную поездку, для поиска и эвакуации их спускаемых аппаратов требуется специальная служба. Пока все они совершают полет по «жестким» орбитам, не производят маневра плоскостью орбиты, поскольку такой маневр связен с огромным расходом топлива. Вследствие этого корабли не могут спускаться в заданный район, если через него не проходит очередной виток.

Создание аппарата, обладающего большими маневренными возможностями на орбите, заметно расширило бы перспективы всей околоземной космонавтики. Можно было бы уже не запускать, а просто доставлять спутники не орбиты в грузовом отсеке корабля, обслуживать и ремонтировать их в космосе, возвращать на Землю материалы исследований и наблюдений, выполненные спутниками, и даже сами спутники е случае их выхода из строя. Не пришлось бы больше решать сложные проблемы, связанные, в частности, с отделением носовых обтекателей, раскрытием антенн, панелей солнечных батарей. На орбите перед отделением спутника от корабля можно проверить работу его аппаратуры. Значительно снизились бы затраты на разработку выводимых на орбиту аппаратов, поскольку менее жесткими оказались бы ограничения их веса и габаритов. Кроме того, можно было бы обходиться без сложных мер защиты от воздействия больших перегрузок, вибрации, шумов.

С помощью маневрирующих пилотируемых аппаратов может быть организована эффективная служба помощи в космосе.

Ныне спасательный корабль может сблизиться с кораблем, терпящим бедствие, лишь в том случае, если он запущен в тот момент, когда орбита корабля, терпящего бедствие, проходит над местом старта. А повторяется это лишь раз в сутки.

Теперь представим себе, что необходимо срочно эвакуировать экипаж орбитальной станции и что в космосе уже находится пригодный для этого корабль, но угол наклона его орбиты относительно плоскости земного экватора не такой, как у орбиты станции. Сейчас в подобной ситуации для сближения корабля и станции ничего сделать нельзя. А вот транспортный корабль, обладающий аэродинамическим качеством, в состоянии выполнить нужный маневр. Для этого ему придется погрузиться в атмосферу, проделать необходимые эволюции, а затем снова выйти на орбиту. Путем многократного погружения в атмосферу можно значительно изменить плоскость орбиты космического аппарата. Конечно, это также требует расхода топлива, но значительно меньшего, чем маневрирование на орбите, ибо в осуществлении маневра такому кораблю помогает атмосфера.

Когда в свете новых требований, предъявляемых к космическому полету, начинаешь думать: что же надо совершенствовать — современный космический корабль или современный самолет, то неизбежно приходишь к выводу, что путь к новому кораблю от авиации, пожалуй, ближе, чем от космонавтики. Орбитальная ступень этого корабля должна иметь все, чем располагает самолет: фюзеляж достаточно большой длины, крылья, систему для захода на посадку, шасси, аэродинамические органы управления.

Но разработка такого корабля (его с полным основанием можно назвать воздушно-космическим самолетом) — задача не простая. Ряд научных и технических проблем, решенных ранее применительно к нуждам космонавтики, приходится решать заново. Возьмем хотя бы теплозащиту орбитальной ступени при входе в плотные спои атмосферы. Возникает необходимость в разработке новых методов теплозащиты и новых теплозащитных материалов.

В отличие от спускаемого аппарата космического корабля орбитальная ступень воздушно-космического самолета должна рассеивать значительную часть кинетической энергии не в плотной атмосфере, а на больших высотах, вследствие чего ее нагрев будет определяться прежде всего углом входа в атмосферу. Облегчить тепловой режим орбитальной ступени при входе в плотные слои атмосферы может спуск ее на больших углах атаки. Тогда непосредственному воздействию набегающего потока будут подвергаться только нижние поверхности ступени, площадь которых составляет примерно одну треть от всей поверхности. То есть большая часть поверхности орбитальной системы не потребует сложной теплозащиты. И самое главное — не будет областей с очень большими температурами, что наблюдается при малых углах атаки.

Продолжительность полета на атмосферном участке снижения нового космического аппарата может возрасти с десяти минут, так обстоит дело сейчас, до часа и более. В этих условиях температура большей части, если не всей конструкции аппарата, будет близка к равновесной температуре излучения, что позволит не применять для теплозащиты абляционные материалы.

Однако проектирование конструкции, охлаждаемой излучением, требует точного знания местных тепловых потоков по всей поверхности. Выбор материалов должен быть сделан без ошибок, которые допустимы при более толстом теплозащитном покрытии из абляционного материала. Поскольку тепловые потоки связаны с распределением давления, выбор геометрической формы аппарата приобретает огромное значение.

При исследовании различных форм космических самолетов особое внимание уделяется их маневренности на гиперзвуковой скорости и величине аэродинамического качества. Чем большим аэродинамическим качеством будет обладать такой самолет, тем меньше ему придется ожидать момента схода с орбиты для возвращения в заданный район земного шара. При достаточно большом значении аэродинамического качества аппарат может достичь любой точки на земной поверхности, спускаясь с орбиты в любой момент.

У техники уже есть опыт создания универсальных транспортных средств, таких, скажем, как плавающие и летающие автомобили или самолеты-амфибии. В большинстве случаев в них механически объединены и самостоятельно действуют разные машины. Плавающий автомобиль, например, и до сих пор имеет все необходимое для движения по суше плюс водонепроницаемый корпус, винт или водометный движитель. Самолет-амфибия — это лодка или катамаран плюс самолет.

