Суборбитальный космический полет

Космический полет, при котором космический корабль не выходит на орбиту

Приземление ступени разгонного блока New Shepard после завершения суборбитального полета.

Суборбитальный космический полет — космический полет , при котором космический корабль достигает космического пространства , но его траектория пересекает поверхность гравитирующего тела , с которого он был запущен. Следовательно, он не совершит ни одного орбитального оборота, не станет искусственным спутником и не достигнет космической скорости .

Например, траектория объекта, запущенного с Земли , который достигает линии Кармана (около 83 км [52 миль] – 100 км [62 мили] ^[2] над уровнем моря ), а затем падает обратно на Землю, считается субмариной. -орбитальный космический полет. Некоторые суборбитальные полеты были предприняты для испытания космических кораблей и ракет-носителей, позже предназначенных для орбитальных космических полетов . Другие аппараты специально предназначены только для суборбитальных полетов; примеры включают пилотируемые транспортные средства, такие как X-15 и SpaceShipTwo , и беспилотные, такие как межконтинентальные баллистические ракеты и зондирующие ракеты .

Полеты, которые достигают достаточной скорости для выхода на низкую околоземную орбиту , а затем сходят с орбиты до завершения своей первой полной орбиты, не считаются суборбитальными. Примеры этого включают комплексные летные испытания звездолета , как это было запланировано, и полеты системы дробной орбитальной бомбардировки .

Полет, не достигающий космоса, до сих пор иногда называют суборбитальным, но его нельзя официально классифицировать как «суборбитальный космический полет». Обычно используется ракета, но некоторые экспериментальные суборбитальные космические полеты были осуществлены и с использованием космических пушек . ^[3]

Требование к высоте

Пушечное ядро ​​Исаака Ньютона . Пути A и B представляют собой суборбитальную траекторию.

По определению, суборбитальный космический полет достигает высоты более 100 км (62 мили) над уровнем моря . Эта высота, известная как линия Кармана, была выбрана Международной авиационной федерацией , потому что это примерно точка, в которой транспортное средство, летящее достаточно быстро, чтобы поддерживать себя за счет аэродинамической подъемной силы земной атмосферы , будет лететь со скоростью, превышающей орбитальную скорость . ^[4] Военные США и НАСА награждают крыльями астронавтов тех, кто пролетает на высоте более 50 миль (80 км), ^[5] хотя Государственный департамент США не показывает четкой границы между полетом в атмосфере и космическим полетом . ^[6]

Орбита

Во время свободного падения траектория является частью эллиптической орбиты , заданной уравнением орбиты . Расстояние перигея меньше радиуса Земли R , включая атмосферу, следовательно, эллипс пересекает Землю, и, следовательно, космический корабль не сможет завершить оборот по орбите . Большая ось вертикальная, большая полуось а больше R /2. Удельная орбитальная энергия определяется выражением: ${\displaystyle \epsilon }$

$${\displaystyle \varepsilon =-{\mu \over {2a}}>-{\mu \over {R}}\,\!}$$

где – стандартный гравитационный параметр . ${\displaystyle \mu \,\!}$

Почти всегда a < R , что соответствует значению ниже минимума для полной орбиты, что соответствует ${\displaystyle \epsilon }$ ${\displaystyle -{\mu \over {2R}}\,\!}$

Таким образом, чистая дополнительная удельная энергия, необходимая по сравнению с простым подъемом космического корабля в космос, составляет от 0 до 0,000 . ${\displaystyle \mu \over {2R}\,\!}$

Скорость, дальность и высота

Чтобы минимизировать требуемую дельту-v ( астродинамическую меру, которая сильно определяет необходимое количество топлива ), высотная часть полета выполняется с выключенными ракетами (технически это называется свободным падением даже для восходящей части траектории). . (Сравните с эффектом Оберта .) Максимальная скорость в полете достигается на наименьшей высоте этой траектории свободного падения, как в начале, так и в конце ее.

Если цель состоит в том, чтобы просто «достичь космоса», например, в борьбе за премию Ansari X Prize , горизонтальное движение не требуется. В этом случае наименьшая необходимая дельта-v для достижения высоты 100 км составляет около 1,4  км/с . Двигаясь медленнее и с меньшим свободным падением, потребуется больше дельты v.

