Космический полет (или космический полет ) — это применение астронавтики для управления объектами, обычно космическими аппаратами , в космическое пространство или через него , с людьми на борту или без них . Большинство космических полетов не имеют экипажа и проводятся в основном с помощью космических аппаратов, таких как спутники на орбите вокруг Земли , но также включают космические зонды для полетов за пределы околоземной орбиты. Такие космические полеты осуществляются либо с помощью телероботов , либо автономно . Первые космические полеты начались в 1950-х годах с запусков советских спутников «Спутник» и американских миссий Explorer и Vanguard . Программы пилотируемых космических полетов включают в себя «Союз» , «Шэньчжоу» , прошлую посадку «Аполлона» на Луну и программы «Спейс шаттл» . Другие текущие космические полеты проводятся на Международную космическую станцию и на китайскую космическую станцию «Тяньгун» .
Космические полеты включают запуски спутников наблюдения за Землей и телекоммуникационных спутников, межпланетные миссии , встречи и стыковки с космическими станциями , а также пилотируемые космические полеты с научными или туристическими миссиями.
Космический полет может быть осуществлен традиционным способом с помощью многоступенчатых ракет , которые обеспечивают тягу для преодоления силы тяжести и перемещения космического корабля по суборбитальным траекториям . Если миссия орбитальная , космический корабль обычно отделяет первую ступень и включает вторую ступень , которая разгоняет космический корабль до достаточно высоких скоростей, чтобы он достиг орбиты. Оказавшись на орбите, космические корабли развивают достаточно высокие скорости, чтобы падать вокруг Земли, а не обратно на поверхность.
Большинство космических аппаратов, и все пилотируемые космические аппараты, спроектированы так, чтобы самостоятельно сходить с орбиты или, в случае беспилотных космических аппаратов на высокоэнергетических орбитах, выходить на орбиты захоронения . Однако использованные верхние ступени или вышедшие из строя космические аппараты часто не имеют возможности самостоятельно сходить с орбиты. Это становится серьезной проблемой, когда на часто используемых орбитах находится большое количество неуправляемых космических аппаратов, что увеличивает риск столкновения мусора с функциональными спутниками. Эта проблема усугубляется, когда крупные объекты, часто верхние ступени, распадаются на орбите или сталкиваются с другими объектами, создавая часто сотни мелких, трудно обнаруживаемых фрагментов мусора. Эта проблема непрерывных столкновений известна как синдром Кесслера .
Существует несколько терминов, обозначающих полет в космическое пространство или через него .
Космическая миссия относится к космическому полету, направленному на достижение цели. Цели космических миссий могут включать в себя исследование космоса , космические исследования и национальные новинки в области космических полетов.
Космический транспорт — это использование космических аппаратов для транспортировки людей или грузов в космическое пространство или через него. Это может включать в себя пилотируемые космические полеты и грузовые полеты космических аппаратов.
Первое теоретическое предложение о космических путешествиях с использованием ракет было опубликовано шотландским астрономом и математиком Уильямом Лейтчем в эссе 1861 года «Путешествие через космос». [1] Более известна работа Константина Циолковского «Исследование мирового пространства реактивными приборами » ( The Exploration of Cosmic Space by Means of Reaction Devices ), опубликованная в 1903 году. В своей работе Циолковский описывает фундаментальное уравнение ракеты:
Где:
Это уравнение, известное как уравнение Циолковского для ракеты , можно использовать для нахождения общего или потенциального изменения скорости. Эта формула, которая до сих пор используется инженерами, является ключевой концепцией космических полетов.
Космический полет стал практической возможностью с работой Роберта Х. Годдарда , опубликовавшего в 1919 году свою статью «Метод достижения экстремальных высот» . Его применение сопла Лаваля к жидкотопливным ракетам достаточно повысило эффективность, чтобы межпланетные путешествия стали возможными. После дальнейших исследований Годдард попытался получить контракт с армией на ракетное оружие в Первой мировой войне , но его планы были сорваны перемирием с Германией 11 ноября 1918 года . Выбрав работу с частной финансовой поддержкой, он первым запустил жидкотопливную ракету 16 марта 1926 года.
Во время Второй мировой войны первая управляемая ракета, V-2 , была разработана и использована в качестве оружия нацистской Германией . Во время испытательного полета в июне 1944 года одна из таких ракет достигла космоса на высоте 189 километров (102 морских мили), став первым созданным человеком объектом, достигшим космоса. [2] В конце Второй мировой войны большая часть команды ракеты V-2, включая ее руководителя Вернера фон Брауна , сдалась Соединенным Штатам и была выслана на работу над американскими ракетами в то, что стало Армейским агентством по баллистическим ракетам , производя такие ракеты, как Juno I и Atlas . Советский Союз , в свою очередь, захватил несколько производственных предприятий V2 и построил несколько копий, причем 5 из их 11 ракет успешно достигли своих целей. (Это относительно соответствовало уровню успеха нацистской Германии.)