Полет в двух столь отличных друг от друга средах, как атмосфера и космический вакуум, потребует оснащения нового аппарата как аэродинамическими, так и газореактивными органами управления. Первые (киль, руль поворота, элевоны) будут предназначаться для полета в плотных слоях атмосферы, вторые (группы реактивных двигателей или газовых сопел) — для полета в космосе и в верхней разреженной атмосфере. Такое сочетание считается в технике вынужденным, нежелательным, но неизбежным,

В принципе новый аппарат можно было бы снабдить только газореактивными органами управления — реактивная тяга универсальна для обеих сред, но в этом случае пришлось бы отказаться от многих преимуществ, которые дает атмосфера, иметь значительно больший запас топлива или газа, причем носить этот запас до конца полета.

Боковой маневр и маневр по дальности (к примеру, при выборе точки приземления) космический самолет будет выполнять за счет аэродинамических сил, изменяя свои угол крена и угол атаки. Величина боковой дальности (максимальное отклонение вправо и влево) зависит от аэродинамического качества орбитальной ступени: чем оно выше, тем больше боковая дальность. Чтобы получить, например, боковую дальность ±2 000 км, орбитальная ступень должна иметь аэродинамическое качество на спуске около 1,3.

Напрасно стали бы мы рассматривать все проблемы, связанные с созданием космического аппарата нового типа — их очень много. Это устойчивость и управляемость аппарата, особенно при входе в атмосферу и при посадке, это двигательные установки для обеих ступеней, заправка и хранение топлива. Для нового космического аппарата понадобятся малогабаритные источники электроэнергии — на нем негде установить панели солнечных батарей. Не обойтись без усовершенствования командно-измерительного комплекса, разработки новых систем спасения космонавтов на всех этапах полета, без разрешения многих вопросов эксплуатации. Однако решение всех этих проблем по силам современной науке и технике. Создание космического самолета — вполне реальное дело, и, очевидно, недалеко время, когда мы станем свидетелями его первого полета.

От тесного содружества авиации и космонавтики, этих передовых областей науки и техники, выиграет не только космонавтика. Не менее впечатляющими могут стать в недалеком будущем достижения авиации. Освоение сверхзвуковых скоростей и больших высот даст толчок развитию гиперзвуковых самолетов как транспортного средства. Самолеты, которые придут на смену современным сверхзвуковым лайнерам, смогут за несколько часов доставлять людей и грузы в любую точку земного шара.

почему над Землей летают тысячи никому не нужных спутников

Святослав
Иванов

Новостной редактор

На разных орбитах Земли, по предварительным данным, находятся более 750 тыс. объектов, которые можно назвать космическим мусором. В основном это различные гайки, болты и частицы фюзеляжа, движущиеся со скоростью более 28 тыс. км/час. Однако среди них есть и огромные старые спутники с ядерными элементами, разгонные блоки и шаттлы: их, как правило, отправляют на специальную орбиту захоронения. «Хайтек» разобрался, что находится на орбите захоронения и почему человечество не может утилизировать эти космические объекты.

Читайте «Хайтек» в

Существует несколько официальных орбит захоронения. «Классическая» располагается на высоте 35 986 км от уровня моря — ровно на 200 км выше геостационарной орбиты, где находятся тысячи околоземных спутников. На эту орбиту отправляются все отработанные орбитальные аппараты для уменьшения вероятности их столкновения с другими — уже рабочими — объектами.

В конце срока эксплуатации каждого геостационарного спутника он отправляется на такую орбиту, при этом для каждого она рассчитывается отдельно по специальной формуле.

Так Земля выглядит на фоне всех объектов, вращающихся на ее орбите

Геостационарная орбита — круговая орбита, которая расположена ровно над экватором Земли. Искусственные спутники, которые находятся на ней, абсолютно не движутся по отношению к спутниковым антеннам, расположенным на Земле. Поэтому для взаимодействия спутника с антенной необходимо просто один раз запустить его, после чего ученые будут всегда знать, где находится космический аппарат даже без специальных настроек для антенн. Как правило, на геостационарную орбиту запускают коммуникационные и телетрансляционные спутники.

Высота 35 786 км над уровнем моря выбрана из-за того, что она обеспечивает спутникам период обращения, равный периоду вращения Земли относительно всех звезд — 23 часа 56 минут 4,091 секунды.

Еще одна крупнейшая мусорная орбита для крупных спутников находится на высоте от 600 до 1 000 км. На эту орбиту отправляются военные разведывательные спутники с ядерной энергетической установкой. На этих высотах находятся десятки активных зон реакторов у таких спутников. Считается, что части спутников смогут находиться на низкой мусорной орбите более 2 тыс. лет, после чего гравитация Земли постепенно притянет активные реакторы.

Советский спутник с ядерной энергетической установкой

Такая опасная «Легенда»

Впервые низкую мусорную орбиту для отработанных ядерных установок использовал Советский Союз в программе «Легенда» в 1978 году. За десять лет СССР запустил более 30 спутников-разведчиков с ядерными силовыми установками малой мощности типа БЭС-5 «Бук» и «Топаз» для обеспечения этой системы. С ее помощью советские, а потом и российские военные, поскольку программа существовала до 2006 года, могли отслеживать и прогнозировать тактическую обстановку в Мировом океане, передавать в режиме реального времени информацию о кораблях и подводных лодках, как отечественных, так и иностранных.

