Túnels espacials i ferro al cap o per què necessitem el cosmòdrom Vostochny

2024 Autora: Seth Attwood | [email protected]. Última modificació: 2023-12-16 16:00

L'altre dia em van demanar que consultés la infografia de RIA Novosti, dedicada al primer llançament des del cosmòdrom Vostochny. I hi haurà una simplificació important a causa de les limitacions del format del material. De fet, no necessitem el cosmòdrom de Vostochny perquè la majoria dels llançaments civils tenen lloc des del cosmòdrom de Baikonur.

Però per explicar per què ho necessitem, haurem d'explicar per què l'òrbita d'una nau espacial es pot comparar amb un túnel, i també explicar quin tipus de "ferro" cau del cel, i sobre qui cau.

Túnel al cel

La física del moviment orbital és completament contraintuïtiva. Més aviat, és el contrari del que imagina una persona normal. I fins i tot les bones pel·lícules, que aparentment lluiten pel realisme, donen una idea completament equivocada de com volen els satèl·lits i les naus espacials. Recordeu "Gravity", que va volar famós del Hubble a l'ISS i després a l'estació xinesa? Fins i tot si descartem la diferència d'altures orbitals, un paràmetre de moviment orbital mata fins i tot la més mínima possibilitat d'aquests vols. Aquest paràmetre s'anomena "inclinació orbital".

Inclinació de l'òrbita és l'angle entre el pla de l'òrbita del satèl·lit i el pla de l'equador (per a un satèl·lit terrestre)

Per exemple, per al cas de "Gravetat" la imatge serà així:

I el fet que els plans de les òrbites no coincideixin gens no és un problema. El veritable problema és que per a una òrbita circular baixa (i el Hubble, l'ISS, Tiangong i la massa d'altres satèl·lits són una òrbita circular baixa), el canvi d'inclinació és molt car. Per "girar" l'òrbita 45°, haurem de canviar la nostra velocitat uns 8 km/s, la mateixa quantitat que necessitem per entrar en òrbita. I canviar la velocitat és un malbaratament de combustible i un reinici d'etapes. És a dir, si un coet amb una massa de 300 tones posa 7 tones en òrbita, després d'un canvi d'inclinació de 45 °, només quedaran 150 quilograms. De fet, cada orbitador vola dins d'un túnel invisible, el diàmetre del qual depèn de la seva capacitat per canviar la seva velocitat. Per tant, en llançar satèl·lits, intenten portar-los immediatament a la inclinació desitjada.

Camins batuts

Quina inclinació s'utilitza per als orbitadors existents? Ara hi ha molts satèl·lits a l'òrbita terrestre:

Si us fixeu bé, podeu veure que hi ha més satèl·lits en algunes òrbites. Aquí teniu una imatge que mostra el moviment dels satèl·lits en relació amb la Terra:

Òrbita geoestacionària (verd). És una òrbita circular amb una altitud de 36.000 km i una inclinació de 0°. El satèl·lit que hi ha es troba per sobre d'un punt de la superfície terrestre, per tant, a la imatge, l'òrbita geoestacionària correcta s'indica amb un punt verd. Els bucles verds són satèl·lits defectuosos o sense combustible. L'òrbita geoestacionària es troba sota la pertorbadora influència de la lluna i cal gastar combustible només per mantenir-se al seu lloc. Aquesta òrbita està habitada per satèl·lits de telecomunicacions, que són rendibles, per la qual cosa ja és difícil trobar-hi llocs vacants.

Òrbites GLONAS / GPS (blau i vermell). Aquestes òrbites tenen una altitud aproximada de 20.000 quilòmetres i una inclinació al voltant dels 60 °. Com el seu nom indica, porten satèl·lits de navegació.

Òrbites polars (groc). Aquestes òrbites estan inclinades en la regió de 90 ° i l'altitud no sol ser superior a 1000 km. En aquest cas, el satèl·lit sobrevolarà els pols a cada revolució i veurà tot el territori de la Terra. Una subespècie separada d'aquestes òrbites són òrbites sincròniques solars amb una altitud de 600-800 km i una inclinació de 98 °, en què els satèl·lits volen sobre diferents parts de la Terra aproximadament a la mateixa hora local. Aquestes òrbites tenen una demanda de satèl·lits meteorològics, cartogràfics i de reconeixement.

A més, cal destacar l'òrbita de l'ISS amb una altitud de 450 km i una inclinació de 51,6 °.

