Орбитальный космический полет - Orbital spaceflight

Космический шаттл "открытие" ракеты к орбитальной скорости, видно здесь сразу после отделения ракеты-носителя

An орбитальный космический полет (или же орбитальный полет) это космический полет в котором космический корабль находится на траектории, где он может оставаться Космос по крайней мере для одного орбита. Сделать это вокруг Земли, он должен находиться на свободной траектории, имеющей высота в перигей (высота при максимальном приближении) около 80 километров (50 миль); это граница пространства как определено НАСА, то ВВС США и FAA. Чтобы оставаться на орбите на этой высоте, требуется орбитальная скорость ~ 7,8 км / с. Орбитальная скорость ниже для более высоких орбит, но для их достижения требуется больше дельта-v.

Из-за атмосферное сопротивление, самая низкая высота, на которой объект на круговой орбите может совершить хотя бы один полный оборот без движения, составляет примерно 150 километров (93 мили).

Выражение «орбитальный космический полет» в основном используется для отличия от суборбитальные космические полеты, которые являются рейсами, на которых апогей космического корабля достигает космоса, но перигей слишком низок.[1]

Орбитальный запуск

Орбитальный полет человека в космос
ИмяПервый запускПоследний запускЗапускает
Восток196119636
Меркурий196219634
Восход196419652
Близнецы1965196610
Союз1967Непрерывный141
Аполлон1968197515
Шаттл19812011134
Шэньчжоу2003Непрерывный6
Crew Dragon2020Непрерывный2
Общий--320

Орбитальный космический полет с Земли был осуществлен только ракеты-носители это использование ракетные двигатели для приведения в движение. Для выхода на орбиту ракета должна передать полезной нагрузке дельта-v около 9,3–10 км / с. Это значение в основном (~ 7,8 км / с) для горизонтального ускорения, необходимого для достижения орбитальной скорости, но учитывает атмосферное сопротивление (примерно 300 м / с с баллистический коэффициент автомобиля на плотном топливе длиной 20 м), гравитационные потери (в зависимости от времени горения и деталей траектории и ракеты-носителя) и набора высоты.

Основной проверенный метод предполагает запуск почти вертикально на несколько километров при выполнении гравитационный поворот, а затем постепенное выравнивание траектории на высоте более 170 км и ускорение по горизонтальной траектории (с ракетой, наклоненной вверх, чтобы бороться с гравитацией и поддерживать высоту) в течение 5–8 минут до достижения орбитальной скорости. В настоящее время 2–4 этапы необходимы для достижения требуемой дельта-v. Большинство запусков одноразовые пусковые системы.

В Ракета Пегас для малых спутников вместо этого запускается с самолета на высоте 39 000 футов (12 км).

Было предложено множество методов для достижения орбитального космического полета, которые потенциально могут быть гораздо более доступными, чем ракеты. Некоторые из этих идей, например космический лифт, и ротоватор, требуют новых материалов, намного более прочных, чем все известные в настоящее время. Другие предлагаемые идеи включают наземные ускорители, такие как петли запуска, реактивные самолеты / космические самолеты, такие как Двигатели реакции Skylon, ГПВРД космические самолеты и РБТП приведенные в действие космические самолеты. Пуск пушки предложен для груза.

С 2015 г. SpaceX продемонстрировали значительный прогресс в своем более постепенном подходе к снижению стоимости орбитальных космических полетов. Их потенциал по снижению затрат в основном обусловлен новаторскими пропульсивная посадка с их многоразовая ракета ступень бустера, а также их Капсула дракона, но также включает повторное использование других компонентов, таких как обтекатели полезной нагрузки и использование 3D печать из суперсплав для создания более эффективных ракетных двигателей, таких как их SuperDraco. На начальных этапах этих усовершенствований стоимость орбитального запуска может снизиться на порядок.[2]

Стабильность

В Международная космическая станция во время его строительства в Околоземная орбита в 2001 году. Его необходимо периодически повторно запускать, чтобы поддерживать свою орбиту
Основная статья: Орбитальный распад

Объект на орбите на высоте менее 200 км считается нестабильным из-за атмосферное сопротивление. Для того, чтобы спутник находился на стабильной орбите (т.е.устойчив в течение более нескольких месяцев), 350 км - более стандартная высота для низкая околоземная орбита. Например, 1 февраля 1958 г. Исследователь 1 спутник был выведен на орбиту с перигей 358 километров (222 миль).[3] Он оставался на орбите более 12 лет, прежде чем его вход в атмосферу над Тихим океаном 31 марта 1970 г.

Однако точное поведение объектов на орбите зависит от высота, их баллистический коэффициент, и детали космическая погода что может повлиять на высоту верхних слоев атмосферы.

Орбиты

Основная статья: Геоцентрическая орбита

Есть три основных "группы" орбита вокруг Земли: низкая околоземная орбита (ЛЕО), средняя околоземная орбита (MEO) и геостационарная орбита (ГЕО).