Советский Союз разработал межконтинентальные баллистические ракеты для доставки ядерного оружия в качестве контрмеры против бомбардировщиков США в 1950-х годах. Находившийся под влиянием Циолковского Сергей Королев стал главным конструктором ракет, а производные от его ракет Р-7 «Семерка» были использованы для запуска первого в мире искусственного спутника Земли , Спутника-1 , 4 октября 1957 года.
США, после запуска Спутника и двух позорных неудач ракет Vanguard , запустили Explorer 1 1 февраля 1958 года. Три года спустя СССР запустил Восток 1, выведя на орбиту космонавта Юрия Гагарина . США ответили суборбитальным запуском Алана Шепарда 5 мая 1961 года и орбитальным запуском Джона Гленна 20 февраля 1962 года. За этими событиями последовало обещание президента США Джона Ф. Кеннеди отправиться на Луну и создание программ Gemini и Apollo . После успешного выполнения сближения и стыковки и выхода в открытый космос программа Gemini завершилась как раз перед трагедией Apollo 1. После нескольких беспилотных испытательных полетов Saturn 1B и Saturn V , США запустили пилотируемую миссию Apollo 7 на низкую околоземную орбиту . Вскоре после его успешного завершения США запустили Apollo 8 (первую миссию на орбиту Луны), Apollo 9 (первую миссию Apollo, запущенную как с CSM , так и с LEM ) и Apollo 10 (первую миссию, почти приземлившуюся на Луне). Эти события достигли кульминации с первой пилотируемой высадкой на Луну, Apollo 11 , и шестью последующими миссиями, пять из которых успешно приземлились на Луне.
Космические полеты широко использовались многочисленными государственными и коммерческими организациями для вывода спутников на орбиту вокруг Земли для самых разных целей. Некоторые государственные учреждения также отправляли беспилотные космические аппараты для исследования космоса за пределами Луны и разработали непрерывное присутствие людей в космосе с помощью ряда космических станций , начиная от программы «Салют» и заканчивая Международной космической станцией .
Ракеты являются единственным средством, способным в настоящее время достичь орбиты или за ее пределы. Другие неракетные технологии запуска космических аппаратов еще не созданы или не достигают орбитальных скоростей. Запуск ракеты для космического полета обычно начинается с космодрома , который может быть оборудован стартовыми комплексами и стартовыми площадками для вертикального запуска ракет, а также взлетно-посадочными полосами для взлета и посадки самолетов-носителей и крылатых космических аппаратов. Космодромы располагаются вдали от человеческого жилья из-за шума и соображений безопасности. МБР имеют различные специальные стартовые сооружения.
Запуск часто ограничивается определенными окнами запуска . Эти окна зависят от положения небесных тел и орбит относительно места запуска. Наибольшее влияние часто оказывает вращение Земли. После запуска орбиты обычно располагаются в относительно постоянных плоских плоскостях под фиксированным углом к оси Земли, и Земля вращается внутри этой орбиты.
Стартовая площадка — это стационарная конструкция, предназначенная для запуска летательных аппаратов. Обычно она состоит из стартовой башни и огневой траншеи. Она окружена оборудованием, используемым для установки, заправки и обслуживания ракет-носителей. Перед запуском ракета может весить сотни тонн. Космический челнок Columbia на STS-1 весил 2030 метрических тонн (4 480 000 фунтов) при взлете.
Наиболее часто используемое определение космического пространства — это все, что находится за линией Кармана , которая находится на высоте 100 километров (62 мили) над поверхностью Земли. (Соединенные Штаты определяют космическое пространство как все, что находится за пределами 50 миль (80 км) по высоте.)
Ракетные двигатели остаются единственным в настоящее время практичным средством достижения космоса, поскольку самолеты и высотные воздушные шары терпят неудачу из-за отсутствия атмосферы, а альтернативы, такие как космические лифты, еще не построены. Химическое движение, или ускорение газов на высоких скоростях, эффективно в основном из-за его способности поддерживать тягу даже при истончении атмосферы.
