Все наверное видели, как в фильме Звездные войны звездолеты резко меняют направление движения, прямо как самолеты в воздухе. Так вот, в реальности в космосе такое невозможно. И космический самолет будет летать не совсем по самолетному. Но об этом ниже. Итак, для начала немного теории, если кто не в курсе. Специально пишу без конкретных цифр и выкладок для широкого круга читателей. Кому интересны цифры - все есть в Вики.
Все наверное знают, что спутники летают по орбитам, орбиты бывают круговые, эллиптические, с разными характеристиками и.т.п. На орбиту выходят куда то там разгоняясь при помощи ракет и разгонных блоков типа "Фрегат". Бывает 1-я космическая скорость, 2-я и еще куча всего. Немного разберемся в теории.
В воздухе самолет летит, по сути опираясь на воздух. Поэтому, пока воздух держит (зависит от скорости, площади крыла и кучи других факторов), самолет будет лететь. В космосе воздуха нет, поэтому опереться можно только на тягу двигателя или на центробежную силу. Возьмем грузик на ниточке и раскрутим рукой. Грузик натянет нитку за счет центробежной силы. Если скорость упадет - грузик свалится вниз. Орбита - это по сути полет такого грузика, а центробежная сила и гравитация уравновешиваются. Если скорость будет слишком высокая, нитка рвется и грузик улетает. Это 2-я космическая скорость.
В реальности гравитация это не нитка а что-то вроде очень эластичной резины. Сильнее крутим - сильнее растягивается. Выше скорость - больше орбита. Но с удалением от Земли 2-я космическая скорость падает т.к. гравитация падает в зависимости от расстояния. Есть так называемая зона (сфера) гравитационного влияния (она есть у всех тел) - точный термин: Sphere of influence, после которой силой гравитации можно пренебречь и 2-я космическая скорость минимальна (у Земли ее граница проходит далеко за орбитой Луны). Далее этой сферы орбитальный полет вокруг тела невозможен. Поэтому, если взлететь на ракете и лететь постоянно вверх не выходя на орбиту вокруг Земли, со скоростью меньше 1й космической (скорости выхода на устойчивую орбиту) поднимаясь только за счет силы двигателей, рано или поздно (при наличии достаточного запаса топлива) мы выйдем из зоны гравитационного влияния Земли и попадем на орбиту вокруг Солнца. Наша орбита будет максимально совпадать с орбитой Земли.
Немного о конфигурации орбиты. Орбита может быть круговая (вокруг космического тела) и эллиптической. У эллиптической орбиты есть перигей (нижняя точка, где планета) и апогей (верхняя точка). Как получить ту или иную конфигурацию орбиты? В космосе не на что опереться, поэтому орбита формируется только за счет вектора тяги двигателей. Чем дольше приложена тяга, тем больше скорость и импульс. Банально, берем маленький камушек и запускаем его вперед с огромной скоростью, берем тяжелый кирпич и запускаем его вперед с маленькой скоростью, при определенных условиях их импульс будет одинаков. У движка есть показатель - "Удельный импульс". Например, ракетный двигатель выбрасывает 1кг газов со скоростью 5 км сек, а плазменный двигатель выбрасывает 100г газов со скоростью 50 км/сек - их удельный импульс будет одинаковый. Но эффективность плазменного двигателя будет значительно выше т.к. расход рабочего тела меньше а скорость которую он придаст аппарату - выше.
При полете по орбите, если мы включаем двигатель по направлению движения аппарата - орбита растет (наша скорость по отношению к телу вокруг которого мы крутимся, тоже). Если включаем в противоположную сторону - орбита уменьшается. Скорость этого изменения зависит от удельного импульса двигателя и импульса космического аппарата. Например, тяжелый аппарат летящий в определенном направлении с огромной скоростью будет очень долго тормозиться при помощи двигателя со слабым удельным импульсом. А резкие изменения направления потребуют огромного удельного импульса и расхода горючего. Поэтому, как самолет космический корабль летать не сможет - там просто все погибнут от перегрузок. Самолет резко меняет направление за счет воздуха и небольшой скорости полета (по сравнению со скоростью полета в космосе), с кораблем это не пройдет. Если смотреть на орбиту как на график, при включении двигателей меняется противоположная часть орбиты. Например, мы летим вокруг Земли в перигее орбиты и включаем двигатели на разгон - растет апогей. Перигей не изменяется. Если вы включаете двигатели на торможение - апогей падает. Таким образом из круговой орбиты можно сделать эллиптическую и наоборот. Находясь на круговой орбите мы можем "направить" апогей в любую точку, например в сторону Луны. Там мы попадаем в зону гравитации Луны и тормозим по орбите, чтобы перейти на круговую орбиту вокруг Луны. При дальнейшем торможении по орбите Луны апогей совпадет с поверхностью планеты и мы упадем на поверхность. Таким образом, включая двигатели в определенных местах по направлению движения или против движения, мы можем менять форму орбиты на произвольную и улетать к другим планетам или же садиться на них. Если разгоняться подобным образом по отношению к Солнцу, можно улететь к центру Галактики или в обратном направлении от него.