Из-за орбитальная механика, орбиты находятся в определенной, в значительной степени фиксированной плоскости вокруг Земли, которая совпадает с центром Земли и может быть наклонена по отношению к экватору. Земля вращается вокруг своей оси в пределах этой орбиты, и относительное движение космического корабля и движение поверхности Земли определяют положение, в котором космический корабль появляется в небе с земли, и какие части Земли видны с космического корабля.

Опустив вертикаль вниз к поверхности Земли, можно вычислить наземный путь это показывает, над какой частью Земли находится космический корабль, и это полезно для визуализации орбиты.

Орбитальный маневр

Основная статья: Орбитальный маневр
Космический шатл вперед двигатели управления реакцией

В космический полет, орбитальный маневр - это использование движение системы для изменения орбита из космический корабль. Для космических аппаратов, далеких от Земли, например, находящихся на орбитах вокруг Солнца, орбитальный маневр называется маневр в дальнем космосе (DSM).

Снижение с орбиты и повторный вход

Основная статья: Вход в атмосферу

Возвращающиеся космические корабли (включая все потенциально пилотируемые корабли) должны найти способ максимально замедлить движение, пока все еще находятся в более высоких слоях атмосферы, и избежать удара о землю (лито-торможение ) или сгорает. Для многих орбитальных космических полетов начальное замедление обеспечивается за счет переоборудование ракетных двигателей корабля, возмущая орбиту (понижая перигей вниз в атмосферу) на суборбитальную траекторию. Многие космические корабли в низкая околоземная орбита (например., наноспутники или космический корабль, у которого закончились станция содержания топлива или иным образом нефункциональны) решить проблему замедления с орбитальной скорости за счет использования атмосферного сопротивления (аэротормоз ) для обеспечения начального замедления. Во всех случаях, как только начальное замедление приводит к понижению перигея орбиты в мезосфера все космические аппараты теряют большую часть оставшейся скорости и, следовательно, кинетической энергии из-за атмосферного сопротивления аэротормоз.

Преднамеренное аэродинамическое торможение достигается за счет ориентации возвращающегося космического корабля таким образом, чтобы тепловые экраны были направлены вперед к атмосфере для защиты от высоких температур, создаваемых атмосферным сжатием и трением, вызванным прохождением через атмосферу при гиперзвуковой скорости. Тепловая энергия рассеивается в основном за счет сжатия и нагрева воздуха в ударной волне впереди транспортного средства с использованием тупой формы теплозащитного экрана с целью минимизации тепла, попадающего в транспортное средство.

Суборбитальные космические полеты, будучи с гораздо меньшей скоростью, не производят столько[требуется дальнейшее объяснение ] нагреваться при повторном входе.

Даже если орбитальные объекты расходные, большинство[количественно оценить ] космические власти[пример необходим ] стремятся к контролируемому возвращению, чтобы свести к минимуму опасность для жизни и имущества на планете.[нужна цитата ]

История

  • Спутник 1 был первым созданным человеком объектом, совершившим орбитальный космический полет. Он был спущен на воду 4 октября 1957 года Советским Союзом.
  • Восток 1, спущенный на воду Советским Союзом 12 апреля 1961 г., нес Юрий Гагарин, был первым успешным космическим полетом человека, достигшим околоземной орбиты.
  • Восток 6, спущенный на воду Советским Союзом 16 июня 1963 г. Валентина Терешкова, был первым успешным космическим полетом женщины, достигшей околоземной орбиты.
  • Crew Dragon Demo-2, запущенный SpaceX и США 30 мая 2020 года был первым успешным космическим полетом человека частной компании, достигшим околоземной орбиты.

Современные достижения в области орбитальных космических полетов

Орбитальные космические полеты сильно эволюционировали за эти годы, и МКС была одним из первых достижений. Более поздние достижения включают систему космического запуска НАСА (SLS), которая представляет собой новую ракету-носитель, которая в настоящее время находится в разработке, которая будет способна запускать людей в глубокий космос. Вывод человека за пределы земной орбиты - вот что отличает эту новую ракету-носитель от других.

В то время как Международная космическая станция вращается вокруг Земли, SLS доставит космический корабль Orion на Луну, где он выйдет на свою орбиту. Чтобы сбежать с земной орбиты и приблизиться к Луне, SLS будет двигаться на 7000 миль в час быстрее, чем МКС. [4]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Февраль 2020, Адам Манн 10. "В чем разница между орбитальным и суборбитальным космическим полетом?". Space.com. Получено 13 июля 2020.
  2. ^ Бельфиоре, Майкл (9 декабря 2013 г.). "Ракетчик". Внешняя политика. Получено 11 декабря 2013.
  3. ^ "Explorer 1 - NSSDC ID: 1958-001A". НАСА.
  4. ^ Июль 2020, Ли Мохон 10. "Обзор космической стартовой системы (SLS)?". NASA.gov. Получено 13 июля 2020.