Было предложено много способов достичь космоса, помимо ракетных двигателей. Такие идеи, как космический лифт и тросы с обменом импульсом, такие как ротоваторы или скайхуки, требуют новых материалов, намного прочнее любых известных в настоящее время. Электромагнитные пусковые установки, такие как пусковые петли , могут быть осуществимы с использованием современных технологий. Другие идеи включают в себя самолеты/космопланы с ракетным двигателем, такие как реактивные двигатели Skylon (в настоящее время на ранней стадии разработки), космические самолеты с прямоточными воздушно-реактивными двигателями и космические самолеты с RBCC- двигателями. Для грузовых самолетов был предложен запуск из пушки.
В некоторых миссиях за пределами LEO (низкая околоземная орбита) космические аппараты выводятся на парковочные орбиты или более низкие промежуточные орбиты. Подход парковочной орбиты значительно упростил планирование миссии Apollo несколькими важными способами. Он действовал как «временной буфер» и существенно расширил допустимые окна запуска . Парковочная орбита давала экипажу и диспетчерам время для тщательной проверки космического аппарата после стрессов запуска, прежде чем отправлять его в долгое путешествие на Луну. [3]
Роботизированные миссии не требуют возможности прерывания и требуют минимизации радиации только для чувствительной электроники, и поскольку современные пусковые установки обычно соответствуют «мгновенным» окнам запуска, космические зонды на Луну и другие планеты обычно используют прямой впрыск, чтобы максимизировать производительность за счет ограничения выкипания криогенного топлива . Хотя некоторые могут ненадолго двигаться по инерции во время последовательности запуска, они не завершают одну или несколько полных парковочных орбит до включения, которое выводит их на траекторию выхода с Земли.
Скорость выхода из небесного тела уменьшается по мере увеличения расстояния от него. Однако для корабля более эффективно сжигать топливо как можно ближе к перицентру (самой низкой точке); см. эффект Оберта . [5]
Астродинамика — это изучение траекторий космических аппаратов, особенно в том, что касается гравитационных и тяговых эффектов. Астродинамика позволяет космическому аппарату прибывать в пункт назначения в нужное время без чрезмерного использования топлива. Для поддержания или изменения орбит может потребоваться система орбитального маневрирования .
Неракетные методы орбитального движения включают солнечные паруса , магнитные паруса , плазменно-пузырьковые магнитные системы и использование эффектов гравитационной рогатки .
Термин «передача энергии» означает общее количество энергии , передаваемой ступенью ракеты ее полезной нагрузке. Это может быть энергия, передаваемая первой ступенью ракеты- носителя верхней ступени плюс полезная нагрузка, или верхней ступенью или пусковым двигателем космического корабля космическому кораблю . [6] [7]
Чтобы достичь космической станции , космическому кораблю пришлось бы прибыть на ту же орбиту и приблизиться на очень близкое расстояние (например, в пределах визуального контакта). Это делается с помощью набора орбитальных маневров, называемых космическим рандеву .
После встречи с космической станцией космический аппарат стыкуется или причаливает к станции. Стыковка относится к соединению двух отдельных свободно летящих космических аппаратов, [8] [9] [10] [11] в то время как причаливание относится к операциям стыковки, когда неактивный аппарат помещается в стыковочный интерфейс другого космического аппарата с помощью роботизированной руки . [8] [10] [11]
Аппараты на орбите обладают большим количеством кинетической энергии. Эта энергия должна быть сброшена, если аппарат должен безопасно приземлиться, не испарившись в атмосфере. Обычно этот процесс требует специальных методов защиты от аэродинамического нагрева . Теория, лежащая в основе входа в атмосферу, была разработана Гарри Джулианом Алленом . Основываясь на этой теории, аппараты, возвращаемые в атмосферу, представляют собой тупые формы для входа в атмосферу. Тупые формы означают, что менее 1% кинетической энергии в конечном итоге превращается в тепло, достигающее аппарата, а остальная часть нагревает атмосферу.
Капсулы « Меркурий» , «Джемини» и «Аполлон» приводнились в море. Эти капсулы были разработаны для приземления на относительно низкой скорости с помощью парашюта. Советские/российские капсулы для «Союза» используют большой парашют и тормозные ракеты для приземления на землю. Космические самолеты, такие как «Спейс Шаттл», приземляются как планер .
После успешной посадки космический корабль, его пассажиры и груз могут быть извлечены. В некоторых случаях извлечение происходило до посадки: пока космический корабль все еще спускался на своем парашюте, его мог зацепить специально разработанный самолет. Этот метод извлечения в воздухе использовался для извлечения кассет с пленкой со спутников-шпионов Corona .