Сравните это с орбитальными космическими полетами: низкая околоземная орбита (НОО) с высотой около 300 км требует скорости около 7,7 км/с, а дельта-v около 9,2 км/с. (Если бы не было сопротивления атмосферы, теоретическая минимальная дельта-v составила бы 8,1 км/с, чтобы вывести корабль на орбиту высотой 300 километров, начиная с такой стационарной точки, как Южный полюс. Теоретический минимум может достигать 0,46 км/с. меньше, если запускать на восток от экватора.)

Для суборбитальных космических полетов на горизонтальное расстояние максимальная скорость и требуемая дельта-v находятся между значениями вертикального полета и полета на низкой околоземной орбите. Максимальная скорость на нижних концах траектории теперь состоит из горизонтальной и вертикальной составляющих. Чем больше пройденное горизонтальное расстояние , тем выше будет горизонтальная скорость. (Вертикальная скорость будет увеличиваться с расстоянием на коротких расстояниях, но будет уменьшаться с расстоянием на больших расстояниях.) Для ракеты Фау-2 , только что достигшей космоса, но с дальностью полета около 330 км, максимальная скорость составила 1,6 км/с. Разрабатываемый Scaled Composites SpaceShipTwo будет иметь аналогичную орбиту свободного падения, но заявленная максимальная скорость составит 1,1 км/с (возможно, из-за выключения двигателя на большей высоте).

Для больших дальностей из-за эллиптической орбиты максимальная высота может быть намного больше, чем для НОО. При межконтинентальном полете длиной 10 000 километров, таком как полет межконтинентальной баллистической ракеты или возможный будущий коммерческий космический полет , максимальная скорость составляет около 7 км/с, а максимальная высота может составлять более 1300 км. Любой космический полет , возвращающийся на поверхность, в том числе суборбитальный, будет проходить вход в атмосферу . Скорость в начале входа в атмосферу — это, по сути, максимальная скорость полета. Соответственно будет меняться и вызываемый аэродинамический нагрев : он гораздо меньше для полета с максимальной скоростью всего 1 км/с, чем для полета с максимальной скоростью 7 или 8 км/с.

Минимальная дельта-v и соответствующая максимальная высота для данного диапазона могут быть рассчитаны d , предполагая, что окружность Земли имеет сферическую форму.40 000  км и без учета вращения Земли и атмосферы. Пусть θ будет половиной угла, под которым снаряд должен облететь Землю, то есть в градусах это будет 45°× d /10 000  км . Траектория с минимальной дельтой-v соответствует эллипсу, один фокус которого находится в центре Земли, а другой — 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 орбиты до двух фокусов. Минимизация большой полуоси минимизирует удельную орбитальную энергию и, следовательно, дельта-v , что является скоростью запуска.) Геометрические аргументы приводят тогда к следующему (где R — радиус Земли, около 6370 км):

$${\displaystyle {\text{major axis}}=(1+\sin \theta )R}$$

$${\displaystyle {\text{minor axis}}=R{\sqrt {2\left(\sin \theta +\sin ^{2}\theta \right)}}={\sqrt {R\sin(\theta ){\text{semi-major axis}}}}}$$

$${\displaystyle {\text{distance of apogee from centre of Earth}}={\frac {R}{2}}(1+\sin \theta +\cos \theta )}$$

$${\displaystyle {\text{altitude of apogee above surface}}=\left({\frac {\sin \theta }{2}}-\sin ^{2}{\frac {\theta }{2}}\right)R=\left({\frac {1}{\sqrt {2}}}\sin \left(\theta +{\frac {\pi }{4}}\right)-{\frac {1}{2}}\right)R}$$

Высота апогея максимальна (около 1320 км) для траектории, проходящей четверть пути вокруг Земли (10 000  км ). Более длинные диапазоны будут иметь более низкие апогеи в решении с минимальной дельта-v.

