.jpg/1280px-Falcon_Heavy_Demo_Mission_(39337245145).jpg)
Космический запуск – это самая ранняя часть полета в космос . Космический запуск предполагает старт , когда ракета или другая космическая ракета-носитель отрывается от земли, плавучего корабля или воздушного самолета в начале полета. Старт бывает двух основных типов: ракетный запуск (нынешний традиционный метод) и неракетный космический запуск (при котором используются другие формы движения, включая воздушно-реактивные двигатели).
Четкой границы между атмосферой Земли и космосом не существует , поскольку плотность атмосферы постепенно уменьшается с увеличением высоты. Существует несколько стандартных обозначений границ, а именно:
В 2009 году ученые сообщили о детальных измерениях с помощью Supra-Thermal Ion Imager (прибора, измеряющего направление и скорость ионов), который позволил им установить границу на высоте 118 км (73,3 мили) над Землей. Граница представляет собой середину постепенного перехода на десятки километров от относительно слабых ветров земной атмосферы к более сильным потокам заряженных частиц в космосе, которые могут достигать скорости значительно более 268 м/с (880 футов/с). [7] [8]
Следовательно, по определению для осуществления космического полета необходима достаточная высота. Это означает , что необходимо преодолеть минимальную гравитационную потенциальную энергию : для линии Кармана она составляет примерно 1 МДж/кг. W=mgh, m=1 кг, g=9,82 м/с 2 , h=10 5 м. W=1*9,82*10 5 ≈10 6 Дж/кг=1 МДж/кг
На практике необходимо расходовать более высокую энергию из-за таких потерь, как сопротивление воздуха, тяговый КПД, эффективность цикла используемых двигателей и гравитационное сопротивление .
В последние пятьдесят лет космический полет обычно означал пребывание в космосе в течение определенного периода времени, а не подъем и немедленное падение обратно на Землю. Это влечет за собой орбиту, которая в основном зависит от скорости, а не высоты, хотя это не означает, что трение воздуха и соответствующие высоты по отношению к этому и орбита не должны приниматься во внимание. На гораздо более высоких высотах, чем многие орбитальные высоты, поддерживаемые спутниками, высота начинает становиться все более и более важным фактором, а скорость - меньшим. На более низких высотах из-за высокой скорости, необходимой для пребывания на орбите, трение воздуха является очень важным фактором, влияющим на спутники, гораздо сильнее, чем в популярном представлении о космосе. На еще более низких высотах воздушные шары, не имеющие поступательной скорости, могут выполнять многие функции, которые выполняют спутники.
Многие грузы, особенно люди, имеют предельную перегрузку , при которой они могут выжить. Для человека это около 3-6 г. Некоторые пусковые установки, такие как артиллерийские, могут давать ускорение в сотни или тысячи g и поэтому совершенно непригодны.
Пусковые установки различаются по надежности для выполнения миссии.
Безопасность – это вероятность причинения телесных повреждений или гибели людей. Ненадежные пусковые установки не обязательно небезопасны, тогда как надежные пусковые установки обычно, но не всегда, безопасны.
Помимо катастрофического отказа самой ракеты-носителя, другие угрозы безопасности включают разгерметизацию и радиационные пояса Ван Аллена, которые исключают орбиты, которые находятся внутри них в течение длительного времени.
Оптимизация траектории — это процесс разработки траектории , которая минимизирует (или максимизирует) некоторую меру производительности, одновременно удовлетворяя ряду ограничений. Вообще говоря, оптимизация траектории — это метод вычисления разомкнутого решения задачи оптимального управления . Он часто используется для систем, где вычисление полного решения с обратной связью не требуется, непрактично или невозможно. Если задачу оптимизации траектории можно решить со скоростью, заданной обратной константой Липшица , то ее можно использовать итеративно для генерации решения с обратной связью в смысле Каратеодори . Если для задачи с бесконечным горизонтом выполняется только первый шаг траектории, то это известно как управление с прогнозированием модели (MPC) .