Беспилотный космический корабль или роботизированный космический корабль — это космический корабль без людей на борту. Беспилотный космический корабль может иметь различные уровни автономности от человеческого ввода, такие как дистанционное управление или дистанционное наведение. Они также могут быть автономными , в которых у них есть заранее запрограммированный список операций, которые будут выполнены, если не указано иное. Роботизированный космический корабль для научных измерений часто называют космическим зондом или космической обсерваторией .
Многие космические миссии больше подходят для телероботизированной , а не пилотируемой эксплуатации из-за более низкой стоимости и факторов риска. Кроме того, некоторые планетарные направления, такие как Венера или окрестности Юпитера, слишком враждебны для выживания человека, учитывая современные технологии. Внешние планеты, такие как Сатурн , Уран и Нептун, слишком далеки для достижения с помощью современных технологий пилотируемых космических полетов, поэтому телеробототехнические зонды являются единственным способом их исследования. Телеробототехника также позволяет исследовать регионы, уязвимые для заражения земными микроорганизмами, поскольку космические корабли можно стерилизовать. Людей нельзя стерилизовать так же, как космический корабль, поскольку они сосуществуют с многочисленными микроорганизмами, и эти микроорганизмы также трудно удержать в космическом корабле или скафандре.
Первой беспилотной космической миссией был «Спутник» , запущенный 4 октября 1957 года на орбиту Земли. Почти все спутники , посадочные модули и марсоходы являются роботизированными космическими аппаратами. Не каждый беспилотный космический аппарат является роботизированным космическим аппаратом; например, рефлекторный шар является нероботизированным беспилотным космическим аппаратом. Космические миссии, в которых на борту находятся другие животные , но нет людей, называются беспилотными миссиями.
Многие обитаемые космические корабли также имеют различные уровни роботизированных функций. Например, космические станции Салют-7 и Мир , а также модуль Международной космической станции Заря , были способны к дистанционному управлению удержанием на станции и стыковочным маневрам как с кораблями снабжения, так и с новыми модулями. Беспилотные космические корабли снабжения все чаще используются для пилотируемых космических станций .
Первый полет человека в космос состоялся на корабле «Восток-1» 12 апреля 1961 года, на котором космонавт СССР Юрий Гагарин совершил один виток вокруг Земли. В официальных советских документах нет упоминаний о том, что Гагарин прыгнул с парашютом на последних семи милях. [12] По состоянию на 2020 год единственными космическими кораблями, регулярно используемыми для полетов человека в космос, являются «Союз» , «Шэньчжоу» и «Crew Dragon» . Флот космических челноков США действовал с апреля 1981 года по июль 2011 года. SpaceShipOne совершил три суборбитальных космических полета человека.
В суборбитальном космическом полете космический аппарат достигает космоса, а затем возвращается в атмосферу, следуя (в основном) по баллистической траектории. Обычно это происходит из-за недостаточной удельной орбитальной энергии , в этом случае суборбитальный полет продлится всего несколько минут, но также возможно, что объект с достаточной для орбиты энергией будет иметь траекторию, пересекающую атмосферу Земли, иногда через много часов. Pioneer 1 был первым космическим зондом NASA, предназначенным для достижения Луны. Частичный отказ заставил его вместо этого следовать по суборбитальной траектории на высоту 113 854 километра (70 746 миль), прежде чем снова войти в атмосферу Земли через 43 часа после запуска.
Наиболее общепризнанной границей космоса является линия Кармана на высоте 100 км (62 мили) над уровнем моря. (NASA также определяет астронавта как человека, который пролетел более 80 км (50 миль) над уровнем моря.) Общественность не осознает, что увеличение потенциальной энергии, необходимое для пересечения линии Кармана, составляет всего около 3% от орбитальной энергии (потенциал плюс кинетическая энергия), требуемой для минимально возможной околоземной орбиты (круговая орбита чуть выше линии Кармана.) Другими словами, достичь космоса гораздо проще, чем там оставаться. 17 мая 2004 года команда Civilian Space eXploration Team запустила ракету GoFast в суборбитальный полет, первый любительский космический полет. 21 июня 2004 года SpaceShipOne был использован для первого частного финансируемого пилотируемого космического полета .