В январе 1978 года — практически сразу же после запуска — военный советский спутник «Космос-954» с ядерным реактором вышел из строя и стал полностью неуправляемым. Даже попытки вывести его на орбиту захоронения оказались неэффективными, поэтому спутник с действующим ядерным реактором вошел в атмосферу Земли, разрушился там на тысячи частей и рухнул на северную часть Канады и США. Тогда Советскому Союзу пришлось выплатить несколько миллионов долларов компенсации, поскольку местные жители нашли более 65 кг стержней от топливных элементов реактора.

Участники операции ищут обломки спутника с помощью ручных детекторов радиоактивности

После этого случилось еще несколько подобных инцидентов, когда ядерные реакторы от советской программы «Легенда» падали на Землю либо частично сгорали в атмосфере Земли, оставляя за собой длительный шлейф из урана-235.

В итоге в 1988 году после очередной аварии был принят всемирный запрет на применение спутников с ядерной энергетической установкой на низких околоземных орбитах, вследствие чего строительство и запуски спутников УС-А были прекращены. Кроме того, СССР уже было невыгодно поддерживать программу, поскольку один спутник мог работать всего 120 дней, а его запуск и разработка обходились в миллионы долларов.

Сейчас у человечества пока нет технологий, которые бы позволили уничтожить оставшиеся ядерные реакторы от «Легенды» без нанесения вреда окружающей среде. При этом время распада урана-235, на которых работают эти спутники, составляет около 700 млн лет.

Опасность орбит захоронения мусора

Разговоры о возможной экологической катастрофе в околоземном космическом пространстве возникли практически сразу после запуска первых спутников Земли еще в 50-х годах прошлого века. Но впервые в официальном дискурсе тема появилась только в докладе ООН «Воздействие космической деятельности на окружающую среду» в конце 1993 года.

В докладе отмечалось, что эта проблема — глобальная, а не национальная, поскольку касается абсолютно каждой страны. Кроме того, космический мусор — как тот, что находится на орбитах захоронения, так и обычный, может негативно сказаться на освоении человечеством космоса.

Сейчас только 10% всех объектов космического мусора фиксируются наземными станциями, а траектория их движения известна. Ученые считают, что в будущем, если человечество продолжит с такой скоростью выводить объекты в космос, в том числе на геостационарную орбиту, рано или поздно произойдет каскадный эффект. При нем один космический объект столкнется с другим, после чего он достаточно сильно меняет орбиту и сталкивается с другими искусственными объектами, которые находится на своих орбитах. Гипотетически это может буквально за несколько дней оставить человечество полностью без связи.

Сейчас на орбитах существует не менее 20 тыс. объектов крупного космического мусора, столкновение с которым приведет к полному разрушению спутника и любого космического аппарата.

Еще одной опасностью эксперты считают развитие проектов по покрытию интернетом всей Земли. Например, проект Starlink Илона Маска подразумевает запуск 12 тыс. новых спутников для раздачи интернета по всей Земле. Сейчас компания уже запустила 60 тестовых устройств. Запущенные аппараты будут работать на высоте 550 км. Каждый спутник оснащен собственным двигателем, который позволит им корректировать орбиту в случае необходимости.

Даже если в течение десяти лет хотя бы 30% этих спутников придут в негодность, на орбите появятся еще 4 тыс. объектов космического мусора.

Важно, что на околоземных орбитах также постоянно происходит так называемый эффект Кесслера, когда одни кусочки мусора постоянно сталкиваются с другими, что приводит к абсолютно неконтролируемому делению этих объектов. Согласно математическим расчетам, столкновение двух космических частей мусора приводит в среднем к появлению еще шести-семи небольших объектов.

Кроме того, некоторые крупные космические объекты, у которых полностью истекает срок эксплуатации, взрываются с надеждой, что в дальнейшем эти небольшие обломки притянутся атмосферой Земли и сгорят в ней. Однако существуют десятки примеров, когда куски мусора оставались на орбитах, как в случае столкновения двух искусственных спутников «Космос-2251» и Iridium 339 в феврале 2009 года или тестирования Индией своих противоспутниковых пушек в марте 2019 года.

Столкновение спутников «Космос-2251» и Iridium 339

На сегодняшний день пока не существует действующих технологий для борьбы с космическим мусором, кроме отправки спутников на орбиты захоронений, где бы они фиксировано вращались вокруг Земли.

Множество стартапов и национальных космических агентств разрабатывают собственные системы для уничтожения космического мусора. Инженеры из Университета Карлоса III в Мадриде недавно предложили новый способ деорбитальной работы спутников. Ученые предлагают оборудовать их лентами, которые будут отражать солнечный свет и позволят вырабатывать электричество для питания резервных двигателей. Это, в свою очередь, позволит бороться с космическим мусором и увеличить срок их эксплуатации. Хотя бы в качестве устройств для отталкивания мусора от орбиты Земли.

В феврале 2019 года британский спутник RemoveDEBRIS впервые в истории с помощью гарпуна и сети поймал искусственный космический мусор на низкой околоземной орбите.

Сейчас вся космическая сфера ждет не только появления технологий, позволяющих уничтожать космический мусор либо отталкивать его от Земли, но и законодательной базы для этого. Группа ученых из четырех крупных американских университетов занимается созданием единого документа, регламентирующего правила освоения космоса. В документе будут установлены правила, которыми должны руководствоваться частные и государственный компании для работы за пределами Земли. При этом ученые не будут вводить новые правила, а просто соберут в одном месте все существующие, которые были введены в разных странах, а также укажут на противоречия в этих документах.