Выйдя из сферы гравитационного влияния Земли мы попадаем в сферу гравитации Солнца и летим уже по соседней с Землей орбите. Если разгоняться по орбите строго против движения Земли, мы выйдем на эллиптическую орбиту вокруг Солнца (Солнце в перигее) и можем лететь к центральным планетам, либо упасть на Солнце. Если разгоняться по ходу Земли, то апогей будет расти в сторону дальних планет и мы можем улететь к внешним планетам или в дальний космос. Все это происходит потому, что Земля имеет определенную скорость движения по орбите вокруг Солнца, и мы к ней или добавляем скорость ракеты, или вычитаем. Что же будет если включить двигатели вбок от орбиты? А ничего, орбита будет смещаться вбок или будет меняться ее наклон. Но в общем аппарат будет также лететь по орбите куда летел с небольшим сдвигом. Резкой смены направления, как у самолета, не произойдет, для этого новый импульс должен быть больше предыдущего. А это или дикая перегрузка, или длительный разгон в новом направлении и сложение векторов старого и нового импульсов. Про бесконечное горючее я промолчу )))
Итак, допустим мы построили орбитальный самолет. Если мы будем лететь на нем вертикально вверх, рано или поздно выйдем на орбиту вокруг Солнца (форма орбиты см выше). Но нам вряд ли такое нужно, поэтому нам как то надо попасть на орбиту Земли. Тут еще немного теории, или как выводят спутники на орбиту.
Вы наверное думаете что после старта ракеты ее движки работают постоянно, но это не так. Ракета взлетает вертикально вверх, это атмосферный участок. Задача ракеты - максимально быстро пройти атмосферу, примерно 10-15 км. Скорости и перегрузки невысокие. Далее ракета начинает наклоняться вбок и разгоняться. Разгон происходит уже в безвоздушном пространстве, чтобы не тратить топливо на преодоление сопротивления воздуха. Вот тут начинаются перегрузки и все такое. При наборе некоторой скорости движки выключаются. Ракета летит по инерции и по баллистической траектории, 1-я ступень (и 2я в зависимости от конфигурации ракеты) отстегивается. В апогее баллистической кривой ракета поворачивается параллельно Земле и включается разгонный блок ("Фрегат" или еще какой). Он разгоняет спутник до 1-й космической скорости и выводит на нужную орбиту (рабочую или опорную). Вот - тут самые злые перегрузки. Кстати, если блок не включить, ракета упадет на Землю по той же баллистической траектории. Далее в зависимости от работы аппарата включается собственный разгонный блок который корректирует орбиту (как я выше писал, включаясь в определенных местах орбиты). Он уже "поднимает" аппарат выше, отправляет на Луну или еще куда т.к. уйти в космос с опорной орбиты намного проще.
Разгонный блок "Фрегат" (слева) и станция Venus Express
Вернемся к самолету. Ему можно "пробить" атмосферу как обычному самолету, просто набирая высоту. На определенной высоте где воздух будет сильно разряжен, включится гиперзвуковой двигатель который будет разгонять самолет в атмосфере. В какой то момент разгон будет напоминать бросок плоского камешка по воде. Самолет падает в атмосферу, разгоняется и отскакивает вверх, потом опять падает и опять отскакивает. И с каждым разом высота отскока все выше, скорость все больше. В какой том момент гиперзвукового движка не хватит и придется включать ракетный для дальнейшего разгона. Самолет выходит на опорную орбиту. Перегрузки будут намного меньше чем у ракеты, и выход на орбиту намного комфортнее. Сход с орбиты и торможение по тому же принципу камешка - отскок от атмосферы, заход обратно, потом высота отскока все меньше, глубина захода все больше, плавное торможение в атмосфере (на что может понадобиться несколько витков). Таким образом самолет выходя на орбиту в какой то момент перестанет управляться по самолетному. Вручную выход на орбиту очень затруднителен т.к. параметры орбиты крайне сложно задать вручную без точных расчетов скорости и точек входа а также точного места приложения импульса двигателей для коррекции орбиты. Вручную можно совершать только небольшие маневры, например стыковку. Поэтому орбита (как и полетное задание) будет программироваться чем то вроде орбитального автопилота, который будет в автоматическом режиме выходить на орбиту и делать все необходимые маневры и коррекции. Аналогично сход с орбиты. Сход в ручном режиме чреват сгоранием самолета в атмосфере, поэтому тоже будет делаться при помощи автопилота. Задается точка назначения куда автопилот приводит самолет после орбитального полета. По сути, то что сейчас делает ЦУП, будет делать бортовой компьютер.
