Орбитальный космический полет (или орбитальный полет ) — космический полет , при котором космический корабль выводится на траекторию, при которой он может оставаться в космосе хотя бы одну орбиту . Чтобы сделать это вокруг Земли , он должен двигаться по свободной траектории, высота перигея ( высота 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 . Международная авиационная федерация установила 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 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 направлена вверх для борьбы с гравитацией и поддержания высоты). ) для горения в течение 5–8 минут до достижения орбитальной скорости. В настоящее время для достижения требуемого значения delta-v необходимо 2–4 этапа . 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 оказаться 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 в себя 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 ракетной ступени ракеты-носителя , а также капсулой 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 конструкций. ракетные двигатели, такие как их SuperDraco . Начальные этапы этих усовершенствований могут снизить стоимость орбитального запуска на порядок. [4]
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 вернулся в атмосферу над Тихим океаном 31 марта 1970 года.
Однако точное поведение объектов на орбите зависит от высоты , их баллистического коэффициента и деталей космической погоды , которые могут повлиять на высоту верхних слоев атмосферы.
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.
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) .
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, нагревания воздуха в ударной волне перед транспортным средством с использованием тупого теплозащитного экрана с целью минимизации попадания тепла в транспортное средство.
Суборбитальные космические полеты, происходящие на гораздо более низкой скорости, не выделяют и близко столько тепла при входе в атмосферу.
Даже если орбитальные объекты являются одноразовыми, большинство [ определите количественно ] космических властей [ необходим пример ] стремятся к контролируемому возвращению в атмосферу, чтобы минимизировать опасность для жизни и имущества на планете. [ нужна цитата ]
{{cite web}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link)