Vesmírné tunely a železo na hlavě aneb proč potřebujeme kosmodrom Vostočnyj

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Naposledy změněno: 2023-12-16 16:00

Onehdy jsem byl požádán, abych nahlédl do infografiky RIA Novosti, věnované prvnímu startu z kosmodromu Vostočnyj. A dojde k jednomu zásadnímu zjednodušení kvůli omezením formátu materiálu. Ve skutečnosti kosmodrom Vostočnyj nepotřebujeme, protože většina civilních startů se odehrává z kosmodromu Bajkonur.

Abychom však vysvětlili, proč to potřebujeme, budeme si muset říci, proč lze dráhu kosmické lodi přirovnat k tunelu, a také vysvětlit, jaké „železo“padá z nebe a na koho padá.

Tunel na obloze

Fyzika orbitálního pohybu je zcela neintuitivní. Spíše je to opak toho, co si běžný člověk představuje. A dokonce i dobré filmy, zdánlivě usilující o realismus, dávají zcela mylnou představu o tom, jak létají satelity a kosmické lodě. Pamatujete na "Gravity", která slavně letěla z Hubblea na ISS a poté na čínskou stanici? I když zahodíme rozdíl v orbitálních výškách, jeden parametr orbitálního pohybu zabíjí i sebemenší šanci na takové lety. Tento parametr se nazývá "orbitální sklon".

Sklon oběžné dráhyje úhel mezi rovinou oběžné dráhy satelitu a rovinou rovníku (pro satelit Země)

Například v případě „Gravity“bude obrázek vypadat takto:

A to, že se roviny drah vůbec neshodují, není problém. Skutečným problémem je, že pro nízkou kruhovou dráhu (a Hubble, ISS, Tiangong a hmotnost dalších satelitů mají nízkou kruhovou dráhu) je změna sklonu velmi drahá. Abychom dráhu „otočili“o 45°, budeme muset změnit naši rychlost asi o 8 km/s, tedy o stejnou hodnotu, jakou jsme potřebovali ke vstupu na oběžnou dráhu. A změna rychlosti je plýtvání palivem a přenastavení stupňů. To znamená, že pokud raketa o hmotnosti 300 tun vynese na oběžnou dráhu 7 tun, pak po změně sklonu o 45 ° zbude pouze 150 kilogramů. Ve skutečnosti každý orbiter létá uvnitř neviditelného tunelu, jehož průměr závisí na jeho schopnosti měnit rychlost. Proto se při vypouštění družic snaží je okamžitě přivést do požadovaného sklonu.

Ubité silnice

Jaký sklon se používá pro stávající orbitery? Na oběžné dráze Země je nyní mnoho satelitů:

Když se podíváte pozorně, můžete vidět, že na některých drahách je více satelitů. Zde je obrázek ukazující pohyb satelitů vzhledem k Zemi:

Geostacionární oběžná dráha (zelená). Jedná se o kruhovou dráhu s výškou 36 000 km a sklonem 0°. Satelit na něm se nachází nad jedním bodem zemského povrchu, proto je na obrázku správná geostacionární dráha označena zelenou tečkou. Zelené smyčky jsou vadné satelity nebo jim dochází palivo. Geostacionární dráha je pod rušivým vlivem Měsíce a vy musíte utrácet palivo, abyste zůstali na místě. Tuto dráhu obývají telekomunikační družice, které jsou ziskové, a tak se na ní již těžko hledají volná místa.

Dráhy GLONAS / GPS (modrá a červená). Tyto dráhy mají výšku přibližně 20 000 kilometrů a sklon kolem 60°. Jak název napovídá, nesou navigační družice.

Polární dráhy (žlutá). Tyto dráhy jsou skloněny v oblasti 90° a výška obvykle není větší než 1000 km. Satelit v tomto případě každou otáčku přelétne nad póly a uvidí celé území Země. Samostatným poddruhem takových drah jsou sluneční synchronní dráhy s nadmořskou výškou 600-800 km a sklonem 98°, na kterých satelity létají nad různými částmi Země přibližně ve stejnou místní dobu. Tyto dráhy jsou žádané pro meteorologické, mapovací a průzkumné družice.

Kromě toho je třeba poznamenat dráhu ISS s výškou 450 km a sklonem 51,6°.

