Суборбитальный космический полет — это космический полет , в котором космический аппарат достигает космического пространства , но его траектория пересекает поверхность гравитирующего тела , с которого он был запущен. Следовательно, он не совершит один орбитальный виток, не станет искусственным спутником и не достигнет второй космической скорости .
Например, путь объекта, запущенного с Земли , который достигает линии Кармана (около 83 км [52 миль] – 100 км [62 миль] [2] над уровнем моря ), а затем падает обратно на Землю, считается суборбитальным космическим полетом. Некоторые суборбитальные полеты были предприняты для испытания космических аппаратов и ракет-носителей, позже предназначенных для орбитальных космических полетов . Другие аппараты специально предназначены только для суборбитальных полетов; примерами являются пилотируемые аппараты, такие как X-15 и SpaceShipTwo , и беспилотные, такие как МБР и ракеты-носители .
Полеты, которые достигают достаточной скорости для выхода на низкую околоземную орбиту , а затем сходят с орбиты до завершения первой полной орбиты, не считаются суборбитальными. Примерами этого являются полеты системы дробно-орбитальной бомбардировки .
Полет, который не достигает космоса, иногда все еще называют суборбитальным, но официально не может быть классифицирован как «суборбитальный космический полет». Обычно используется ракета, но некоторые экспериментальные суборбитальные космические полеты также были достигнуты с помощью космических пушек . [3]
По определению, суборбитальный космический полет достигает высоты более 100 км (62 миль) над уровнем моря . Эта высота, известная как линия Кармана, была выбрана Международной авиационной федерацией , потому что это примерно точка, где транспортное средство, летящее достаточно быстро, чтобы поддерживать себя аэродинамической подъемной силой из атмосферы Земли, будет лететь быстрее орбитальной скорости . [4] Вооруженные силы США и НАСА награждают крыльями астронавтов тех, кто летит выше 50 миль (80 км), [5] хотя Государственный департамент США не показывает четкой границы между полетом в атмосфере и космическим полетом . [6]
Во время свободного падения траектория является частью эллиптической орбиты , как указано в уравнении орбиты . Расстояние перигея меньше радиуса Земли R , включая атмосферу, поэтому эллипс пересекает Землю, и, следовательно, космический корабль не сможет завершить орбиту. Большая ось вертикальна, большая полуось a больше, чем R /2. Удельная орбитальная энергия определяется по формуле:
где - стандартный гравитационный параметр .
Почти всегда a < R , что соответствует значению a ниже минимума для полной орбиты, что равно
Таким образом, чистая дополнительная удельная энергия, необходимая по сравнению с простым подъемом космического корабля в космос, составляет от 0 до .
Чтобы минимизировать требуемую дельта-v ( астродинамическая мера, которая сильно определяет требуемое топливо ), высотная часть полета выполняется с выключенными ракетами (это технически называется свободным падением даже для восходящей части траектории). (Сравните с эффектом Оберта .) Максимальная скорость в полете достигается на самой низкой высоте этой траектории свободного падения, как в начале, так и в конце. [ требуется ссылка ]
Если цель — просто «достичь космоса», например, в борьбе за Ansari X Prize , горизонтальное движение не нужно. В этом случае минимально необходимая delta-v для достижения высоты 100 км составляет около 1,4 км/с . Более медленное движение с меньшим свободным падением потребует большего delta-v. [ необходима цитата ]
Сравните это с орбитальными космическими полетами: для низкой околоземной орбиты (НОО) высотой около 300 км требуется скорость около 7,7 км/с, требующая delta-v около 9,2 км/с. (Если бы не было атмосферного сопротивления, теоретический минимум delta-v составил бы 8,1 км/с, чтобы вывести корабль на орбиту высотой 300 км, стартуя из стационарной точки, такой как Южный полюс. Теоретический минимум может быть на 0,46 км/с меньше, если запуск осуществляется на восток из района вблизи экватора.) [ необходима цитата ]