На крыльях в космос: история космопланов

История работ над проектами различных многоразовых авиационно-космических систем насчитывает не один десяток лет. В апреле 1981 года состоялся первый полет на орбиту американского Space Shuttle, а чуть позже в космос полетел крылатый «Буран».

Сегодня многие связывают развитие пилотируемой программы именно с созданием космопланов. Обсуждаются такие проекты и у нас в стране. Тем более, что Россия обладает для этого отличным техническим заделом – успешно реализованной программой «Энергия-Буран».

Космический взлет «по-самолетному»

Практически сразу после первых полетов в космос появилась идея использования крылатых космических кораблей. Разработка самолетов, способных подниматься на большие высоты и выходить в космос, началась еще раньше – в конце 1950-х годов. Первым таким реализованным проектом стал американский гиперзвуковой самолет-ракетоплан North American X-15. Считается, что в 1959 году он взлетел так высоко, что оказался в космическом пространстве.

Впрочем, здесь следует уточнить, что этот факт во многом зависит от того, что именно понимать под космосом. По американским стандартам North American X-15 и его пилоты побывали в космосе 13 раз, потому что именно столько раз они поднимались на высоту более 80 км. По международным законам – только два раза, потому что согласно Международной авиационной федерации (ФАИ) космическим считается полет на высоте от 100 км над уровнем моря. При таких условиях летательный аппарат может стать искусственным спутником планеты, то есть крутиться по орбите вокруг Земли. Спутникам, как известно, крылья не нужны, а вот космическому кораблю они бы не помешали. Так посчитали специалисты NASA и в октябре 1968 года с идеей создания такого корабля обратились к американским космическим компаниям.

Считалось, что многоразовая космическая система в первую очередь позволить значительно снизить расходы на каждый пуск и стоимость полезного груза, выведенного на орбиту. В США началась работа над созданием многоразовой системой, которая получила название «Спейс шаттл» (Space Shuttle).

Первым прототипом «Спейс шаттла» стал «Энтерпрайз», названный так в честь корабля из популярного фантастического сериала Star Trek. Как и корабль из сериала, шаттл «Энтерпрайз» в настоящий космос не полетел, но позволил провести важные испытания на Земле.

Пуск «Колумбии». Фото: NASA / wikipedia.org

Первым действующим космическим челноком стала «Колумбия», чей полет состоялся 12 апреля 1981 года. В этом фактически испытательном пуске, рискуя жизнью, приняли участие два астронавта. Тогда все сложилось удачно. Трагедия с «Колумбией» случилась гораздо позже – в 2003 году на 28 пуске. При крушении погибли семь членов экипажа. Такая же судьба была и у второго космического челнока – «Челленджера». Он выдержал девять пусков, а в 1986 году при своем десятом запуске разбился с восемью астронавтами на борту.

Последний полет по программе «Спейс Шаттл» состоялся в 2011 году. Всего за 30 лет использования шаттлы совершили 135 космических путешествий. Каждая такая поездка обходилась в немаленькую сумму – от 500 млн до 1,3 млрд долларов, а каждый килограмм «космического багажа» стоил около 15 тыс. долларов. В то же время наша одноразовая ракета «Союз» выводила в космос грузы по цене примерно в два-три раза дешевле. Программа «Спейс Шаттл» планировалась как коммерчески выгодная, а в итоге стоимость доставки грузов на орбиту на американских шаттлах оказалась самой высокой за всю историю космических полетов.

«Буран», опередивший время

Неудивительно, что космическая гонка между США и СССР не смогла обойти идею многоразовых космических систем. Наблюдая за деятельностью американских коллег, советские конструкторы обсуждали этот вопрос на самом высоком уровне. Идею крылатых космических кораблей активно продвигало ОКБ-52 во главе с Владимиром Николаевичем Челомеем. В Кремле они представляли свои предложения по созданию космоплана для полета к Марсу и Венере, а также разработке пилотируемых и беспилотных ракетопланов для околоземных полетов.

При этом сама идея возвращения из космоса на крыле находила поддержку не у всех конструкторов. К примеру, Сергей Павлович Королев допускал, что крылатый космоплан может быть незаменимым, например, при посадке на Марс. Но что касается околоземных полетов, то «дорого таскать крылья в космос».

Тем не менее в СССР в 1973 году началась разработка многоразовой космической системы «Энергия-Буран». Специально для реализации программы было создано НПО «Молния» (с 2018 года это объединение входит в группу компаний «Калашников» и продолжает работы по авиационно-космической тематике). Главным конструктором «Молнии» был назначен Глеб Евгеньевич Лозино-Лозинский, до этого занимавшийся проектом «Спираль», в рамках которого разрабатывался орбитальный самолет. «Спираль» не получила поддержки у советского руководства и Лозино-Лозинского переориентировали на создание «Бурана».

Г.Е. Лозино-Лозинский (третий слева) показывает процесс сборки «Бурана» правительственной делегации

Работу над «Бураном» можно назвать самой масштабной космической стройкой в истории страны. В ней приняли участие более тысячи предприятий, многие из которых сегодня входят в состав Ростеха. В программе «Буран» большую роль играл Летно-исследовательский институт им. М.М. Громова (ЛИИ им. Громова), входящий сейчас в Объединенную авиастроительную корпорацию (ОАК). Здесь испытывалась автоматическая система управления, принципиально отличающая «Буран» от челноков пилотируемых человеком.