$${\displaystyle {\text{specific kinetic energy at launch}}={\frac {\mu }{R}}-{\frac {\mu }{\text{major axis}}}={\frac {\mu }{R}}{\frac {\sin \theta }{1+\sin \theta }}}$$

$${\displaystyle \Delta v={\text{speed at launch}}={\sqrt {2{\frac {\mu }{R}}{\frac {\sin \theta }{1+\sin \theta }}}}={\sqrt {2gR{\frac {\sin \theta }{1+\sin \theta }}}}}$$

(где g — ускорение свободного падения на поверхности Земли). Δ v увеличивается с увеличением дальности и выравнивается на уровне 7,9 км/с по мере приближения к дальности.20 000  км (пол мира). Траектория с минимальной дельтой v для прохождения половины вокруг света соответствует круговой орбите чуть выше поверхности (конечно, в действительности она должна находиться над атмосферой). Время полета смотрите 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 Земли требует ракеты значительно большего размера, поскольку количество необходимого топлива возрастает экспоненциально с увеличением дельта-v (см. Уравнение ракеты ).

Начальное направление траектории с минимальной дельтой-v указывает на середину между прямым вверх и прямым направлением к точке назначения (которая находится ниже горизонта). Опять же, это тот случай, если игнорировать вращение Земли. Это не совсем верно для вращающейся планеты, если только запуск не происходит с полюса. ^[7]

Продолжительность полета

При вертикальном полете на не слишком большой высоте время свободного падения как для восходящей, так и для нисходящей части равно максимальной скорости, деленной на ускорение свободного падения , то есть при максимальной скорости 1 км/с вместе 3 минуты. и 20 секунд. Продолжительность фаз полета до и после свободного падения может варьироваться.

Для межконтинентального полета фаза разгона занимает от 3 до 5 минут, фаза свободного падения (фаза среднего курса) — около 25 минут. Для межконтинентальной баллистической ракеты фаза входа в атмосферу занимает около 2 минут; это будет дольше для любой мягкой посадки, например, для возможного будущего коммерческого рейса.

Суборбитальные полеты могут длиться от нескольких секунд до нескольких дней. «Пионер-1» был первым космическим зондом НАСА , предназначенным для достижения Луны . Частичный отказ заставил его вместо этого следовать по суборбитальной траектории и снова войти в атмосферу Земли через 43 часа после запуска.

Чтобы рассчитать время полета по траектории с минимальной дельтой v, согласно третьему закону Кеплера , период всей орбиты (если она не проходит через Землю) будет равен:

$${\displaystyle {\text{period}}=\left({\frac {\text{semi-major axis}}{R}}\right)^{\frac {3}{2}}\times {\text{period of low Earth orbit}}=\left({\frac {1+\sin \theta }{2}}\right)^{\frac {3}{2}}2\pi {\sqrt {\frac {R}{g}}}}$$

Используя второй закон Кеплера , мы умножаем это на часть площади эллипса, охваченную линией от центра Земли до снаряда:

$${\displaystyle {\text{area fraction}}={\frac {1}{\pi }}\arcsin {\sqrt {\frac {2\sin \theta }{1+\sin \theta }}}+{\frac {2\cos \theta \sin \theta }{\pi {\text{(major axis)(minor axis)}}}}}$$

$${\displaystyle {\begin{aligned}{\text{time of flight}}&=\left(\left({\frac {1+\sin \theta }{2}}\right)^{\frac {3}{2}}\arcsin {\sqrt {\frac {2\sin \theta }{1+\sin \theta }}}+{\frac {1}{2}}\cos \theta {\sqrt {\sin \theta }}\right)2{\sqrt {\frac {R}{g}}}\\&=\left(\left({\frac {1+\sin \theta }{2}}\right)^{\frac {3}{2}}\arccos {\frac {\cos \theta }{1+\sin \theta }}+{\frac {1}{2}}\cos \theta {\sqrt {\sin \theta }}\right)2{\sqrt {\frac {R}{g}}}\\\end{aligned}}}$$

Это дает около 32 минут на обход четверти пути вокруг Земли и 42 минуты на обход половины пути. На малых расстояниях это выражение асимптотично . ${\displaystyle {\sqrt {2d/g}}}$

Из формы, включающей арккосинус, производная времени полета по d (или θ) стремится к нулю по мере приближения d20 000  км (пол мира). Производная Δ v здесь также стремится к нулю. Итак, если д =19 000  км , длина траектории с минимальным дельта-v составит около19 500  км , но это займет всего на несколько секунд меньше времени, чем траектория для d =20 000  км (для которых траекторияПробег 20 000  км ).