Хотя идея оптимизации траектории существует уже сотни лет ( вариационное исчисление , проблема брахистохроны ), она стала практичной для решения реальных задач только с появлением компьютера. Многие из первоначальных применений оптимизации траектории были в аэрокосмической промышленности, где вычислялись траектории запуска ракет и ракет. В последнее время оптимизация траектории также стала использоваться в самых разных промышленных процессах и приложениях робототехники. [9]Многие ракеты используют ископаемое топливо. Например, ракета SpaceX Falcon Heavy сжигает 400 тонн керосина и выделяет за несколько минут больше углекислого газа, чем средний автомобиль за более чем два столетия. Поскольку ожидается, что в ближайшие годы количество запусков ракет значительно увеличится, ожидается, что эффект от запуска на орбиту Земли станет намного хуже. [ нейтралитет оспаривается ] Некоторые производители ракет (например, Orbex , ArianeGroup ) используют различные виды стартового топлива (например , биопропан; метан, получаемый из биомассы). [10]
Суборбитальный космический полет — это любой космический запуск, который достигает космоса, не совершая полного оборота вокруг планеты, и требует максимальной скорости около 1 км/с только для достижения космоса и до 7 км/с для более длинных расстояний, таких как межконтинентальный космический полет. Примером суборбитального полета может быть баллистическая ракета или будущий туристический полет, такой как Virgin Galactic , или межконтинентальный транспортный полет, такой как SpaceLiner . Любой космический запуск без корректировки оптимизации орбиты для достижения стабильной орбиты приведет к суборбитальному космическому полету, если только не будет достаточной тяги для полного ухода с орбиты. (См. Космическая пушка#Выход на орбиту )
Кроме того, если требуется орбита, то необходимо генерировать гораздо большее количество энергии, чтобы придать кораблю некоторую боковую скорость. Скорость, которую необходимо достичь, зависит от высоты орбиты — на большой высоте требуется меньшая скорость. Однако, учитывая дополнительную потенциальную энергию пребывания на больших высотах, в целом используется больше энергии для достижения более высоких орбит, чем более низких.
Скорость, необходимая для поддержания орбиты вблизи поверхности Земли, соответствует боковой скорости около 7,8 км/с (17 400 миль в час), а энергия около 30 МДж/кг. Это в несколько раз превышает энергию на кг практических смесей ракетного топлива .
Получение кинетической энергии затруднено, поскольку сопротивление воздуха имеет тенденцию замедлять космический корабль, поэтому космические корабли с ракетными двигателями обычно летают по компромиссной траектории, которая очень рано покидает самую плотную часть атмосферы, а затем летят, например, по переходной орбите Гомана, чтобы достичь конкретная орбита, которая требуется. Это сводит к минимуму сопротивление воздуха, а также сводит к минимуму время, которое автомобиль тратит на удержание себя. Воздушное сопротивление является серьезной проблемой практически для всех предлагаемых и существующих систем запуска, хотя обычно это не так важно, как сложность получения достаточной кинетической энергии, чтобы вообще достичь орбиты.
Если необходимо полностью преодолеть гравитацию Земли, то космический корабль должен получить достаточно энергии, чтобы превысить глубину ямы потенциальной энергии гравитации. Как только это произойдет, при условии, что энергия не будет потеряна каким-либо неконсервативным путем, транспортное средство выйдет из-под влияния Земли. Глубина потенциальной ямы зависит от положения автомобиля, а энергия зависит от скорости автомобиля. Если кинетическая энергия превышает потенциальную, то происходит побег. На поверхности Земли это происходит со скоростью 11,2 км/с (25 000 миль в час), но на практике из-за сопротивления воздуха требуется гораздо более высокая скорость.
Неракетный космический запуск относится к теоретическим концепциям запуска в космос, где большая часть скорости и высоты, необходимых для достижения орбиты, обеспечивается с помощью метода движения, который не подпадает под ограничения ракетного уравнения . [12] Хотя на сегодняшний день все космические запуски осуществлялись с помощью ракет, был предложен ряд альтернатив ракетам. [13] В некоторых системах, таких как комбинированная система запуска, Skyhook , запуск на ракетных санях , Rockoon или воздушный запуск , часть общей дельта-V может быть обеспечена, прямо или косвенно, за счет использования ракетной тяги.
Сегодняшние затраты на запуск очень высоки – от 2500 до 25 000 долларов за килограмм с Земли на низкую околоземную орбиту (НОО). В результате затраты на запуск составляют значительную часть стоимости всех космических проектов. Если запуск можно будет удешевить, общая стоимость космических миссий снизится. Из-за экспоненциального характера уравнения ракеты обеспечение даже небольшой скорости на околоземной орбите другими способами может значительно снизить стоимость выхода на орбиту.
Затраты на запуск в сотни долларов за килограмм сделают возможными многие предложенные крупномасштабные космические проекты, такие как колонизация космоса , солнечная энергетика в космосе [14] и терраформирование Марса . [15]