Транспортировка «точка-точка» или «Земля-Земля» — это категория суборбитальных космических полетов , в которых космический корабль обеспечивает быструю транспортировку между двумя наземными точками. [13] Обычный маршрут авиалиний между Лондоном и Сиднеем , полет, который обычно длится более двадцати часов , можно было бы преодолеть менее чем за один час. [14] Хотя сегодня ни одна компания не предлагает такой тип транспорта, SpaceX раскрыла планы сделать это уже в 2020-х годах с помощью Starship . Суборбитальный космический полет на межконтинентальное расстояние требует скорости транспортного средства, которая лишь немного ниже скорости, необходимой для достижения низкой околоземной орбиты. [15] Если используются ракеты, размер ракеты относительно полезной нагрузки аналогичен межконтинентальной баллистической ракете (МБР). Любой межконтинентальный космический полет должен преодолевать проблемы нагрева во время входа в атмосферу, которые почти столь же велики, как и проблемы, с которыми сталкивается орбитальный космический полет.
Минимальный орбитальный космический полет требует гораздо более высоких скоростей, чем минимальный суборбитальный полет, и поэтому технологически его гораздо сложнее достичь. Для достижения орбитального космического полета тангенциальная скорость вокруг Земли так же важна, как и высота. Для того чтобы выполнить стабильный и продолжительный полет в космосе, космический корабль должен достичь минимальной орбитальной скорости, необходимой для замкнутой орбиты .
Межпланетный космический полет — это полет между планетами в пределах одной планетной системы . На практике использование этого термина ограничивается путешествиями между планетами нашей Солнечной системы . Планы будущих миссий пилотируемых межпланетных космических полетов часто включают окончательную сборку корабля на орбите Земли, например, программа NASA Constellation и российский тандем Kliper / Parom .
New Horizons — пятый космический аппарат, вышедший на траекторию выхода из Солнечной системы . Voyager 1 , Voyager 2 , Pioneer 10 , Pioneer 11 были более ранними. Самым дальним от Солнца является Voyager 1 , который находится на расстоянии более 100 а. е. и движется со скоростью 3,6 а. е. в год. [16] Для сравнения, Проксима Центавра , ближайшая к нам звезда, кроме Солнца, находится на расстоянии 267 000 а. е. Вояджеру 1 потребуетсяболее 74 000 лет, чтобы достичь этого расстояния. Конструкции аппаратов, использующие другие методы, такие как ядерный импульсный двигатель , вероятно, смогут достичь ближайшей звезды значительно быстрее. Другая возможность, которая могла бы позволить человеку совершить межзвездный космический полет, заключается в использовании замедления времени , поскольку это позволило бы пассажирам в быстро движущемся транспортном средстве путешествовать дальше в будущее, при этом практически не старея, поскольку их большая скорость замедляет течение времени на борту. Однако достижение таких высоких скоростей все равно потребовало бы использования какого-то нового, передового метода движения . Также было предложено динамическое парение как способ перемещения через межзвездное пространство. [17] [18]
Межгалактические путешествия включают в себя космические полеты между галактиками и считаются гораздо более технологически сложными, чем даже межзвездные путешествия, и, по современным инженерным терминам, считаются научной фантастикой . Однако, теоретически говоря, нет ничего, что окончательно указывало бы на то, что межгалактические путешествия невозможны. На сегодняшний день несколько ученых серьезно изучали межгалактические путешествия. [19] [20] [21]
Космические корабли — это транспортные средства, предназначенные для работы в космосе.
Иногда говорят, что первым «настоящим космическим кораблем» был лунный модуль «Аполлон» [22], поскольку это был единственный пилотируемый корабль, разработанный и эксплуатируемый только в космосе; он примечателен своей неаэродинамической формой.
Сегодня в космических аппаратах для движения в основном используются ракеты , но все более распространенными становятся и другие методы движения, такие как ионные двигатели , особенно для беспилотных аппаратов. Это может значительно снизить массу аппарата и увеличить его дельта-v .
Системы запуска используются для доставки полезной нагрузки с поверхности Земли в космическое пространство.
В большинстве современных космических полетов для достижения космоса используются многоступенчатые одноразовые системы запуска.
Первый многоразовый космический корабль, X-15 , был запущен с воздуха по суборбитальной траектории 19 июля 1963 года. Первый частично многоразовый орбитальный космический корабль, Space Shuttle , был запущен США в 20-ю годовщину полета Юрия Гагарина , 12 апреля 1981 года. В эпоху Shuttle было построено шесть орбитальных аппаратов, все из которых летали в атмосфере, а пять из них летали в космосе. Enterprise использовался только для испытаний на сближение и посадку, запускаясь с задней части Boeing 747 и совершая планирующие посадки на авиабазе Эдвардс в Калифорнии . Первым космическим челноком, полетевшим в космос, был Columbia , за которым последовали Challenger , Discovery , Atlantis и Endeavour . Endeavour был построен для замены Challenger , который был потерян в январе 1986 года. Columbia разрушился при входе в атмосферу в феврале 2003 года.