Профили полетов

Профиль первого американского суборбитального полета с экипажем, 1961 год. Ракета-носитель поднимает космический корабль на первые 2:22 минуты. Пунктирная линия: невесомость.

Обложка журнала Science and Mechanics за ноябрь 1931 года, на которой изображен предполагаемый суборбитальный космический корабль, который сможет достичь высоты 700 миль (1100 км) за час полета из Берлина в Нью-Йорк.

Хотя существует очень много возможных профилей суборбитальных полетов, ожидается, что некоторые из них будут более распространены, чем другие.

Х-15 (1958–1968) был запущен на высоту 13,7 км базовым кораблем B-52 , поднялся примерно на 100 км, а затем спланировал на землю.

Баллистические ракеты

Первыми суборбитальными аппаратами, достигшими космоса, были баллистические ракеты . Самой первой баллистической ракетой, достигшей космоса, была немецкая Фау-2 , работа учёных из Пенемюнде , 3 октября 1942 года, которая достигла высоты 53 мили (85 км). ^[8] Затем, в конце 1940-х годов, США и СССР одновременно разработали ракеты, каждая из которых была основана на ракете Фау-2, а затем на межконтинентальных баллистических ракетах (МБР) гораздо большей дальности. В настоящее время многие страны обладают межконтинентальными баллистическими ракетами, и даже больше стран имеют баллистические ракеты средней дальности меньшей дальности (БРМД).

Туристические полеты

Субборбитальные туристические полеты первоначально будут сосредоточены на достижении высоты, необходимой для выхода в космос. Траектория полета будет либо вертикальной, либо очень крутой, при этом космический корабль вернется на место взлета.

Космический корабль выключит свои двигатели задолго до достижения максимальной высоты, а затем достигнет самой высокой точки. В течение нескольких минут, с момента выключения двигателей до момента, когда атмосфера начинает замедлять ускорение вниз, пассажиры будут испытывать невесомость .

Мегарок планировался для суборбитального космического полета Британским межпланетным обществом в 1940-х годах. ^{[9] [10]}

Осенью 1945 года группой М. Тихонравова К. и Н. Г. Чернышевой в НИИ-4 реактивной артиллерии Академии наук по собственной инициативе был разработан проект первой стратосферной ракеты ВР -190 для вертикального полета двух пилотов на высоту 200 км на базе трофейной немецкой баллистической ракеты Фау-2 . ^[11]

В 2004 году над автомобилями этого класса работал ряд компаний, участвовавших в конкурсе Ansari X Prize. Рик Сирфосс официально объявил, что Scaled Composites SpaceShipOne выиграл соревнование 4 октября 2004 года после выполнения двух полетов за двухнедельный период.

В 2005 году сэр Ричард Брэнсон из Virgin Group объявил о создании Virgin Galactic и о своих планах по созданию 9-местного корабля SpaceShipTwo под названием VSS Enterprise . С тех пор он был оснащен восемью сиденьями (один пилот, один второй пилот и шесть пассажиров) и принимал участие в испытаниях на переноску, а также с первым базовым кораблем WhiteKnightTwo или VMS Eve . Он также выполнил одиночное планирование с подвижными хвостовыми секциями как в фиксированной, так и в «оперенной» конфигурации. Гибридный ракетный двигатель неоднократно запускался на наземных испытательных стендах, а во второй раз он был запущен в полете с двигателем 5 сентября 2013 года. ^[12] Четыре дополнительных корабля SpaceShipTwo были заказаны и будут работать с нового космодрома Америка . Коммерческие рейсы с пассажирами ожидались в 2014 году, но были отменены из-за катастрофы во время рейса SS2 PF04 . Брэнсон заявил: «[мы] собираемся извлечь уроки из того, что пошло не так, выяснить, как мы можем улучшить безопасность и производительность, а затем вместе двигаться вперед». ^[13]

