Орбитальный космический полет (или орбитальный полет ) — это космический полет , в котором космический аппарат выводится на траекторию, где он может оставаться в космосе по крайней мере один виток . Чтобы сделать это вокруг Земли , он должен находиться на свободной траектории с высотой в перигее (высота при максимальном сближении) около 80 километров (50 миль); это граница космоса , как определено НАСА , ВВС США и FAA . Чтобы оставаться на орбите на этой высоте, требуется орбитальная скорость ~7,8 км/с. Орбитальная скорость ниже для более высоких орбит, но для их достижения требуется большее значение delta-v . Международная авиационная федерация установила линию Кармана на высоте 100 км (62 мили) в качестве рабочего определения границы между аэронавтикой и астронавтикой. Это используется потому, что на высоте около 100 км (62 мили), как рассчитал Теодор фон Карман , транспортному средству пришлось бы двигаться быстрее орбитальной скорости , чтобы получить достаточную аэродинамическую подъемную силу из атмосферы для поддержания себя. [1] : 84 [2]
Из-за сопротивления атмосферы минимальная высота, на которой объект на круговой орбите может совершить хотя бы один полный оборот без использования двигателя, составляет приблизительно 150 километров (93 мили).
Выражение «орбитальный космический полет» в основном используется для отличия от суборбитальных космических полетов , которые представляют собой полеты, в которых апогей космического корабля достигает космоса, но перигей находится слишком низко. [3]
Орбитальный космический полет с Земли был осуществлен только с помощью ракет-носителей , использующих ракетные двигатели для движения. Чтобы достичь орбиты, ракета должна придать полезной нагрузке delta-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 атмосферное сопротивление (примерно 300 м/с с баллистическим коэффициентом 20-метрового плотно заправленного транспортного средства), потери гравитации (в зависимости от времени сгорания и деталей траектории и транспортного средства) и набор высоты.
Основная проверенная методика включает запуск почти вертикально на несколько километров с выполнением гравитационного поворота , а затем постепенное выравнивание траектории на высоте 170+ км и ускорение по горизонтальной траектории (с ракетой, наклоненной вверх для борьбы с гравитацией и поддержания высоты) в течение 5–8 минут горения до достижения орбитальной скорости. В настоящее время для достижения требуемой дельта-v требуется 2–4 ступени . Большинство запусков осуществляются с помощью одноразовых пусковых систем .
Ракета Pegasus для малых спутников запускается с самолета на высоте 39 000 футов (12 км).
Было предложено много методов достижения орбитального космического полета, которые потенциально могут быть намного более доступными, чем ракеты. Некоторые из этих идей, такие как космический лифт и ротоватор , требуют новых материалов, намного прочнее любых известных в настоящее время. Другие предложенные идеи включают наземные ускорители, такие как пусковые петли , самолеты с ракетным двигателем/космопланы, такие как реактивные двигатели Skylon , космические самолеты с ГПВРД и космические самолеты с RBCC . Для грузов был предложен запуск из пушки.
С 2015 года SpaceX продемонстрировала значительный прогресс в своем более постепенном подходе к снижению стоимости орбитальных космических полетов. Их потенциал снижения стоимости в основном обусловлен новаторской пропульсивной посадкой с помощью их многоразовой ступени ракетного ускорителя, а также их капсулы Dragon , но также включает повторное использование других компонентов, таких как обтекатели полезной нагрузки и использование 3D-печати суперсплава для создания более эффективных ракетных двигателей, таких как их SuperDraco . Начальные этапы этих усовершенствований могут снизить стоимость орбитального запуска на порядок. [4]
Объект на орбите на высоте менее примерно 200 км считается нестабильным из-за сопротивления атмосферы . Для того чтобы спутник находился на стабильной орбите (т. е. устойчиво в течение более нескольких месяцев), 350 км — это более стандартная высота для низкой околоземной орбиты . Например, 1 февраля 1958 года спутник Explorer 1 был запущен на орбиту с перигеем 358 километров (222 мили). [5] Он оставался на орбите более 12 лет, прежде чем 31 марта 1970 года вошел в атмосферу над Тихим океаном.
Однако точное поведение объектов на орбите зависит от высоты , их баллистического коэффициента и особенностей космической погоды , которые могут влиять на высоту верхних слоев атмосферы.
Вокруг Земли существует три основных «полосы» орбит : низкая околоземная орбита (НОО), средняя околоземная орбита (ССО) и геостационарная орбита (ГСО).
Согласно орбитальной механике , орбита лежит в определенной, в значительной степени фиксированной плоскости вокруг Земли, которая совпадает с центром Земли и может быть наклонена по отношению к экватору. Относительное движение космического корабля и движение поверхности Земли, поскольку Земля вращается 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 непосредственно находится космический корабль; это полезно для визуализации орбиты.
В космических полетах орбитальный маневр — это использование двигательных установок для изменения орбиты космического корабля . Для космических кораблей, находящихся далеко от Земли, например, на орбитах вокруг Солнца, орбитальный маневр называется маневром в дальнем космосе (DSM) .
Возвращающиеся космические аппараты (включая все потенциально пилотируемые аппараты) должны найти способ максимально замедлиться, оставаясь в более высоких слоях атмосферы и избегая удара о землю ( литологическое торможение ) или сгорания. Для многих орбитальных космических полетов начальное торможение обеспечивается ретро -зажиганием ракетных двигателей аппарата, возмущением орбиты (опусканием перигея в атмосферу) на суборбитальную траекторию. Многие космические аппараты на низкой околоземной орбите (например, наноспутники или космические аппараты, у которых закончилось топливо для поддержания станции или которые по иным причинам нефункциональны) решают проблему торможения с орбитальных скоростей за счет использования атмосферного сопротивления ( аэроторможение ) для обеспечения начального торможения. Во всех случаях, как только начальное торможение опускает орбитальный перигей в мезосферу , все космические аппараты теряют большую часть оставшейся скорости и, следовательно, кинетическую энергию из-за эффекта атмосферного сопротивления аэроторможения .
Преднамеренное аэроторможение достигается путем ориентации возвращающегося космического корабля таким образом, чтобы тепловые экраны были направлены вперед к атмосфере для защиты от высоких температур, создаваемых атмосферным сжатием и трением, вызванным прохождением через атмосферу на гиперзвуковых скоростях. Тепловая энергия рассеивается в основном за счет сжатия, нагревая воздух в ударной волне перед кораблем, используя тупую форму теплозащитного экрана с целью минимизации тепла, попадающего в корабль.
Суборбитальные космические полеты, совершаемые на гораздо меньшей скорости, не генерируют и близко такого количества [ необходимо дополнительное пояснение ] тепла при входе в атмосферу.
Даже если объекты на орбите являются расходными, большинство [ количественно ] космических органов [ требуется пример ] настаивают на контролируемом возвращении в атмосферу, чтобы свести к минимуму опасность для жизни и имущества на планете. [ требуется цитата ]
{{cite web}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )