Наука
Кровавый хичхакер

Сложности выхода на орбиту, особенности траекторий и анализ подходящих двигателей: большая статья о космосе

Научный анализ классических тонкостей и разбор перспективных теорий и идей.

Космос, последний рубеж. Ровно 60 лет назад человек впервые отправился преодолевать его. Как тогда, так и сейчас для отрыва от поверхности используются химические двигатели, в основе их работы лежит реакция горения, в результате которой высвобождается огромное количество газа, который с реактивной силой вырывается из сопла. В этой статье мы поговорим о запусках, двигателях и о том, как человек полетит к звёздам.

Немного теории

Для начала нам нужно разобраться с двумя терминами: тяговооружённость и удельный импульс. Никакой сложной теории, только примеры.

Тяговооружённость — это соотношение, которое определяет мощность двигателей аппарата по отношению к его собственному весу. Другими словами от этого показателя зависит то как быстро ракета будет разгоняться, например от 0 до 100. Этот показатель крайне важен для того, чтобы оторваться от Земли и набрать первоначальное ускорение. Так ракета с тяговооружённостью меньше 1 вообще не сможет оторваться от поверхности

Если аппарату необходимо выйти на стабильную орбиту, или совершить безопасную посадку на текущее небесное тело без использования парашютов, тогда его двигатели должны выдавать больше тяги, чем его текущий вес для противодействия гравитации. Так ракета с тяговооружённостью меньше 1 вообще не сможет оторваться от поверхности или сбросить скорость для посадки. Ещё одна важная особенность, что за время полёта ракета становится легче(за счёт расхода топлива), а значит тяговооружённость растёт. Также для каждого небесного тела у аппарата будет своя тяговооружённость, которая зависит от его сил тяжести(т.е на Луне одинаковый двигатель будет работать в 6 раз мощнее, чем на Земле).

Удельный импульс — определяет эффективность двигателя, связанную с расходом топлива на ускорение.

Чем больше удельный импульс, тем меньше времени работы двигателя нужно для изменение скорости, а значит меньше расходуется топливо и его хватит на дольше. А что это значит? Значит мы сможешь разогнаться до больших скоростей!

Тут мы и приходим к такой важной вещи как характеристическая скорость(Δv). Она показывает какое суммарное изменение скорости может совершить аппарат перед тем, как у него кончится топливо.

Мы с вами привыкли мыслить земными категориями: вот я еду на машине, машину затормаживает сила трения о землю, поэтому мне надо постоянно поддерживать работу двигателя, чтобы продолжать движение, иначе я остановлюсь. Но в космосе нет дороги. Там вообще ничего нет, а значит и ничто не будет тормозить, мешать двигаться, но и ничто не поможет мне затормозить. На машине я могу просто выключить двигатель и она рано или поздно остановится, проехав ещё какое-то время по иннерции, в космосе тормозить придётся самому. Т.е вам нужно развернуть вашу «машину» в обратном направлении и включить двигатель, чтобы притормозить. Именно все эти изменения скорости закладываются в Δv.

Теперь, когда мы немного вспомнили теорию, перейдём к практике.

Выход на орбиту

Химические ракетные двигатели. Это то, на чём мы летаем сейчас. Принцип не меняется: горючее горит, окислитель поддерживает реакцию горения, образуется газ, газ вырывается их сопла, ракета летит. Эта технология будет использоваться ещё очень долго, здесь прорыв пока что ждать не стоит, поэтому поговорим не о двигателях, а о системах запуска.

Обычный старт

Это запуск с космодрома. Ракета стоит на стартовом столе, всю работу принимают на себя маршевые двигатели первой ступени, ничего нового для себя вы здесь не увидите.

Вывоз ракеты-носителя "Союз-2.1а" на стартовый комплекс космодрома Байконур Роскосмос

Воздушный старт

Здесь уже поинтереснее: ракетоноситель доставляется на необходимую высоту самолётом. Обычно такой способ используется для с суборбитальных полётов или вывода небольших спутников. Так российский самолёт АН-124-100 «Руслан» может вывести для запуска 100-тонную ракету, полезный груз которой варьируется от 1 до 2 тонн.

Чем же хороша такая система?

На ракету при старте, помимо гравитации действует ещё и сила сопротивления воздуха. Возле поверхности плотность атмосферы достаточно высока, поэтому нужен больший расход топлива, чтобы преодолеть этот участок, в то время как можно доставлять ракеты на высоту, где воздух уже достаточно разрежен, но самолёт всё ещё может летать.

Вторым преимуществом воздушного старта является возможность совершать запуски из любой точки Земли, в то время как космодромы железо-бетонно не могут изменить своё местоположение. Правильное место может помочь сэкономить огромное количество топлива на орбитальных манёврах.

Этот способ уже сейчас применяется для отправки небольших грузов на орбиту Земли., а в перспективе может стать основным

Морской старт

Этот проект разрабатывался международным консорциумом и предполагал плавучую платформу, которая была заякорена на экваторе. С 1999 по 2014 годы было совершено 36 запусков(32 полностью успешных), потом проект заморожен в связи с банкротством и выкуплен полностью российской стороной. Банкротство было связно с тем, что не удалось обеспечить интенсивность запусков за один заход на стартовую позицию. Сейчас весь проект проходит стадию модернизации в Роскосмосе.

Плавучая платформа "Одиссей"

Главным преимуществом морского старта также является мобильность точки запуска.

24 августа 2020 года на форуме «Армия-2020» вице-премьер Юрий Борисов сообщил СМИ, что «Морской старт» будет восстановлен, на что потребуется около 35 млрд рублей. Также Борисов сообщил, что проект сможет выйти на прибыльность при условии осуществления до 5 запусков год

Далее речь пойдёт о безракетных запусках, в них не используются привычные нам ракеты, а сами они пока не используются по различным причинам, однако они не являются чем-то из области научной фантастики.

Космический лифт

Это инженерное сооружение представляет собой огромный трос, протянутый между точкой на земле и телом, при этом центр масс системы должен находиться на геостационарной орбите. Геостационарная орбита — это такая орбита, при движении по которой тело всегда находится над одной и той же точкой Земли. Впервые идея была предложена ещё Циолковским, сейчас проект оценивается в 10 млрд долларов, но он может удешевить стоимость доставки грузов почти в 150 раз (с 7000$ за кг до 50$).

Основной проблемой является прочность троса. Он должен быть способен выдержать движение многотонных грузов и атмосферное давление. Также очень вероятны постоянные столкновения с космическим мусором: потерянные спутники, остатки ракет и мелкие астероиды летают на орбите Земли с разными скоростями. А теперь представьте столкновение троса и булыжника, которые мчатся друг на друга со скоростью 8 км/с каждый.

Если удастся решить проблему прочности, то лифта может быть построен уже к 2050 году Японией или Китаем.

Орбитальная праща

Этот проект чем-то похож на космический лифт, но по сравнению с ним все технологии для реализации уже есть.

Skyhook представляет собой станцию-маховик на орбите Земли, от которого отходят с противоположные стороны два длинных троса, и который вращается в плоскости орбиты.

Космическая пушка

Почти как у Жюля Верна. Только пушка не способна вывести снаряд на орбиту Земли, с какой бы скоростью его не выпускала, т.к. сама пушка является частью траектории, а значит снаряд должен всё же обладать какими-то двигателями для построения орбиты в апоцентре. При запуске со второй космической скоростью аппарат выйдет на солнечную орбиту.

Красный ромб - пушка. В первом случае снаряд упадёт на Землю. Во втором случае аппарат включит двигатель на вершине траектории и поднимет перицентр траектории орбиты над поверхностью Земли. Быстренько набросал в фотошопе.

На данный момент не получилось совершить ни одного удачного запуска на орбиту.

На этом с доставкой на орбиту мы закончили. В следующей части поговорим уже о межпланетных и межзвёздных полётах.

Орбиты и траектории

Когда вы в космосе, вы должны забыть о том, как двигаетесь по поверхности, чтобы попасть из точки А в точку В. В космосе обе эти точки находятся на орбите в постоянном движении относительно друг друга. Вы не можете просто нацелиться на Марс и полететь к нему, вам нужно изменить орбиту своего аппарата так, чтобы она пересеклась с орбитой Марса в точке, в которой будет находиться Марс в момент пересечения. Звучит сложно? Вот картинка:

Это простой манёвр, требует всего одного включения двигателей для ускорения и одного для торможения. Заметьте, что если бы Марс и Земля находились в других положениях, пришлось бы набирать большую скорость, для того, чтобы траектория пересекла орбиту Марса и тот успел прийти в точку встречи. Выглядит это примерно так:

Теперь вы понимаете как работают орбиты? А теперь поговорим о том, на чём мы летаем.

Ядерные двигатели

Применение здесь нашёл как мирный атом, так и бомбы. Особо примечательны проекты Орион и NERVA, существовавшие в 1960-70-ых годах.

Проект Орион

Представьте, что вы сидите в ракете. Под вами находится огромный запас термоядерных зарядов. Вам говорят, что буду взрывать 1 заряд в минуту позади вас. Вы полетите очень быстро.

Это было краткое описание принципа работы. Снаряд сконструирован так, что импульс от взрыва передаётся специальной амортизационной системе, которая уже передаёт её кораблю, также эта плита покрыта специальным абляционным слоем, который защищал бы корабль от гамма излучения и высоких температур. Ниже представлен концепт лунного аппарата.

Но были и попытки применить эту идею для межзвездных путешествий. По расчёт такой корабль мог бы достичь 3% скорости света за 10 дней при среднем ускорении в 1g. При такой скорости он бы достиг Альфы Центавры за 130 лет.

К сожалению весь проект «Орион» очень грязный. Постоянные взрывы зарядов приводят к выделению огромного количества радиации, так что запускать его с Земли нельзя, не хотелось бы загрязнять и орбиту.

NERVA

По сравнению с Орионом, NERVA — чистый ядерный двигатель. Здесь используется ядерная реакция для нагрева жидкого топлива. Перегретое топливо с силой вырывается из сопла и создаёт реактивную тягу для ракеты. Так как для поддержания горения не требуется окислитель, то можно взять больше горючего вещества. В среднем удельный импульс у такого двигателя примерно в 2 раза больше, чем у традиционных.

NERVA должен был доставить человека на Марс к 1978 году, а в 1981 году участвовать в строительстве лунной базы, но проект был закрыт в связи с общим сокращением финансирования космической программы.

Подробнее про другие концепции ядерных двигателей вы можете почитать здесь.

Электроракетные двигатели

Так называют большое семейство двигателей, в которых для получения тяги используется электричество.

Корабль с такими двигателями должен обладать мощной энергоустановкой. Сейчас это в основном солнечные панели, но на большом удалении от Солнца или других звёзд они недостаточно эффективны, поэтому нужны другие источники: ритэги или ядерные реакторы.

С 2011 года существовал проект по снабжению МКС электромагнитным двигателем, но он был закрыт т.к МКС является не лучшим местом для демонстрации его работы.

Ионные двигатели

Ионные двигатели были впервые испытаны ещё в далёком 1964 году. В основе их работы лежит принцип ионизации газа, который разгоняется при помощи электромагнитного поля и выдаёт тягу. Рабочим телом является почти любой инертный газ: ксенон, аргон, криптон и т.д. Время стабильной непрерывной работы оценивается в 3 года.

Первый ионный двигатель SERT

Ионные двигатели обладают очень высоким удельным импульсом, но крайне низкой тягой. Т.е от 0 до 100 они будут разгоняться от нескольких часов, до дней, но зато они могут разогнаться и до 1000, и до 10000, если дать им достаточно времени. Благо полёты это дело долгое.

Плазменные двигатели

Они же двигатели на эффекте Холла. Холловский двигатель состоит из кольцевой камеры между анодом и катодом, вокруг которой расположены магниты. С одной стороны в камеру подаётся рабочее тело, с другой стороны происходит истекание плазмы. Нейтрализация положительного заряда плазмы производится электронами, эмитируемыми с катода.

Принцип работы похож, но при равных размерах эти двигатели выдают больше тяги.

Ионный двигатель Starlink hub.packtpub.com

Спутники Starlink также снабжены небольшими ионными двигателями, которые позволят им корректировать орбиту и избегать столкновений с космическим мусором.

Ещё не устали читать?

Закончим статью проектом межзвёздного полёта.

Breakthrough Starshot

Амбициозный проект по отправке множества зондов к одной из ближайших звёзд. В его реализации участвуют различные иностранные партнёры, в том числе Марк Цукерберг. Предполагается, что первый аппарат можно будет запустить уже через 15 лет, а стоимость всей программы составит 5-10 млрд. долларов.

Зонды Starshot будут представлять собой миниатюрные аппараты со складным солнечным парусом. Выводиться на орбиту они будут традиционным способом, а уже с орбиты начинать ускорение при помощи мощной лазерной установки, находящейся на Земле.

Таким образом аппараты могут быть ускорены до 20% скорости света, и тогда полет до Альфы Центавры составит всего 20 лет. У зондов нет своей двигательной системы, поэтому они не смогут затормозить или выйти на орбиту после ускорения. Также они не смогут уклониться от космических объектов или пылевых скоплений, поэтому не все долетят до цели. После пролёта и сбора данных информация будет отправлена на Землю. Получить мы её сможем только спустя 4 года.

Это одна из основных проблем: зонд должен быть способен отправить сигнал обратно на Землю в одну конкретную точку за миллиарды километров. «Пятно» от такого сигнала будет очень маленьким и его будет сложно поймать, но для этого можно будет использовать как раз построенную лазерную установку.

Вторая проблема это лазерная установка. По предварительным расчётам она будет занимать площадь диаметром 1 километр и будет самой дорогой частью проекта. Потребление электроэнергии установкой сравнимо с выработкой 15 ГЭС, но это будет кратковременное включение примерно на 2 минуты. Также в будущем эту установку можно будет использовать заново.

Третье проблема пока что труднорешаемая. Нужно изготовить идеальный солнечный парус: тонкий, но прочный и с идеальным коэффициентов отражения. Уже есть несколько решений, которые будут испытываться.

Хоть проект и нацелен на звезды, испытывать его сначала будут в пределах Солнечной системы. Если тесты пройдут хорошо, то зонды смогут долететь до Марса за 1 час, но вот как их тормозить в таком случае? Ответа на этот вопрос я не нашёл, но думаю будет применяться та же лазерная установка, но в обратную сторону.

Я попытался рассказать вам о многом в одной статье. Изначально текст задумывался как лонгрид про межзвёздные полеты и их проблемы, но в итоге вышла вот такая сборная солянка. Моей целью было рассказать вам что-то новое, о чем вы могли не слышать или не понимать. Космос это интересно! Это один из главных двигателей науки сейчас. С днём космонавтики!

Если вы нашли ошибки, неточности, пишите!

{ "author_name": "Varep", "author_type": "self", "tags": ["\u043a\u043e\u0441\u043c\u043e\u0441","varep_\u043a\u043e\u0441\u043c\u043e\u0441"], "comments": 46, "likes": 87, "favorites": 159, "is_advertisement": false, "subsite_label": "science", "id": 359389, "is_wide": false, "is_ugc": true, "date": "Mon, 12 Apr 2021 14:24:56 +0300", "is_special": false }
0
46 комментариев
Популярные
По порядку
Написать комментарий...
6

Тема сворачивания пространства как самого быстрого способа перемещения не раскрыта

Ответить

Кровавый хичхакер

Максим
8

Она пока слишком теоретическая

Ответить
3

Но вообщем статья интересная , прочитал с удовольствием

Ответить

Кровавый хичхакер

Максим
3

Пока нет и намёков на то, что необходимые экзотические частицы будут найдены, плюс нет существующего проекта.

Я хотел включить двигатель Альбукере в первую версию статьи, но потом поменялась тематика, про это будет уже отдельно

Ответить
5

лол) Альбукерке - это город в Нью-Мехико. А мексиканского физика зовут Алькубьерре

Ответить

Кровавый

Marat
0

А это уже моя клавиатура, спасибо)

Ответить
0

Кротовые норы?