Bezcitný zeměpis

No, no, přišli jsme na nálady, řekne si čtenář. A kde je kosmodrom? Faktem je, že existuje takový nepříjemný fyzikální zákon:

Počáteční sklon oběžné dráhy nemůže být menší než zeměpisná šířka kosmodromu

proč tomu tak je? Vše bude jasnější, když nakreslíme trajektorii satelitu na mapu Země:

Pokud začneme z Bajkonuru zrychlovat na východ, dostaneme oběžnou dráhu se sklonem zeměpisné šířky Bajkonuru, 45 ° (červená). Pokud začneme zrychlovat na severovýchod, tak nejsevernější bod oběžné dráhy bude severně od Bajkonuru, to znamená, že sklon bude větší (žlutý). Pokud se pokusíme ošidit a začneme zrychlovat na jihovýchod, tak výsledná dráha bude mít stále nejsevernější bod severně od Bajkonuru a opět větší sklon (modrá).

Taková dráha je ale fyzicky nemožná, protože neprochází těžištěm Země. Přesněji řečeno nelze létat s vypnutým motorem. Na takové oběžné dráze můžete být nějakou dobu s běžícím motorem, ale palivo dojde velmi rychle.

Pokud tedy chceme vypouštět satelity na geostacionární oběžnou dráhu nikoli z rovníku, musíme nějak resetovat sklon oběžné dráhy a spotřebovávat palivo. Právě tyto náklady vysvětlují, proč stejná raketa Sojuz-2.1a úspěšně vynáší satelity na geostacionární dráhu z kosmodromu Kuru poblíž rovníku, ale z Bajkonuru se k těmto úkolům nepoužívá.

Rusko je severská země. A pokud mohou být satelity bezpečně vypuštěny na polární dráhy a dráhy GLONASS z Plesetsku, který se nachází na zeměpisné šířce 63 °, pak pro geostacionární dráhu platí, že čím jižněji se kosmodrom nachází, tím lépe. A zde vstupuje v platnost druhý problém – ne každé území je vhodné pro kosmodrom.

Krok na kumpol

Všechny moderní rakety při vypouštění satelitu shazují vyčerpané stupně a příďové kapotáže, které padají na Zemi. Pokud je místo havárie v jiné zemi, musíte s touto zemí vyjednávat o každém startu. Proto například minimální sklon kosmodromu Bajkonur není 45°, ale 51°, protože jinak druhý stupeň spadne do Číny:

A na místě, kde padla první etapa, se musíte domluvit s Kazachstánem a zaplatit za využití těchto ploch. Někdy nastanou problémy a start satelitů se zpozdí. Oblasti pádu musí být odcizeny poměrně velké:

A v evropské části Ruska nejsou dobrá místa pro kosmodrom. Hrál jsem si s mapami, na Kavkaze můžete uhnout a zkusit start z oblasti Mozdok, ale i tak se budete muset snažit, aby druhé stupně nespadly do Kazachstánu. Pokud odpálíte raketu z Krymu, první stupeň spadne do obydlených oblastí poblíž Rostova na Donu a druhý stupeň bude opět usilovat o pád do Kazachstánu. A to nebere v úvahu problémy s infrastrukturou v obou variantách. Na tomto pozadí se podíváte na sklony, které mají americké kosmodromy, a budete litovat bezcitnosti fyziky a geografie.

Ale máme i východní pobřeží. A pokud tam umístíme kosmodrom, pak bude možné najít odlehlé oblasti pro pád vyčerpaných stupňů pro nejžádanější sklony: 51, 6 ° (k ISS a geostacionární oběžné dráze), 64, 8 ° (GLONASS, některé družice snímající Zemi), 98° (na polární dráhu).

Ještě jednou teze

Kosmodrom Vostočnyj nám umožní vypouštět náklad na geostacionární oběžnou dráhu a k ISS, aniž bychom museli tyto starty koordinovat s jinými zeměmi a platit jim za využívání zakázaných oblastí. Nachází se v jižní části země a poskytuje počáteční orbitální sklon o nic horší než Bajkonur. Je iracionální stavět startovací komplex pro novou nosnou raketu Angara na Bajkonuru (opět koordinace startů a oblastí havárie), ale z Vostočného to neposkytne menší užitečné zatížení.

Milá maličkost: nový startovací komplex s obslužnou věží, jako v Kourou, umožní odpalování západního nákladu, který musí být na nosné raketě namontován ve vzpřímené poloze.

Bonusem je také rozvoj infrastruktury, impuls k rozvoji území, vědecké město a tak dále.

UPD: infografika ven. Škoda, nestihli jsme překreslit rozmístění satelitů. Ještě velmi stručně jsme se pokusili vysvětlit, co se zde píše. Podle mě to dopadlo pěkně.