Первым автоматическим частично многоразовым космическим аппаратом был « Буран» ( Метель ), запущенный СССР 15 ноября 1988 года, хотя он совершил только один полет. Этот космический самолет был спроектирован для экипажа и сильно напоминал американский «Спейс Шаттл», хотя его сбрасываемые ускорители использовали жидкое топливо, а его главные двигатели располагались в основании того, что должно было стать внешним баком в американском «Шаттле». Недостаток финансирования, осложненный распадом СССР, помешал дальнейшим полетам «Бурана».
Space Shuttle был снят с эксплуатации в 2011 году, в основном из-за своего возраста. Роль шаттла в качестве транспортного средства для людей должна быть заменена SpaceX Dragon 2 и CST-100 в 2020-х годах. Роль шаттла в качестве транспортного средства для тяжелых грузов теперь выполняют коммерческие ракеты-носители.
Scaled Composites SpaceShipOne был многоразовым суборбитальным космическим самолетом , который перевозил пилотов Майка Мелвилла и Брайана Бинни в последовательных полетах в 2004 году, чтобы выиграть Ansari X Prize . Spaceship Company построила его преемника SpaceShipTwo . Флот SpaceShipTwo, управляемый Virgin Galactic, планировал начать многоразовые частные космические полеты с платными пассажирами ( космическими туристами ) в 2008 году, но это было отложено из-за аварии при разработке двигателя. [23]
SpaceX осуществила первую вертикальную мягкую посадку многоразовой орбитальной ракетной ступени 21 декабря 2015 года, после доставки 11 коммерческих спутников Orbcomm OG-2 на низкую околоземную орбиту . [24]
Первый второй полет Falcon 9 состоялся 30 марта 2017 года. [25] SpaceX теперь регулярно восстанавливает и повторно использует свои первые ступени, намереваясь также повторно использовать обтекатели . [26] SpaceX сейчас разрабатывает полностью многоразовую сверхтяжелую ракету-носитель, известную как Starship , которая, как надеются, значительно снизит стоимость исследования космоса за счет ее полной многоразовости.
Все ракеты-носители содержат огромное количество энергии, которая необходима для того, чтобы какая-то их часть достигла орбиты. Поэтому существует некоторый риск того, что эта энергия может быть высвобождена преждевременно и внезапно, со значительными последствиями. Когда ракета Delta II взорвалась через 13 секунд после запуска 17 января 1997 года, были сообщения о том, что витрины магазинов в 10 милях (16 км) от нее были разбиты взрывом. [27]
Космос — довольно предсказуемая среда, однако все еще существуют риски случайной разгерметизации и потенциального отказа оборудования, часть которого может быть совсем новой разработкой.
В апреле 2004 года в Нидерландах была создана Международная ассоциация по повышению безопасности космоса для дальнейшего международного сотрудничества и научного прогресса в области безопасности космических систем. [28]
В условиях микрогравитации, например, в условиях космического корабля на орбите вокруг Земли, люди испытывают чувство «невесомости». Кратковременное воздействие микрогравитации вызывает синдром космической адаптации — самокупирующую тошноту, вызванную расстройством вестибулярной системы . Длительное воздействие вызывает множество проблем со здоровьем. Наиболее существенным является потеря костной массы, часть которой является постоянной, но микрогравитация также приводит к значительному ухудшению состояния мышечной и сердечно-сосудистой тканей.
Выйдя за пределы атмосферы, радиация из-за поясов Ван Аллена , солнечной радиации и проблем с космической радиацией возникают и увеличиваются. Дальше от Земли солнечные вспышки могут дать смертельную дозу радиации за считанные минуты, а угроза здоровью от космической радиации значительно увеличивает вероятность рака при воздействии в течение десятилетия или более. [29]
В пилотируемых космических полетах система жизнеобеспечения представляет собой группу устройств, которые позволяют человеку выживать в открытом космосе. NASA часто использует фразу Environmental Control and Life Support System или аббревиатуру ECLSS при описании этих систем для своих пилотируемых космических миссий. [30] Система жизнеобеспечения может поставлять: воздух , воду и пищу . Она также должна поддерживать правильную температуру тела, приемлемое давление на тело и справляться с продуктами жизнедеятельности организма. Также может быть необходима защита от вредных внешних воздействий, таких как радиация и микрометеориты. Компоненты системы жизнеобеспечения являются жизненно важными и проектируются и изготавливаются с использованием методов инженерной безопасности .