После прочтения, надеюсь, понятно, почему то, что показано в звездных войнах, именно такое "самолетное" движение в космосе - невозможно. Более-менее понятно, как может летать орбитальный самолет и базовые принципы полета в космосе. Теоретически, на самолете при достаточном количестве топлива можно улететь куда угодно и вернуться, но это уже не самолет а звездолет какой то. Но принцип импульса и движения по орбите никто не отменит. Кроме этого, в реальных полетах (особенно к другим планетам) часто используются гравитационные маневры, когда гравитационное поле планет ускоряет или тормозит корабль для экономии горючего, различные виды траекторий захода к планетам и для коррекции орбиты (с меньшими и большими перегрузками), также большое влияние имеет вращение планет (например, полет вертикально вверх за счет вращения Земли превратится в спираль, и чтобы лететь на самом деле прямо, необходимо делать наклон) и многое другое, но это выходит за рамки данной статьи т.к. это совершенно другая теоретическая база и значительно более сложные расчеты.
На закуску - как может выглядеть орбитальный автопилот будущего.
Для начала, нам нужно определить его цели и задачи.
1. Выход на заданную орбиту в ее заданную точку.
2. Безопасное возвращение с орбиты по определенному маршруту и выход в заданную точку в атмосфере.
3. Расчет орбит и импульсов при межпланетных полетах (например к Луне) и возможность возврата назад. Построение произвольных орбит, расчет оптимальных маршрутов с учетом гравитационного маневра, показ времени полета.
Это должен быть некий компьютер, который учитывает наше местоположение, скорость, текущую орбиту, количество топлива и то, что нам требуется сделать. В памяти постоянно вбит возврат на аэродром (количество топлива или энергии, необходимое для этого). Автопилот должен чем то напоминать нынешний навигатор, только вместо карты там будет координатная пространственная сетка и точки на ней. Для полета, например к МКС, мы вводим ее координаты и компьютер просчитывает правильные траектории и орбиту для стыковки, после чего полет делается в автоматическом режиме. Аналогично и с посадкой на Землю.
При полете, например, вокруг Луны мы формируем необходимую нам орбиту (с учетом оптимального маршрута, который предложит компьютер), остальное аппарат делает автоматически. Компьютер может предлагать разные варианты маневров - с бОльшими или с меньшими перегрузками, с большим или меньшим временем полета. Нужный вариант выбирает пилот в зависимости от полетного задания, либо вариант выбирается автоматически. Так например, находясь на орбите Луны мы можем выбрать полет к МКС или посадку на Землю (на свой аэродром), после чего аппарат начнет маневрирование в автоматическом режиме. Пилоту может быть предложено несколько траекторий на выбор (например 1 день полета с большими перегрузками или 2 дня полета с меньшими) где также будет учитываться запас топлива. Полет на ручном управлении нецелесообразен т.к. пилот не сможет очень точно управлять траекторией, либо нужно графическое сопровождение (отображение текущей орбиты, отображение в реальном времени новой орбиты в зависимости от маневра и других параметров полета). В ручном управлении возможно близкое маневрирование у объекта (например ручная стыковка или посадка на астероид при помощи маневровых двигателей). Также на ручном управлении возможен полет в атмосфере планет, например Марса или Венеры (но с использованием плазменного или ракетного движка т.к. в их атмосферах нет кислорода для работы реактивного двигателя). В данном случае к автопилоту предъявляются очень серьезные требования по надежности, чтобы можно было летать действительно свободно. В современных космических полетах все траектории и маневры рассчитывает ЦУП (или NASA) и дает команду космонавтам (или аппаратам дистанционно), когда и что включать для маневров и для посадки. В нашем случае бортовой компьютер должен полностью заменить ЦУП и автоматизировать весь процесс маневрирования на орбитах и полета в принципе.
Позже в другой статье опишу плазменный гиперзвуковой (атмосферный) двигатель для подобного аппарата, который в данный момент проектируется и по принципу работы чем то отдаленно напоминает обычный плазморез. Он может работать как в воздухе (ионизируя и ускоряя его) так и в космосе (там более сложный и замороченный процесс за счет этого эффекта: https://ru.wikipedia.org/wiki/... ). Ему не нужно топливо, только электричество. Но электричества очень много, поэтому как только изобретут компактный термоядерный реактор, все вышеописанное станет возможно, и с "бесконечным топливом".
Оценили 12 человек
14 кармы