Для суборбитальных космических полетов, покрывающих горизонтальное расстояние, максимальная скорость и требуемая delta-v находятся между вертикальным полетом и LEO. Максимальная скорость на нижних концах траектории теперь состоит из горизонтальной и вертикальной составляющей. Чем больше горизонтальное расстояние , тем больше будет горизонтальная скорость. (Вертикальная скорость будет увеличиваться с расстоянием на коротких расстояниях, но будет уменьшаться с расстоянием на больших расстояниях.) Для ракеты V-2 , только что достигшей космоса, но с дальностью около 330 км, максимальная скорость составляла 1,6 км/с. Scaled Composites SpaceShipTwo , который находится в стадии разработки, будет иметь похожую орбиту свободного падения, но заявленная максимальная скорость составляет 1,1 км/с (возможно, из-за отключения двигателя на большей высоте). [ требуется цитата ] [ требуется обновление ]
Для больших расстояний из-за эллиптической орбиты максимальная высота может быть намного больше, чем для LEO. На межконтинентальном полете на 10 000 км, например, на межконтинентальной баллистической ракете или возможном будущем коммерческом космическом полете , максимальная скорость составляет около 7 км/с, а максимальная высота может быть более 1300 км. Любой космический полет , который возвращается на поверхность, включая суборбитальные, будет подвергаться атмосферному возвращению . Скорость в начале возвращения в основном является максимальной скоростью полета. Вызванный аэродинамический нагрев будет соответственно меняться: он намного меньше для полета с максимальной скоростью всего 1 км/с, чем для полета с максимальной скоростью 7 или 8 км/с. [ необходима цитата ]
Минимальную дельта-v и соответствующую максимальную высоту для заданного диапазона можно рассчитать, d , предполагая, что Земля имеет сферическую форму окружности40 000 км и пренебрегая вращением Земли и атмосферой. Пусть θ будет половиной угла, под которым снаряд должен пройти вокруг Земли, то есть в градусах это 45°× d /10 000 км . Траектория с минимальной дельта-v соответствует эллипсу с одним фокусом в центре Земли, а другим в точке на полпути между точкой запуска и точкой назначения (где-то внутри Земли). (Это орбита, которая минимизирует большую полуось, которая равна сумме расстояний от точки на орбите до двух фокусов. Минимизация большой полуоси минимизирует удельную орбитальную энергию и, следовательно, дельта-v, которая является скоростью запуска.) Геометрические аргументы приводят к следующему (где R — радиус Земли, около 6370 км):
Высота апогея максимальна (около 1320 км) для траектории, проходящей через четверть окружности Земли (10 000 км ). Более длинные расстояния будут иметь более низкие апогеи в решении с минимальной дельта-v.
(где g — ускорение свободного падения на поверхности Земли). Δ v увеличивается с расстоянием, выравниваясь на уровне 7,9 км/с по мере приближения расстояния20 000 км (половина пути вокруг света). Траектория с минимальной дельтой v для прохождения половины пути вокруг света соответствует круговой орбите прямо над поверхностью (конечно, в реальности она должна быть выше атмосферы). Время полета см. ниже.
Межконтинентальная баллистическая ракета определяется как ракета, которая может поразить цель на расстоянии не менее 5500 км, и согласно приведенной выше формуле для этого требуется начальная скорость 6,1 км/с. Увеличение скорости до 7,9 км/с для достижения любой точки на Земле требует значительно большей ракеты, поскольку количество необходимого топлива увеличивается экспоненциально с delta-v (см. уравнение ракеты ).