Ответить
3

Отличная статья!
Если бы человечество меньше денег выделяло на войну, храмы и политоту - многое было бы уже реализовано... 

Ответить

Следственный цветок

2

лень читать но дислайк влепил

Ответить

Следственный цветок

Следственный
2

ладно я не скотина вечером почитаю

Ответить

Цивилизованный Артем

Следственный
1

пиздишь, мне вчера тоже самое говорид 

Ответить

Следственный

Цивилиз…
1

прочитал!!!

Ответить

Цивилизованный

Следств…
0

Скажи хуйня? 

Ответить

Следственный

Цивилиз…
1

мне в целом понравилось, ща не пьешь?

Ответить

Цивилизованный

Следств…
2

Пью, но редко и мало, крепкий алкоголь говно, таких ситуаций больше конечно же не допускаю. 
Хотя в целом, к алкоголю эта история отношения не изменила. 

Ответить

Следственный

Цивилиз…
0

а ты мне не напомнил 

Ответить
1

Спасибо за статью. 
Касательно торможения аппаратов у конечной точки. 
Если твоя конечная точка обладает атмосферой, но "торможение" можно обеспечить с помощью входа в атмосферу и торможения об нее. 

В качестве материала троса теоретически можно будет использовать графен, он еще и "контактным рельсом" сможет выступить. 

Ответить

Кровавый хичхакер

Дмитрий
1

Тормозить нужно будет аппарат мчащийся со скоростями в тысячи километров в секунду, он просто пролетит мимо, если не сгорит. Тем более у Марса атмосфера разреженная.

Ответить
0

Хм. Вопрос прочности и размеров теплового щита.

Ответить
0

Да не, атмосфера вообще не затормозит такой аппарат, он мимо пролетит лишь совсем чуть чуть изменив курс. Ну представь хотя-бы 1000 км/с(а будет 10000, если за час лететь), диаметр Марса - 6779 км, даже если перицетр орбиты будет в 500 метрах от поверхности и он не сгорит, он не затормозит за 7 секунд

Ответить
1

Как тут подписаться на следующие статьи автора? 

Ответить

Кровавый хичхакер

Alex
1

Привет, надо в профиль перейти и подписаться полностью на блог, но вообще лучше не подписываться, я постю постоянно совсем разный контент, который может быть неинтересен

Ответить

Цивилизованный Артем

0

Хорошая статья, почитаю потом.

Ответить
3

Спасибо пожалуйста ставьте минусы отписывайтесь от блога

Ответить
0

не читал картинок мало 
а те что есть не очень красивые 

Ответить

Кровавый хичхакер

конгруэ́нтный
3

Извини, часть сам рисовал

Ответить

Кровавый хичхакер

конгруэ́нтный
3

Красивые картинки по тегу #ksp

Ответить
1

Маленький комментарий к большой статье о космосе

Ответить
1

В этом видосе
https://youtu.be/cZF9LE48i14
идею роя зондов на солнечных парусах критиковали также за то, что из-за флуктуаций и «дрожания» земной атмосферы невозможно будет навести массив лазеров на крошечный парус с требуемой точностью

Ответить

Кровавый хичхакер

Fedor
0

Да, но это зависит от места строительства комплекса. Сейчас рассматривается вариант с пустыней Наска вроде как.
Навестись сложно будет уже потом, в начале это достаточно легко, пока зонды недалеко от Земли

Ответить

Служебный химик

0

а насколько в дальних космических путешествиях (хотя бы до Марса) актуальна проблема влияния на радиации на организм? 

понятное дело, что страшилки луноскептиков про то, что гробгробкладбищенепреодолимо это страшилки, но слышал мнение, что при нынешних возможностях по размерам ракет и выводимой на орбиту массе даже если послать людей к красной планете - они к моменту прилета будут хорошенько так, до болезни, облучены

Ответить

Кровавый хичхакер

Служебный
1

The 210-day trip results in radiation exposure of the crew of 386 +/- 61 mSv. On the surface, they will be exposed to about 11 mSv per year during their excursions on the surface of Mars. This means that the settlers will be able to spend about sixty years on Mars before reaching their career limit, with respect to ESA standards.

