Rymdtunnlar och järn på huvudet eller varför behöver vi Vostochny-kosmodromen

2024 Författare: Seth Attwood | [email protected]. Senast ändrad: 2023-12-16 16:17

Häromdagen blev jag ombedd att konsultera infografiken för RIA Novosti, tillägnad den första lanseringen från Vostochny-kosmodromen. Och det kommer att bli en stor förenkling på grund av begränsningarna i materialets format. Faktum är att vi inte behöver Vostochny-kosmodromen eftersom majoriteten av civila uppskjutningar sker från Baikonur-kosmodromen.

Men för att förklara varför vi behöver det måste vi berätta varför en rymdfarkosts omloppsbana kan jämföras med en tunnel, och även förklara vilken typ av "järn" som faller från himlen och på vem det faller.

Tunnel i himlen

Fysiken för orbital rörelse är helt kontraintuitiv. Det är snarare motsatsen till vad en vanlig människa inbillar sig. Och även bra filmer, som till synes strävar efter realism, ger en helt felaktig uppfattning om hur satelliter och rymdskepp flyger. Kommer ni ihåg "Gravity", som berömt flög från Hubble till ISS och sedan till den kinesiska stationen? Även om vi förkastar skillnaden i orbitalhöjder, dödar en parameter för orbital rörelse även den minsta chansen för sådana flygningar. Denna parameter kallas "orbital lutning".

Banlutning är vinkeln mellan planet för satellitens omloppsbana och ekvatorns plan (för en jordsatellit)

Till exempel, för fallet "Gravity" blir bilden så här:

Och det faktum att banornas plan inte alls sammanfaller är inget problem. Det verkliga problemet är att för en låg cirkulär bana (och Hubble, ISS, Tiangong och massan av andra satelliter är en låg cirkulär bana), är förändringen i lutning mycket dyr. För att "rotera" omloppsbanan med 45° måste vi ändra vår hastighet med cirka 8 km/s, samma mängd som vi behövde för att komma in i omloppsbanan. Och att ändra hastigheten är ett slöseri med bränsle och återställning av etapper. Det vill säga, om en raket med en massa på 300 ton sätter 7 ton i omloppsbana, kommer endast 150 kilo att återstå efter en förändring i lutningen med 45 °. Faktum är att varje orbiter flyger inuti en osynlig tunnel, vars diameter beror på dess förmåga att ändra hastigheten. Därför, när de skjuter upp satelliter, försöker de föra dem omedelbart till önskad lutning.

Uppslagna vägar

Vilken lutning används för befintliga orbiters? Det finns många satelliter i jordens omloppsbana nu:

Om man tittar noga kan man se att det finns fler satelliter i vissa banor. Här är en bild som visar satelliternas rörelse i förhållande till jorden:

Geostationär bana (grön). Det är en cirkulär bana med en höjd av 36 000 km och en lutning på 0 °. Satelliten på den ligger ovanför en punkt på jordens yta, därför indikeras den korrekta geostationära omloppsbanan på bilden med en grön prick. Gröna slingor är felaktiga satelliter eller slut på bränsle. Den geostationära omloppsbanan är under månens störande inflytande, och du behöver spendera bränsle bara för att stanna på plats. Denna omloppsbana är bebodd av telekommunikationssatelliter, som är lönsamma, så det är redan svårt att hitta lediga platser på den.

GLONAS / GPS-banor (blått och rött). Dessa banor har en höjd av cirka 20 000 kilometer och en lutning runt 60 °. Som namnet antyder bär de navigationssatelliter.

Polära banor (gul). Dessa banor lutar i området 90 ° och höjden är vanligtvis inte mer än 1000 km. I det här fallet kommer satelliten att flyga över polerna varje varv och kommer att se hela jordens territorium. En separat underart av sådana banor är solsynkrona banor med en höjd av 600-800 km och en lutning på 98 °, där satelliter flyger över olika delar av jorden vid ungefär samma lokal tid. Dessa banor är efterfrågade för meteorologiska, kartläggnings- och spaningssatelliter.

Dessutom bör ISS-banan med en höjd av 450 km och en lutning på 51,6 ° noteras.