Начальное направление траектории с минимальной дельтой v указывает на полпути между прямой вверх и прямой к точке назначения (которая находится ниже горизонта). Опять же, это так, если игнорировать вращение Земли. Это не совсем верно для вращающейся планеты, если только запуск не происходит на полюсе. [7]
В вертикальном полете на не слишком большой высоте время свободного падения как для восходящей, так и для нисходящей части равно максимальной скорости, деленной на ускорение силы тяжести , так что при максимальной скорости 1 км/с вместе 3 минуты и 20 секунд. Продолжительность фаз полета до и после свободного падения может варьироваться. [ необходима цитата ]
Для межконтинентального полета фаза разгона занимает от 3 до 5 минут, свободное падение (фаза на среднем участке траектории) около 25 минут. Для МБР фаза входа в атмосферу занимает около 2 минут; это будет дольше для любой мягкой посадки, например, для возможного будущего коммерческого полета. [ необходима цитата ] Испытательный полет 4 космического корабля SpaceX «Starship» выполнил такой полет с запуском из Техаса и имитацией мягкой посадки в Индийском океане через 66 минут после старта.
Суборбитальные полеты могут длиться от нескольких секунд до нескольких дней. Pioneer 1 был первым космическим зондом NASA , предназначенным для достижения Луны . Частичный отказ заставил его вместо этого следовать по суборбитальной траектории, войдя в атмосферу Земли через 43 часа после запуска. [8]
Чтобы рассчитать время полета для траектории с минимальной дельта-v, согласно третьему закону Кеплера , период для всей орбиты (если она не проходит через Землю) будет равен:
Используя второй закон Кеплера , умножаем это на часть площади эллипса, описываемую линией, проведенной от центра Земли до снаряда:
Это дает около 32 минут для прохождения четверти пути вокруг Земли и 42 минуты для прохождения половины пути. Для коротких расстояний это выражение асимптотически равно .
Из формы, включающей арккосинус, производная времени пролета по d (или θ) стремится к нулю, когда d приближается20 000 км (половина пути вокруг света). Производная Δ v здесь также стремится к нулю. Так что если d =19 000 км , длина траектории с минимальной дельта-v составит около19 500 км , но это займет всего на несколько секунд меньше времени, чем траектория для d =20 000 км (для которых траектория(протяженность 20 000 км ).
Хотя существует множество возможных профилей суборбитальных полетов, ожидается, что некоторые из них будут более распространены, чем другие.
Первыми суборбитальными аппаратами, достигшими космоса, были баллистические ракеты . Первой баллистической ракетой, достигшей космоса, была немецкая V-2 , работа ученых из Пенемюнде , 3 октября 1942 года, которая достигла высоты 53 мили (85 км). [9] Затем в конце 1940-х годов США и СССР одновременно разработали ракеты, все из которых были основаны на ракете V-2, а затем и на гораздо более дальнобойных межконтинентальных баллистических ракетах (МБР). Сейчас есть много стран, которые обладают МБР, и еще больше стран с более коротким радиусом действия баллистическими ракетами средней дальности (БРСД). [ необходима цитата ]
Суборбитальные туристические полеты изначально будут направлены на достижение высоты, необходимой для того, чтобы считаться достижением космоса. Траектория полета будет либо вертикальной, либо очень крутой, а космический корабль приземлится обратно на место взлета.
Космический корабль выключит двигатели задолго до достижения максимальной высоты, а затем поднимется до самой высокой точки. В течение нескольких минут, с момента выключения двигателей до момента, когда атмосфера начнет замедлять нисходящее ускорение, пассажиры будут испытывать невесомость .
Megaroc был запланирован для суборбитального космического полета Британским межпланетным обществом в 1940-х годах. [10] [11]
В конце 1945 года группа под руководством М. Тихонравова, К. и Н. Г. Чернышевой в советской академии НИИ-4 (занимавшейся наукой и техникой ракетной артиллерии) начала работу над проектом стратосферной ракеты ВР-190 , предназначенной для вертикального полета экипажа из двух пилотов на высоту 200 км (65 000 футов) с использованием трофейного Фау-2 . [12]
В 2004 году ряд компаний работали над транспортными средствами этого класса в качестве участников конкурса Ansari X Prize. 4 октября 2004 года Рик Сирфосс официально объявил, что Scaled Composites SpaceShipOne выиграл конкурс после выполнения двух полетов в течение двух недель.