Ну норм такто

Ответить

Кровавый хичхакер

Служебный
0

Касательно полёта до Марса не изучал вопрос.

К Луне до Аполлонов отправляли черепах и ещё каких-то животных, в том числе СССР, кажется на Союзе-7(точно не скажу), и те прекрасно пережили.
Думаю тут тоже самое будут поворачивать, но точно сказать не могу

Ответить

Служебный химик

Кровавый
1

ладно

и еще вопрос

еще слышал вопрос, что частично проблему вывода больших масс и габаритов на орбиту можно решить при помощи "надувных" (но при этом достаточно прочных) модулей

насколько это дело сейчас на практике воплощено?

Ответить
0

Про надувные слышал

Сейчас быстрый гуглинг нашёл пару научных англо статей с техническим обоснование, но практических результатов нет

Ответить
0

А как часто можно запускать корабли на Марс? Я имею ввиду с какой частотой (по времени) положение Земли к Марсу такое, при котором траектория орбиты корабля наиболее короткая? Или, скажем другими словами, за самую маленькую дельта V

Ответить

Кровавый хичхакер

Evgeny
1

780 дней, вот.
Последний раз в июле 2020 было окно

Ответить

Кровавый хичхакер

Evgeny
0

Примерно раз в 2 года

Ответить
0

Эх, не скоро стар трек нам сделать былью.

Ответить
0

А что у нас по антигравитационным двигателям которые супер заскресены типа мифического TR-3B

Ответить

Кровавый хичхакер

LuiQuao
0

Почему-то про TR-3B пишут только в рунете. Думаю это говорит о многом об этом мифе.

Ответить
0

Почему же, "Black triangle" довольно распространенное "явление". Возможно он, как и знаменитый B-2 просто часть американских "Черных проектов"

Ответить
0

Шта

Ответить
0

 Ответа на этот вопрос я не нашёл, но думаю будет применяться та же лазерная установка, но в обратную сторону.

Не очень представляю, как можно лазерным импульсов тормозить что-то, что удаляется от тебя. Передача импульса носит положительный характер ведь

Ответить

Кровавый хичхакер

Marat
0

Не совсем чётко выразился

1. Лазерная установка на Марсе. Но это дорого, наверное на грани фантастики.
Тут к тому же лазерные установки должны при условии вращения Земли и Марса во время запуска находиться в удобном положении, что как бы редко будет происходить(по крайней мере мне так кажется), т к день на Марсе на 40 минут длиннее.
2. Либо это будет огромная орбитальная группировка спутников, каждый с лазерным устройством, которые будут наводиться на приблежающийся аппарат. Это уже реальнее, но все равно слишком дорого.

Ответить
0

круто и интересно, побольше бы только теории и немного формул, а не сухих фактов.

Ответить
Обсуждаемое
Новости
Детский омбудсмен Татарстана назвала причиной стрельбы в казанской школе «отсутствие государственной идеологии»
Ирина Волынец отметила, что школьники должны быть заняты внеурочно, как это было в СССР.
Новости
После стрельбы в Казани мурманским школам поручили создать список «склонных к нарушению дисциплины» учеников
Среди причин включения в список — участие в протестах за Навального, «свободолюбие», «непризнание авторитета», использование мата.
qq
Бывает ли у вас такое
что в голове какая-то тяжесть, ощущаете отстраненность от происходящего и тяжело думать о чем-то конкретном, хочется просто лежать и быть амебой?
Популярное за три дня
Twitter
Новости
В Госдуму внесли законопроект, запрещающий адвокатам и юристам проносить в колонии записывающую технику
По словам одного из авторов, такой запрет нужен для борьбы с «множеством мошеннических звонков из мест лишения свободы».
Новости
После стрельбы в Казани мурманским школам поручили создать список «склонных к нарушению дисциплины» учеников
Среди причин включения в список — участие в протестах за Навального, «свободолюбие», «непризнание авторитета», использование мата.

Комментарии

null