Научные эксперименты

Сегодня суборбитальные аппараты главным образом используются в качестве ракет для научного зондирования . Научные суборбитальные полеты начались в 1920-х годах, когда Роберт Х. Годдард запустил первые ракеты на жидком топливе , однако они не достигли космической высоты. В конце 1940-х годов трофейные немецкие баллистические ракеты Фау-2 были переоборудованы в ракеты-зонды Фау-2 , что помогло заложить основу для современных ракет-зондов. ^[14] Сегодня на рынке представлены десятки ракет с различным звучанием от самых разных поставщиков в разных странах. Обычно исследователи желают проводить эксперименты в условиях микрогравитации или над атмосферой.

Суборбитальный транспорт

Исследования, например, проведенные для проекта X-20 Dyna-Soar, показывают, что полубаллистический суборбитальный полет может долететь из Европы в Северную Америку менее чем за час.

Однако размер ракеты по отношению к необходимой для этого полезной нагрузке аналогичен межконтинентальной баллистической ракете. У межконтинентальных баллистических ракет дельта v несколько меньше орбитальной; и поэтому будет несколько дешевле, чем затраты на выход на орбиту, но разница невелика. ^[15]

Из-за высокой стоимости космических полетов суборбитальные полеты, вероятно, первоначально 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 космического самолета , который может перевезти 50 пассажиров из Австралии в Европу за 90 минут или 100 пассажиров из Европы в Калифорнию за 60 минут. ^[16] Основная задача заключается в повышении надежности различных компонентов, особенно двигателей, чтобы сделать возможным их ежедневное использование в пассажирских перевозках.

SpaceX потенциально рассматривает возможность использования своего Starship в качестве суборбитальной транспортной системы. ^[17]

Известные беспилотные суборбитальные космические полеты

• Первый суборбитальный космический полет состоялся 20 июня 1944 года, когда испытательная ракета Фау-2 MW 18014 стартовала из Пенемюнде в Германии и достигла высоты 176 километров. ^[18]
• Бампер 5 — двухступенчатая ракета, запущенная с полигона Уайт-Сэндс . 24 февраля 1949 года верхняя ступень достигла высоты 248 миль (399 км) и скорости 7553 футов в секунду (2302 м/с; 6,8 Маха). ^[19]
• Альберт II , самец макаки-резус , стал первым млекопитающим в космосе 14 июня 1949 года во время суборбитального полета с базы ВВС Холломан в Нью-Мексико на высоту 83 мили (134 км) на борту американской зондирующей ракеты Фау-2. .
• СССР — «Энергия» , 15 мая 1987 г., полезная нагрузка «Полюс» не вышла на орбиту; на сегодняшний день это был самый массивный объект, запущенный в суборбитальный космический полет.

Пилотируемые суборбитальные космические полеты

Высота более 100 км (62,14 миль).

Хронология суборбитальных полетов SpaceShipOne, SpaceShipTwo, CSXT и New Shepard. Если ракета-носитель и капсула достигли разной высоты, на графике отображается более высокая. В файле SVG наведите указатель мыши на точку, чтобы просмотреть детали.

Будущее пилотируемых суборбитальных космических полетов

Частные компании , такие как Virgin Galactic , Armadillo Aerospace (переизобретенная как Exos Aerospace), Airbus , ^[20] Blue Origin и Masten Space Systems , проявляют интерес к суборбитальным космическим полетам, отчасти благодаря таким предприятиям, как Ansari X Prize. НАСА и другие экспериментируют с гиперзвуковыми самолетами на базе ГПВРД , которые вполне могут использоваться с профилями полета, которые можно квалифицировать как суборбитальный космический полет. Некоммерческие организации, такие как ARCASPACE и Copenhagen Suborbitals, также пытаются запускать ракеты .