В 2005 году сэр Ричард Брэнсон из Virgin Group объявил о создании Virgin Galactic и его планах по созданию 9-местного SpaceShipTwo под названием VSS Enterprise . С тех пор он был завершен с восемью местами (один пилот, один второй пилот и шесть пассажиров) и принял участие в испытаниях на переноску в неволе и с первым материнским кораблем WhiteKnightTwo , или VMS Eve . Он также совершил одиночные планирующие полеты с подвижными хвостовыми секциями как в фиксированной, так и в «оперенной» конфигурации. Гибридный ракетный двигатель был запущен несколько раз на наземных испытательных стендах и был запущен в управляемом полете во второй раз 5 сентября 2013 года. [13] Было заказано четыре дополнительных SpaceShipTwo, которые будут выполняться с нового космодрома Америка . Коммерческие рейсы с пассажирами ожидались в 2014 году, но были отменены из-за катастрофы во время полета SS2 PF04 . Брэнсон заявил: «[м]ы извлечем уроки из того, что пошло не так, выясним, как мы можем улучшить безопасность и производительность, а затем вместе продолжим движение вперед». [14]
Сегодня суборбитальные аппараты в основном используются в качестве научных зондирующих ракет . Научные суборбитальные полеты начались в 1920-х годах, когда Роберт Х. Годдард запустил первые жидкостные ракеты, однако они не достигли космической высоты. В конце 1940-х годов захваченные немецкие баллистические ракеты V-2 были переоборудованы в зондирующие ракеты V-2 , которые помогли заложить основу для современных зондирующих ракет. [15] Сегодня на рынке представлены десятки различных зондирующих ракет от различных поставщиков из разных стран. Обычно исследователи хотят проводить эксперименты в условиях микрогравитации или за пределами атмосферы.
Исследования, подобные тем, что проводились в рамках проекта X-20 Dyna-Soar, показывают, что полубаллистический суборбитальный полет может занять менее часа от Европы до Северной Америки.
Однако размер ракеты, относительно полезной нагрузки, необходимой для достижения этого, аналогичен МБР. МБР имеют дельта-v несколько меньше орбитальных; и поэтому будут несколько дешевле, чем затраты на достижение орбиты, но разница невелика. [16]
Из-за высокой стоимости космических полетов суборбитальные полеты, скорее всего, изначально будут ограничены доставкой дорогостоящих и очень срочных грузов, таких как курьерские рейсы, военные операции быстрого реагирования или космический туризм . [ мнение ]
SpaceLiner — это концепция гиперзвукового суборбитального космоплана , который может перевезти 50 пассажиров из Австралии в Европу за 90 минут или 100 пассажиров из Европы в Калифорнию за 60 минут. [17] Основная задача заключается в повышении надежности различных компонентов, в частности двигателей, чтобы сделать возможным их ежедневное использование для перевозки пассажиров.
SpaceX потенциально рассматривает возможность использования своего Starship в качестве суборбитальной системы транспортировки из пункта в пункт. [18]
Высота более 100 км (62,14 мили).
Частные компании, такие как Virgin Galactic , Armadillo Aerospace (переименованная в Exos Aerospace), Airbus , [21] Blue Origin и Masten Space Systems проявляют интерес к суборбитальным космическим полетам, отчасти благодаря таким предприятиям, как Ansari X Prize. NASA и другие экспериментируют с гиперзвуковыми самолетами на основе ГПВРД , которые вполне могут использоваться с профилями полета, которые квалифицируются как суборбитальные космические полеты. Некоммерческие организации, такие как ARCASPACE и Copenhagen Suborbitals, также пытаются осуществлять запуски с помощью ракет .