Geografia sense cor

Bé, bé, hem descobert els estats d'ànim, dirà el lector. I on ve el cosmòdrom? El fet és que hi ha una llei física tan desagradable:

La inclinació inicial de l'òrbita no pot ser inferior a la latitud del cosmòdrom

Per què això? Tot queda més clar si dibuixem la trajectòria del satèl·lit al mapa de la Terra:

Si nosaltres, partint de Baikonur, comencem a accelerar cap a l'est, obtenim una òrbita amb una inclinació de la latitud de Baikonur, 45 ° (vermell). Si comencem a accelerar cap al nord-est, aleshores el punt més al nord de l'òrbita estarà al nord de Baikonur, és a dir, la inclinació serà més gran (groc). Si intentem fer trampes i comencem a accelerar cap al sud-est, l'òrbita resultant encara tindrà el punt més al nord al nord de Baikonur i, de nou, una inclinació més gran (blau).

Però aquesta òrbita és físicament impossible, perquè no passa pel centre de massa de la Terra. Més precisament, és impossible volar amb el motor apagat. Podeu estar en aquesta òrbita durant un temps amb el motor en marxa, però el combustible s'esgotarà molt ràpidament.

Per tant, si volem llançar satèl·lits a l'òrbita geoestacionària no des de l'equador, hem de restablir d'alguna manera la inclinació orbital, consumint combustible. Són aquests costos els que expliquen per què el mateix coet Soiuz-2.1a llança amb èxit satèl·lits a l'òrbita geoestacionària des del cosmòdrom de Kuru, prop de l'equador, però no s'utilitza per a aquestes tasques des de Baikonur.

Rússia és un país del nord. I si els satèl·lits es poden llançar amb seguretat a òrbites polars i GLONASS des de Plesetsk, que es troba a una latitud de 63 °, per a una òrbita geoestacionària, com més al sud estigui situat el cosmòdrom, millor. I aquí entra en vigor el segon problema: no tots els territoris són adequats per a un cosmòdrom.

Trepitja kumpol

Tots els coets moderns, en llançar un satèl·lit, deixen caure etapes gastades i carenats de morro que cauen a la Terra. Si el lloc de l'accident es troba en un altre país, haureu de negociar amb aquest país per a cada llançament. Per tant, per exemple, la inclinació mínima del cosmòdrom de Baikonur no és de 45 °, sinó de 51 °, perquè, en cas contrari, la segona etapa caurà a la Xina:

I al lloc on va caure la primera etapa, cal negociar amb Kazakhstan i pagar l'ús d'aquestes zones. De vegades sorgeixen problemes i el llançament dels satèl·lits es retarda. Les zones de caiguda s'han d'alienar força grans:

I a la part europea de Rússia no hi ha bons llocs per a un cosmòdrom. Vaig jugar amb els mapes, al Caucas pots esquivar i intentar llançar-te des de la regió de Mozdok, però fins i tot llavors hauràs d'intentar que les segones etapes no caiguin a Kazakhstan. Si llanceu un coet des de Crimea, la primera etapa caurà a zones poblades prop de Rostov-on-Don, i la segona etapa tornarà a intentar caure al Kazakhstan. I això no és tenir en compte els problemes d'infraestructura en ambdues opcions. En aquest context, veureu les inclinacions disponibles per als ports espacials nord-americans i lamentareu la crueltat de la física i la geografia.

Però també tenim una costa est. I, si col·loquem el cosmòdrom allà, serà possible trobar àrees remotes per a la caiguda de les etapes gastades per a les inclinacions més demandades: 51, 6 ° (a l'ISS i òrbita geoestacionària), 64, 8 ° (GLONASS)., alguns satèl·lits sensors de la Terra), 98 ° (en òrbita polar).

Un cop més tesi

El cosmòdrom de Vostochny ens permetrà llançar càrregues útils a l'òrbita geoestacionària i a l'ISS sense necessitat de coordinar aquests llançaments amb altres països i pagar-los per utilitzar les zones d'exclusió. Es troba a la part sud del país i proporciona una inclinació orbital inicial no pitjor que la de Baikonur. És irracional construir un complex de llançament per al nou vehicle de llançament Angara a Baikonur (un cop més, coordinació de llançaments i zones d'impacte), però des de Vostochny no proporcionarà menys càrrega útil.

Una mica agradable: el nou complex de llançament amb una torre de servei, com a Kourou, permetrà llançar càrregues útils occidentals, que s'han de muntar al vehicle de llançament en posició vertical.

Un bonus també és el desenvolupament d'infraestructures, un impuls al desenvolupament del territori, una ciutat de la ciència, etc.

UPD: sortida d'infografia. És una llàstima, no hem tingut temps de redibuixar la col·locació dels satèl·lits. Encara molt breument, hem intentat explicar el que hi ha escrit. Al meu entendre, va sortir bé.