Смотрите также

• Портал космических полетов

• Канадская стрела
• КОРОНА
• ДХ-1 (ракета)
• Межорбитальные системы
• Земля гигантов
• Список площадок запуска ракет
• Лунный посадочный модуль
• Макдоннелл Дуглас DC-X
• Управление коммерческого космического транспорта
• Программа NASA Project Morpheus продолжит разработку посадочных модулей ALHAT и Q
• Четверной (ракета)
• Программа испытаний многоразовых транспортных средств JAXA
• Ракетный самолет XP
• Космодром
• Программа разработки многоразовой ракетной системы SpaceX
• Сверхзвуковой транспорт
• XCOR Рысь

Рекомендации

1. Фауст, Джефф (20 июля 2021 г.). «Blue Origin запускает Безоса в первый пилотируемый полет New Shepard» . Космические новости . Проверено 20 июля 2021 г.
2. https://scholar.smu.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=1126&context=jalc
3. "Мартлет". Архивировано из оригинала 26 сентября 2010 г.
4. «Граница высоты 100 км для космонавтики» . Международная авиационная федерация . Архивировано из оригинала 9 августа 2011 г. Проверено 14 сентября 2017 г.
5. Уилан, Мэри (5 июня 2013 г.). «Пионеры космоса X-15 теперь удостоены звания астронавтов». НАСА.gov . Архивировано из оригинала 11 июня 2017 года . Проверено 4 мая 2018 г.
6. «85. Заявление США, определение и делимитация космического пространства, а также характер и использование геостационарной орбиты, Юридический подкомитет Комитета Организации Объединенных Наций по использованию космического пространства в мирных целях на его 40-й сессии в Вене в апреле». государство.gov . Проверено 4 мая 2018 г.
7. Бланко, Филип (сентябрь 2020 г.). «Моделирование траекторий межконтинентальных баллистических ракет вокруг вращающегося земного шара с помощью системного инструментария». Учитель физики . 58 (7): 494–496. Бибкод : 2020PhTea..58..494B. дои : 10.1119/10.0002070. S2CID  225017449.
8. Немецкая ракета Фау-2, Кеннеди, Грегори П.
9. Холлингем, Ричард. «Как нацистская ракета могла отправить британца в космос». bbc.com . Архивировано из оригинала 14 ноября 2016 года . Проверено 4 мая 2018 г.
10. "Мегарок". www.bis-space.com . Архивировано из оригинала 30 октября 2016 года . Проверено 4 мая 2018 г.
11. Анатолий Киселев; Александр Медведев; Валерий Александрович Меньшиков (декабрь 2012 г.). Космонавтика: итоги и перспективы . Перевод В. Щербакова; Н. Новичков; А. Нечаев. Springer Science & Business Media. стр. 1–2. ISBN 9783709106488.
12. «Масштабированные композиты: проекты — журналы испытаний SpaceShipTwo» . Архивировано из оригинала 16 августа 2013 г. Проверено 14 августа 2013 г.
13. «Брэнсон о крушении Virgin Galactic: «Космос труден, но оно того стоит»» . CNET. Проверено 1 августа 2015 г.
14. "Ч2". History.nasa.gov . Архивировано из оригинала 29 ноября 2015 г. Проверено 28 ноября 2015 г.
15. «Космический обзор: суборбитальная транспортировка из пункта в пункт: на бумаге звучит хорошо, но…» . www.thespacereview.com . Архивировано из оригинала 1 августа 2017 года . Проверено 4 мая 2018 г.
16. Сиппель, М. (2010). «Перспективные альтернативы дорожной карте для SpaceLiner» (PDF) . Акта Астронавтика . 66 (11–12): 1652–1658. Бибкод : 2010AcAau..66.1652S. doi :10.1016/j.actaastro.2010.01.020.
17. Ральф, Эрик (30 мая 2019 г.). «Генеральный директор SpaceX Илон Маск хочет использовать звездолеты в качестве транспортных средств Земля-Земля». Тесларати . Проверено 31 мая 2019 г.
18. Вальтер Дорнбергер, Мовиг, Берлин, 1984. ISBN 3-8118-4341-9 . 
19. "Бамперный проект". Ракетный полигон Уайт-Сэндс. Архивировано из оригинала 10 января 2008 г.
20. Амос, Джонатан (3 июня 2014 г.). «Airbus сбрасывает модель космического самолета» . Новости BBC . Архивировано из оригинала 4 мая 2018 года . Проверено 4 мая 2018 г.