НПО «Молния» совместно с НПО «Энергия» и ЛИИ им. Громова разработали и построили летно-моделирующие стенды, пункт управления летным экспериментом, несколько летающих лабораторий. Атмосферный участок полета «Бурана» отрабатывался на созданной в НПО «Молния» летающей лаборатории БТС-002 – полноразмерной копии орбитального космического корабля с дополнительными турбореактивными двигателями. Более 20 полетов на БТС-002 как в ручном, так и в полностью автоматическом режиме были выполнены летчиками-испытателями ЛИИ им. Громова.

Остекление кабины и композитные детали «Бурана» были изготовлены на ОНПП «Технология». Тогда специалистами предприятия был изобретен инновационный материал гравимол, способный выдержать до +1650 °С. Можно сказать, что участие «Технологии» в проекте «Энергия-Буран» заложило основы композитного производства у нас в стране.

Кабина «Бурана» разрабатывалась специалистами Экспериментального машиностроительного завода им. В.М. Мясищева, который сегодня входит в Объединенную авиастроительную корпорацию (ОАК). Здесь же была предложена и создана уникальная система ВМ-Т для транспортировки планера космического челнока и крупногабаритных агрегатов по проекту «Энергия-Буран». В течении нескольких лет транспортные самолеты ВМ-Т «Атлант» совершили более 150 полетов, обеспечивая проведение наземных испытаний, а затем и сам космический полет.

Уникальная парашютная система космоплана была создана в НИИ парашютостроения (холдинг «Технодинамика»). Специалистами НИИ авиационного оборудования (ныне в составе КРЭТ) были разработаны комплексы приборной панели корабля, а посадку «Бурана» обеспечили системы производства другого предприятия КРЭТ – «Аэроприбор-Восход».

Приземление «Бурана» на аэродроме Юбилейный 15 ноября 1988 г.

В результате, 15 ноября 1988 года с космодрома Байконур ракета-носитель «Энергия» вывела космический корабль на околоземную орбиту. «Буран» два раза обогнул планету и приземлился на аэродроме «Юбилейный». Визуально посадка «Бурана» ничем не отличалась от приземления американских челноков. Однако «Буран» произвел свой полет и посадку полностью в автоматическом режиме – советским «шаттлом» управлял не экипаж, а бортовой вычислительный комплекс. Автоматический полет «Бурана» попал на страницы Книги рекордов Гиннесса и до сих пор этот рекорд не побит. К сожалению, первый полет «Бурана» стал и последним.

Подробно о том, как развивалась программа «Энергия-Буран» и чем она удивила весь мир, читайте в этой статье.

Планы для космоплана

На заре создания многоразовых авиационно-космических систем их основным назначением считался менее затратный и более оперативный по сравнению с одноразовыми ракетами доступ в космос. Но, как оказалось, проектирование такой технически сложной системы весьма затратно, да и эксплуатация не всегда экономически выгодна.

В наши дни современные технологии могут предоставить новые возможности космическому взлету «по-самолетному». Это не только организация доставки грузов на орбиту и обратно на Землю. Рассматриваются такие возможности, как трансконтинентальные перелеты, а также развитие космического туризма с пребыванием на орбите в течение нескольких дней и возвращением на аэродром вылета.

фото: Ralf Manteufel / wikimedia.org

Создание авиационно-космических систем сможет стать своего рода платформой для реализации прорывных решений. Проект такого масштаба способен аккумулировать в себе практически весь научный и промышленный потенциал страны с последующим внедрением новых технологий во многих секторах экономики. Такой была и программа «Энергия-Буран», в ходе выполнения которой была создана разнообразная номенклатура военных и гражданских разработок. Сотни этих решений нашли применение в различных сферах. К примеру, системы автоматического пилотирования, разработанные для космоплана, используются в современных истребителях и беспилотниках. Ну и, конечно, они могут стать базой при разработке нового российского космоплана – тема многоразовых крылатых космических кораблей продолжает развиваться.

Полет на орбиту

В чем разница между орбитальным и суборбитальным космическим полетом?

Суборбитальный аппарат Virgin Galactic совершил свой второй полет в космос 22 февраля 2019 года.
(Изображение предоставлено Virgin Galactic)

Орбитальный и суборбитальный полеты — распространенные термины в индустрии космических полетов, которые звучат очень похоже, но означают разные вещи.

Основное различие между орбитальным и суборбитальным полетом заключается в скорости, с которой движется аппарат. Орбитальный космический корабль должен достичь так называемой орбитальной скорости, тогда как суборбитальная ракета летит со скоростью ниже этой.

Орбитальная скорость — это скорость, которую объект должен поддерживать, чтобы оставаться на орбите вокруг планеты, согласно пояснителю из австрийской частной аэрокосмической компании Orbspace . Хороший способ изобразить это — представить мяч, брошенный на уровне земли — при обычной скорости броска мяч летит по дуге в воздухе, прежде чем ударится о землю. Но скажем, вы должны поместить на шар маленькую ракету, которая заставит его лететь так быстро, что его дугообразная форма будет точно соответствовать кривизне Земли. В этот момент мяч достиг бы орбиты и летел бы на постоянной высоте над нашей планетой.