Космическая погода — это концепция изменения условий окружающей среды в открытом космосе . Она отличается от концепции погоды в планетарной атмосфере и касается явлений, связанных с окружающей плазмой , магнитными полями, радиацией и другими веществами в космосе (обычно близко к Земле, но также в межпланетной и иногда межзвездной среде ). «Космическая погода описывает условия в космосе, которые влияют на Землю и ее технологические системы. Наша космическая погода является следствием поведения Солнца, природы магнитного поля Земли и нашего местоположения в Солнечной системе». [31]
Космическая погода оказывает глубокое влияние на несколько областей, связанных с исследованием и развитием космоса. Изменение геомагнитных условий может вызвать изменения в плотности атмосферы, что приведет к быстрому снижению высоты полета космических аппаратов на низкой околоземной орбите . Геомагнитные бури из-за повышенной солнечной активности могут потенциально ослепить датчики на борту космических аппаратов или помешать работе бортовой электроники. Понимание условий космической среды также важно при проектировании систем экранирования и жизнеобеспечения для пилотируемых космических аппаратов.
Загрязнение выхлопными газами ракет зависит от выхлопов, производимых реакциями топлива, и места выхлопа. В основном они выбрасывают парниковые газы и иногда токсичные компоненты. Особенно на более высоких уровнях атмосферы эффективность выхлопных газов как парниковых газов значительно возрастает. [32] Многие твердотопливные ракеты содержат хлор в форме перхлората или других химикатов, и это может вызывать временные локальные дыры в озоновом слое. Возвращающиеся космические аппараты генерируют нитраты, которые также могут временно воздействовать на озоновый слой. Большинство ракет сделаны из металлов, которые могут оказывать воздействие на окружающую среду во время их строительства. Хотя космические полеты в целом загрязняют окружающую среду в меньшей степени, чем другие виды человеческой деятельности, они все равно сильно загрязняют, если рассчитывать на одного пассажира. [32]
Помимо атмосферных эффектов, есть эффекты на околоземное космическое пространство. Существует вероятность того, что орбита может стать недоступной для поколений из-за экспоненциально растущего космического мусора, вызванного раскалыванием спутников и аппаратов ( синдром Кесслера ). Поэтому многие запущенные сегодня аппараты спроектированы так, чтобы их можно было вернуть обратно после использования.
Широкий круг вопросов, таких как управление космическим движением или ответственность, является предметом регулирования космических полетов.
Участие и представительство всего человечества в космических полетах является вопросом международного космического права с самого начала освоения космоса. [33] Несмотря на то, что некоторые права стран, не осуществляющих космические полеты, были обеспечены, совместное использование космоса для всего человечества по-прежнему критикуется как империалистическое и не понимающее космические полеты как ресурс. [33]
Включение было национальной и международной проблемой, что привело к Договору о космосе 1967 года и его заявлению о том, что космос является « достоянием всего человечества ». Кроме того, требовалось социальное включение в пилотируемые космические полеты, при этом женщины были ограничены в полетах в космос , а меньшинства, такие как люди с ограниченными возможностями, были отобраны только в группу астронавтов Европейского космического агентства 2022 года .
Доминирующей проблемой доступа в последние годы была проблема космического мусора и устойчивости космоса , поскольку страны, давно осуществляющие космические программы, подвергают опасности доступ к космическому пространству своей деятельностью по загрязнению орбитального пространства. [34]
Текущие и предлагаемые приложения для космических полетов включают в себя:
Большинство ранних разработок космических полетов оплачивалось правительствами. Однако сегодня основные рынки запусков, такие как спутники связи и спутниковое телевидение, являются чисто коммерческими, хотя многие из запусков изначально финансировались правительствами.
Частные космические полеты — это быстро развивающаяся область: космические полеты, которые не только оплачиваются корпорациями или даже частными лицами, но часто предоставляются частными космическими компаниями . Эти компании часто утверждают, что большая часть предыдущей высокой стоимости доступа в космос была вызвана неэффективностью правительства, которую они могут избежать. Это утверждение может быть подкреплено гораздо более низкими опубликованными затратами на запуск частных космических ракет-носителей, таких как Falcon 9, разработанных с частным финансированием. Более низкие затраты на запуск и превосходная безопасность потребуются для таких приложений, как космический туризм и особенно колонизация космоса, чтобы стать осуществимыми для расширения.