Hjärtlös geografi

Nåväl, vi kom på stämningarna, kommer läsaren att säga. Och var kommer kosmodromen? Faktum är att det finns en sådan obehaglig fysisk lag:

Banans initiala lutning kan inte vara mindre än kosmodromens latitud

Varför är det så? Allt blir tydligare om vi ritar satellitens bana på jordens karta:

Om vi, med start från Baikonur, börjar accelerera österut, får vi en omloppsbana med en lutning på Baikonurs latitud, 45 ° (röd). Om vi börjar accelerera mot nordost kommer den nordligaste punkten i omloppsbanan att vara norr om Baikonur, det vill säga lutningen blir större (gul). Om vi försöker fuska och börja accelerera mot sydost, kommer den resulterande omloppsbanan fortfarande att ha den nordligaste punkten norr om Baikonur och, återigen, en större lutning (blå).

Men en sådan bana är fysiskt omöjlig, eftersom den inte passerar genom jordens masscentrum. Mer exakt är det omöjligt att flyga med motorn avstängd. Du kan vara i en sådan omloppsbana en tid med motorn igång, men bränslet tar slut mycket snabbt.

Således, om vi vill skjuta upp satelliter i geostationär omloppsbana inte från ekvatorn, måste vi på något sätt återställa orbitallutningen och förbruka bränsle. Det är dessa kostnader som förklarar varför samma Soyuz-2.1a-raket framgångsrikt skickar upp satelliter i geostationär omloppsbana från Kuru-kosmodromen nära ekvatorn, men inte används för dessa uppgifter från Baikonur.

Ryssland är ett nordligt land. Och om satelliter säkert kan skjutas upp i polära och GLONASS-banor från Plesetsk, som ligger på en latitud av 63 °, är det för en geostationär bana, ju längre söderut kosmodromen är belägen, desto bättre. Och här träder det andra problemet i kraft - inte alla territorier är lämpliga för en kosmodrom.

Kliv på kumpol

Alla moderna raketer, när de skjuter upp en satellit, släpper förbrukade etapper och nosskydd som faller till jorden. Om olycksplatsen är i ett annat land måste du förhandla med det landet för varje lansering. Därför är till exempel den minsta lutningen för Baikonur-kosmodromen inte 45 °, utan 51 °, för annars kommer det andra steget att falla in i Kina:

Och på platsen där den första etappen föll måste du förhandla med Kazakstan och betala för användningen av dessa områden. Ibland uppstår problem och uppskjutningen av satelliter försenas. Höstens områden måste alieneras ganska stora:

Och i den europeiska delen av Ryssland finns det inga bra platser för en kosmodrom. Jag lekte med kartorna, i Kaukasus kan du undvika och försöka starta från regionen Mozdok, men även då måste du försöka så att de andra etapperna inte faller in i Kazakstan. Om du skjuter upp en raket från Krim kommer den första etappen att falla in i befolkade områden nära Rostov-on-Don, och den andra etappen kommer återigen att sträva efter att falla in i Kazakstan. Och det tar inte hänsyn till infrastrukturproblemen i båda alternativen. Mot denna bakgrund kommer du att titta på de lutningar som finns tillgängliga för amerikanska rymdhamnar och beklaga fysikens och geografins hjärtlöshet.

Men vi har också en östkust. Och om vi placerar kosmodromen där, kommer det att vara möjligt att hitta avlägsna områden för nedgången av de använda stadierna för de mest efterfrågade lutningarna: 51, 6 ° (till ISS och geostationär omloppsbana), 64, 8 ° (GLONASS), vissa jordavkänningssatelliter), 98° (i polär omloppsbana).

Än en gång avhandling

Vostochny-kosmodromen kommer att göra det möjligt för oss att skjuta upp nyttolaster i den geostationära omloppsbanan och till ISS utan att behöva koordinera dessa uppskjutningar med andra länder och betala dem för att använda undantagsområdena. Den ligger i den södra delen av landet och ger en initial orbital lutning inte sämre än Baikonur. Det är irrationellt att bygga ett uppskjutningskomplex för den nya bärraketen Angara vid Baikonur (återigen, samordning av uppskjutningar och krockområden), men från Vostochny kommer det inte att ge mindre nyttolast.

Trevlig liten sak: det nya uppskjutningskomplexet med ett servicetorn, som i Kourou, kommer att möjliggöra sjösättning av västerländska nyttolaster, som måste monteras på bärraketen i upprätt läge.

En bonus är också utvecklingen av infrastruktur, en drivkraft för utvecklingen av territoriet, en vetenskapsstad och så vidare.

UPD: infographic ut. Det är synd, vi hann inte rita om placeringen av satelliterna. Fortfarande mycket kortfattat försökte vi förklara vad som står här. Enligt mig blev det fint.