Связанный: Важнейшие вехи пилотируемых космических полетов

Чтобы выйти на орбиту на высоте 125 миль (200 километров) над Землей, космический корабль должен двигаться со скоростью 17 400 миль в час (28 000 км/ч). «На самом деле именно эта невероятно высокая скорость делает орбитальный космический полет технически таким сложным и, следовательно, дорогим», — написали представители Orbspace. Одна из основных причин, по которой самолеты не могут летать в космосе , заключается в том, что они летают недостаточно быстро.

Суборбитальный полет, напротив, требует гораздо меньших скоростей. Суборбитальная ракета не способна выйти на орбиту. Вместо этого он поднимется на определенную высоту, которая зависит от его скорости, а затем вернется обратно после выключения двигателей. Чтобы достичь 125 миль над Землей, суборбитальный аппарат должен лететь на относительно спокойной скорости 3700 миль в час (6000 км/ч), хотя это все же намного быстрее, чем у коммерческого самолета, который летает со скоростью около 575 миль в час (925 км/ч).

В верхней части дуги полета пассажиры суборбитального корабля все же могут несколько минут находиться в невесомости. На самом деле они падают обратно к Земле , но они находятся в свободном падении, подобно самолету, выполняющему параболические маневры, чтобы имитировать невесомость.

Ракета Blue Origin New Shepard запускает многоразовый космический корабль HG Wells в его рекордном 6-м полете в суборбитальный космос с космодрома компании в Западном Техасе, 11 декабря 2019 г.. (Изображение предоставлено Blue Origin)

(открывается в новой вкладке)

Несколько частных космических компаний борются за то, чтобы брать платных клиентов в орбитальные или суборбитальные полеты. Virgin Galactic и Blue Origin стремятся в ближайшем будущем организовать регулярные частные суборбитальные полеты.

Компания Virgin Galactic намеревалась перевозить одновременно шесть пассажиров на своем корабле SpaceShipTwo , предоставляя клиентам несколько минут микрогравитации во время полета. Билет на SpaceShipTwo стоит 250 000 долларов, и продолжающиеся испытания корабля приближают его к готовности.

Blue Origin также совершал суборбитальные полеты на своей многоразовой ракете New Shepard. Компания надеется начать обслуживать платных клиентов в 2020 году, однако не раскрыла стоимость своих поездок, заявив лишь, что первоначально они будут составлять «сотни тысяч» долларов.

Многие ученые взволнованы перспективой использования коммерческих суборбитальных аппаратов для исследований в условиях микрогравитации . Такие испытания обойдутся гораздо дешевле, чем отправка экспериментов и людей на Международную космическую станцию.

SpaceX уже некоторое время отправляет материалы и спутники на орбиту для оплаты клиентов. И SpaceX, и аэрокосмическая компания Boeing планируют начать доставку астронавтов на орбиту в 2020 году. своей ракеты Фау-2. Транспортные средства были оружием, сброшенным на союзников, которые из-за их большой скорости было практически невозможно перехватить.

28 апреля 2001 г .: Деннис Тито стал 9-м0095 первый космический турист , заплативший 20 миллионов долларов за полет на орбиту на борту российского космического корабля «Союз».

Дополнительные ресурсы:

• Посмотрите орбитальную испытательную посадку Boeing Starliner в декабре 2019 года.
• Узнайте больше об основах космических полетов из NASA Science .

Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: community@space. com.

Адам Манн — журналист, специализирующийся на астрономии и физике. Его работы публиковались в New York Times, New Yorker, Wall Street Journal, Wired, Nature, Science и многих других изданиях. Он живет в Окленде, штат Калифорния, где любит кататься на велосипеде. Подпишитесь на него в Twitter @adamspacemann или посетите его веб-сайт https://www.adamspacemann.com/ (откроется в новой вкладке).

Космос ближе, чем вы думаете: что значит быть на орбите

Космос всего лишь прямо здесь — примерно в 62 милях вверх, лишь немногим дальше, чем Сан-Хосе от Сан-Франциско. Черт возьми, вы можете пройти половину пути в космос на воздушном шаре.

Но самое сложное в космосе не столько добраться туда, сколько остаться там. Вот где идея орбиты вступает в игру. После того, как вы выполните тяжелую работу по выводу космического корабля на орбиту, вы сможете использовать его годами, поскольку он более или менее легко вращается вокруг планеты по своей собственной невидимой дорожке.

Орбиты — это «дороги в космосе», — сказал Аджмал Юсуфф, профессор Университета Дрекселя, изучающий аэрокосмические аппараты. «Вы размещаете транспортное средство в космосе, и оно остается там». Это большой шаг вперед по сравнению с тем, чего добились миллиардеры Джефф Безос и Ричард Брэнсон, совершив кратковременный полет над Землей в июле.

Ученые выяснили, как работают орбиты, за столетия до того, как люди смогли запустить космический корабль, но остальным из нас есть что узнать об этих петлях над Землей — и веская причина для этого. С новыми проектами правительства и частного сектора космонавтика станет еще более важной, чем в 19-м веке.60-е годы в начале космической эры.

Среди прочего, несколько компаний заполняют небо спутниками, передающими интернет, новые ракеты SpaceX начали отправлять астронавтов на Международную космическую станцию, военные США создали свои новые космические силы, а НАСА планирует полеты на Луну и Марс.