Быть космическим кораблем — значит быть способным и активно участвовать в эксплуатации космического корабля . Это подразумевает знание различных тем и развитие специализированных навыков, включая: аэронавтику ; астронавтику ; программы подготовки астронавтов ; космическую погоду и прогнозирование; эксплуатацию космических кораблей; эксплуатацию различного оборудования; проектирование и строительство космических кораблей; взлет в атмосфере и возвращение; орбитальную механику (она же астродинамика); связь; двигатели и ракеты; выполнение таких операций, как буксировка, строительство в условиях микрогравитации и космическая стыковка ; оборудование для обработки грузов, опасные грузы и хранение грузов; выход в открытый космос ; действия в чрезвычайных ситуациях; выживание в космосе и оказание первой помощи; пожаротушение; жизнеобеспечение . Степень необходимых знаний в этих областях зависит от характера работы и типа используемого судна. «Космическое путешествие» аналогично мореплаванию .
Никогда не было пилотируемой миссии за пределами системы Земля – Луна . Однако, США, Россия, Китай, страны Европейского космического агентства (ЕКА) и несколько корпораций и предприятий имеют планы на разных стадиях путешествия на Марс (см. Human mission to Mars ).
Космическими организациями могут быть суверенные государства , наднациональные организации и частные корпорации . Космические страны — это те, которые способны самостоятельно строить и запускать корабли в космос. [35] [36] [37] Все большее число частных организаций стали или становятся космическими.
Управление ООН по вопросам космического пространства (УВКП ООН) является основным многосторонним органом, обслуживающим международные контакты и обмены по вопросам космической деятельности между космическими государствами и государствами, не осуществляющими космические программы.
В настоящее время Россия , США и Китай являются единственными странами, осуществляющими пилотируемые космические полеты . Космические страны, перечисленные по дате первого пилотируемого запуска:
Следующие страны или организации разработали собственные ракеты-носители для запуска беспилотных космических аппаратов на орбиту либо со своей территории, либо с иностранной помощью (дата первого запуска указана в скобках): [38]
Также несколько стран, таких как Канада, Италия и Австралия, имели полунезависимые космические возможности, запуская спутники местного производства на иностранных пусковых установках. Канада спроектировала и построила спутники ( Alouette 1 и 2 ) в 1962 и 1965 годах, которые были выведены на орбиту с помощью американских ракет-носителей. Италия спроектировала и построила несколько спутников, а также герметичные модули для Международной космической станции . Ранние итальянские спутники запускались с помощью ракет-носителей, предоставленных НАСА, сначала с космодрома Уоллопс в 1964 году, а затем с космодрома в Кении ( платформа Сан-Марко ) между 1967 и 1988 годами; [ необходима цитата ] Италия возглавляла разработку программы ракеты Vega в рамках Европейского космического агентства с 1998 года. [43] Великобритания отказалась от своей независимой программы космических запусков в 1972 году в пользу сотрудничества с Европейской организацией по разработке пусковых установок (ELDO) по технологиям запуска до 1974 года. Австралия отказалась от своей программы запуска вскоре после успешного запуска WRESAT и стала единственным неевропейским членом ELDO.
Считая запуск объекта за пределами линии Кармана минимальным требованием для осуществления космических полетов, Германия с ракетой V-2 стала первой космической державой в 1944 году. [44] Следующие страны достигли возможности суборбитальных космических полетов только путем запуска собственных ракет или управляемых ракет , или и тех, и других, в суборбитальное пространство:
Стыковка — это когда один входящий космический корабль встречается с другим космическим кораблем и летит по контролируемой траектории столкновения таким образом, чтобы выровнять и зацепить механизмы интерфейса. Механизмы стыковки космического корабля обычно входят в то, что называется мягким захватом, за которым следует фаза ослабления нагрузки, а затем положение жесткой стыковки, которое устанавливает герметичное структурное соединение между космическими кораблями. Причаливание, напротив, происходит, когда входящий космический корабль захватывается роботизированной рукой, а его механизм интерфейса размещается близко к стационарному механизму интерфейса. Затем обычно происходит процесс захвата, грубое выравнивание и точное выравнивание, а затем структурное присоединение.
Стыковка: соединение или сближение двух отдельных свободно летящих космических аппаратов.
Причаливание относится к операциям стыковки, когда неактивный модуль/транспортное средство помещается в интерфейс стыковки с помощью системы удаленного манипулятора RMS. Стыковка относится к операциям стыковки, когда активное транспортное средство влетает в интерфейс стыковки на своей собственной тяге.
распространенная концепция суборбитальной транспортировки с Земли на Землю принадлежит не кому иному, как Илону Маску и SpaceX. Разработанная в первую очередь для транспортировки больших грузов на Марс с целью колонизации, система запуска Starship следующего поколения предлагает дополнительную возможность для транспортировки больших объемов грузов вокруг Земли.