Роберт Родригес/CNET

Затем идут космические туристы, начиная с группы миллиардеров и их ракетных компаний: Брэнсона и Virgin Galactic, Безоса и Blue Origin и еще более амбициозных Илона Маска и SpaceX. Брэнсон только что отправился на край космоса 9 июля., в то время как Безос 20 июля поднялся немного выше, а Blue Origin поспорила, действительно ли Брэнсон поднялся достаточно высоко.

SpaceX, которая уже запускала астронавтов на орбиту, теперь отправила в космос и частных лиц. 15 сентября он запустил четырех человек на орбиту в рамках трехдневной миссии Inspiration4, совершая один полный круг вокруг Земли каждые 90 минут или около того. На этом его амбиции не заканчиваются: он планирует полностью вывести людей с околоземной орбиты с помощью цикла вокруг Луны в 2023 году.

«Это новая космическая эра — и новая космическая гонка», — сказал Бен Ламм, исполнительный директор компании-разработчика программного обеспечения Hypergiant. Его компания работает с ВВС США над космическим кораблем Chameleon, который должен быть более адаптируемым, независимым и умным, чем традиционные космические корабли.

Начнем с Исаака Ньютона

Если вы хотите разобраться в орбитах, вам лучше всего начать с Исаака Ньютона, чьи исследования проложили путь к современной науке с объяснениями движения, света и гравитации. Ньютоновский «Трактат о системе мира» 1685 года элегантно описывает, как работают орбиты, с помощью мысленного эксперимента, не требующего никаких вычислений.

Идея, которую иногда называют пушечным ядром Ньютона, заключается в следующем. Представьте, что вы стреляете камнем горизонтально с высокой горы, постепенно увеличивая скорость, с которой он выстреливает.

«Чем больше скорость, с которой он выбрасывается, тем дальше он проходит, прежде чем упадет на Землю», — сказал Ньютон. С увеличением горизонтальной скорости «он будет описывать дугу в 1, 2, 5, 10, 100, 1000 миль, прежде чем достигнет Земли, пока, наконец, не превысив пределов Земли, он не должен будет пройти мимо, не касаясь ее. »

Другими словами, камень будет падать точно с той же скоростью, с которой отступает поверхность Земли из-за ее кривизны. В эксперименте Ньютона камень, брошенный с нужной скоростью, облетит Землю и врежется обратно в гору.

В 1685 году Исаак Ньютон опубликовал мысленный эксперимент, показывающий, как снаряд, выпущенный с постепенно увеличивающейся скоростью с вершины горы, в конечном итоге совершит орбиту Земли. Атмосферное сопротивление делает это невозможным на реальной Земле, что признал Ньютон.

Смитсоновский институт

В реальном мире трение с земной атмосферой замедлит снаряд задолго до того, как он сможет облететь Землю и вернуться к горе. Но на расстоянии нескольких миль в космосе, где воздуха мало, этот снаряд будет продолжать двигаться по орбите, и его почти ничто не остановит.

Быстрое движение боком, а не вверх

Это подводит нас к основной трудности вывода спутника на орбиту: получение достаточной горизонтальной скорости.

Наблюдаете ли вы огромные ракеты «Сатурн-5», доставляющие людей на Луну, или тонкие подсвечники, запускающие небольшие космические корабли, ракеты, которые вы видите, создают огромную тягу. Однако подавляющее большинство ракетного топлива толкает космический корабль вбок, а не вверх. Когда вы наблюдаете запуск ракеты, наклон к горизонтали начинается почти сразу после того, как корабль покидает стартовую площадку.

Как быстро летят эти космические корабли? Первый искусственный спутник Земли «Спутник-1», запущенный Россией в 1957, вращающийся со скоростью около 18 000 миль в час над поверхностью Земли, или около 8 километров в секунду. Международная космическая станция летит со скоростью 7,7 км/с или около 17 000 миль в час.

Для сравнения, сверхзвуковой пассажирский самолет «Конкорд» двигался со скоростью всего около 1500 миль в час.

SpaceX требуется гораздо больше энергии, чтобы доставить астронавтов НАСА на МКС, чем Blue Origin, ракетному стартапу, финансируемому генеральным директором Amazon Джеффом Безосом, чтобы поднимать и опускать свои ракеты New Shepard, не выходя на орбиту.

Чем ниже орбита космического корабля, тем быстрее он движется. Вот почему космический телескоп Хаббл, расположенный на высоте около 340 миль (547 км), совершает оборот вокруг Земли каждые 95 минут, а спутники Глобальной системы позиционирования для навигационных служб на высоте 12 550 миль (20 200 км) совершают каждый оборот по 12 часов.

Получение пускового импульса с Земли

Вращение Земли дает ракетам здоровый полет на восток, и чем ближе к экватору находится запуск, тем сильнее этот полет.

Отчасти поэтому американские космодромы расположены в южной части страны, а европейские космические корабли иногда запускаются из Гвианского космического центра в Южной Америке, всего в 5 градусах широты от экватора. НАСА рассматривало возможность запуска миссий на Луну с экваториальной точки, хотя фактор броска был второстепенным по сравнению с топливом, соответствующим орбите Луны.

Когда SpaceX запускает ракету, она резервирует некоторое количество топлива для возвращения первой ступени ракеты на Землю после завершения работы по выводу космического корабля на орбиту. При запуске с мыса Канаверал во Флориде ступень ракеты приземляется на беспилотный корабль, плавающий в Атлантическом океане в сотнях миль к востоку.

Низкая околоземная орбита: Присоединяйтесь к группе

Космос начинается примерно в 62 милях (100 км) над нами, хотя граница несколько условна. (НАСА и Федеральное авиационное управление установили границу всего в 50 миль для тех, кто заберется так далеко.) Немного выше, достигая примерно 1243 миль (2000 км) над поверхностью Земли, находится самая популярная часть пространство, называемое низкой околоземной орбитой или НОО.

Здесь вы найдете Международную космическую станцию, а также спутники для прогнозирования погоды, шпионажа, телевидения, обработки изображений и, все чаще, спутниковой широкополосной связи. Каждый человек, побывавший в космосе, за исключением тех, кто добрался до Луны во время миссий НАСА «Аполлон», обнимал Землю на НОО.

Служба SpaceX Starlink, которая в настоящее время находится в стадии бета-тестирования, на данный момент поместила в свою группировку 1800 спутников, а их число приближается к более чем 2200. Проект Amazon Kuiper планирует построить 3200 спутников. OneWeb предполагает колоссальные 48 000 спутников, хотя в этом году ее краткосрочные планы столкнулись с проблемой банкротства. Компании из Канады, России и Китая планируют больше.

Добраться до LEO стало проще, чем когда-либо, и это положило начало «золотому веку инноваций LEO», — сказал исполнительный директор HawkEye 360 ​​Джон Серафини, чья компания помогает правительственным и военным заказчикам отслеживать радиосигналы, чтобы обнаруживать такие объекты, как контрабандисты или потерянные лодки.

Космический челнок НАСА «Индевор» вращается вокруг Международной космической станции в 2008 году. МКС находится на высоте более 200 миль над поверхностью Земли, примерно на расстоянии от Нью-Йорка до Бостона.

НАСА

«10 лет назад для HawkEye 360 ​​было бы практически невозможно построить группировку спутников», но многоразовые ракеты SpaceX и другие усовершенствования снизили стоимость запуска. «Существует больше возможностей попасть на орбиту, чем когда-либо прежде», — сказал он.

Поскольку НОО относительно доступен, именно здесь находится большая часть земного космического мусора. Трение с верхними слоями атмосферы утаскивает часть обломков с пути. Спутники также должны учитывать атмосферное трение, часто подталкивая себя, чтобы поддерживать правильную орбиту с помощью мягких, но удобных ионных двигателей, работающих на солнечной энергии.

Направление выше на геостационарную орбиту

Средняя околоземная орбита, которая достигает примерно 22 233 миль (35 780 км) над Землей, является пустыней по сравнению с НОО. Но есть и некоторые примечательные обитатели этой зоны, в частности группировки навигационных спутников.

Крупнейшие созвездия спутниковой навигации, каждое из которых имеет примерно по два десятка спутников, — это американский GPS, европейский Galileo, российский Глонасс и китайский BeiDou. GPS, чьи спутники находятся на высоте около 12 500 миль, удобен для навигации с помощью смартфона, но военное использование также является главным оправданием затрат на запуск и обслуживание этих спутников.

Прямо над верхней границей СОО находится геостационарная орбита, наилучшее место, где период обращения соответствует вращению Земли. Спутник на геосинхронной орбите над экватором, называемой геостационарной орбитой, появляется точно в том же месте на небе, если смотреть с Земли.

Это особенно полезно для связи, поскольку вы можете направить стационарную антенну наземной станции прямо на спутник. Однако задержки радиопередачи и мощность сигнала хуже, чем у космических кораблей на более низких орбитах.

Не все парковочные места в геостационарной системе одинаковы. По словам Юсуффа из Drexel, колебания плотности Земли смещают некоторые спутники со своего места, что требует периодического движения, чтобы удерживать их на одной линии.

Запуск космического корабля НАСА «Дискавери» в 2009 году показывает дугу космического корабля, направляющегося на орбиту. Получить боковую скорость, необходимую для пребывания на орбите, труднее, чем для выхода в космос, поэтому ракетные двигатели уводят космический корабль за горизонт.

НАСА

Окружности и эллипсы

Хотя многие орбиты имеют круглую форму, некоторые из них имеют более эллиптическую форму, что может замедлить скорость спутника, когда он находится дальше от Земли.

Эллипсы также удобны для смены орбит. Миссии НАСА «Аполлон» начались с запуска космического корабля на орбиту Земли, а затем новый запуск ракеты вывел их на эллиптическую орбиту, которая тянулась к Луне, позволяя астронавтам преодолевать большую часть пути. Очередной запуск ракеты вывел космический корабль на лунную орбиту.

Один из любимых типов орбит Юсуффа — эллиптический. Большая часть России находится далеко к северу от экватора, что ограничивает полезность геостационарных спутников. Поэтому русские придумали альтернативу под названием «Молния».

На орбите «Молния» спутник пролетает над Австралией в ближайшей точке орбиты, называемой перигеем, затем естественным образом замедляется, достигая высшей точки над Москвой, называемой апогеем. Таким образом, он проводит большую часть времени на орбите с полезной доступностью.

Первоначальная спутниковая радиосистема Sirius также использовала орбиты «Молния», хотя после того, как она приобрела XM Satellite Radio, чтобы стать Sirius XM Radio, она приняла подход XM на геостационарной орбите.