К баллистическому будущему: что такое суборбитальные траектории и как по ним будут летать космические аппараты

20:46 15/01/2021
Комментарии 0 👁 479

Траектория движения современных космических аппаратов строится с учетом самых разных соображений, в число которых входит и комфортабельность полета. По мере увеличения количества людей на борту этот фактор становится для конструкторов не менее важным, чем энергетические и экономические параметры кораблей.

20 декабря 2019 года состоялся запуск американского космического корабля CST-100 Starliner (Сrew Space Transportation) разработки Boeing. Первый полет вышел нештатным, но не аварийным. Спустя двое суток аппарат успешно приземлился на полигоне Уайт-Сэндс. Ничего особенного, пуск как пуск.

По методу шаттла

Однако в баллистике этого и дальнейших запусков «Старлайнера» есть особенность. Ракета выводит его не на космическую орбиту, а на суборбитальную траекторию. Формирует такую траекторию вторая ступень – кислородно-водородный дедушка «Центавр», реальный космический паровоз, движимый силой водяного пара. Целевая орбита, на которую он доставляет Starliner, при космическом апогее высотой 188 км получает перигей высотой 73 км. Это атмосфера. Если «Старлайнер» пройдет такой перигей, он упадет. Поэтому после отделения от «Центавра» на суборбитальной траектории корабль доразгоняется для выхода на орбиту 40-секундным включением собственных двигателей.

Эта схема баллистически повторяет выведение Space Shuttle, запускавшегося твердотопливными ускорителями и своими главными двигателями на суборбитальную кривую. Там шаттл сбрасывал топливный бак, летевший по этой траектории вплоть до входа в атмосферу, и переходил на космическую орбиту с помощью двигателей орбитального маневрирования.

Starliner копирует баллистику шаттла до момента включения своих двигателей через 30 минут после старта. А отработавший «Центавр» валится в океан по суборбитальной траектории, которую он сформировал себе и кораблю.

Путь внутрь Земли

Зачем «Старлайнеру» эти фокусы с суборбитальной траекторией? Такие траектории бывают разных форм, но у всех единая баллистическая основа – эллипс орбитального обращения тела вокруг центра масс Земли. И по уравнению движения, и по своей сути. Эти эллипсы частично проходят под поверхностью планеты, пересекая ее в точках, которые при движении тела по такой орбите становятся точками входа (падения) и выхода (старта). Часть орбиты над поверхностью Земли называется суборбитальной траекторией. Тело на ней не должно делать полного реального витка.

В остальном суборбитальные траектории заметно различаются. Так, боеголовки межконтинентальных ракет большой дальности поднимаются на сотни километров за атмосферу, но, имея подземный перигей, входят в плотные слои с приличным углом наклона – 10–20 градусов к горизонту. На какую глубину опустится в Землю перигей и где именно, вопрос расчета таких траекторий.

Вторая ступень принимает от первой эллиптическое движение с перигеем глубоко в мантии планеты. Ее задача – вывести перигей на поверхность и дальше в космос, на нужную высоту. По запланированному уровню подъема легко оценить требуемую энергию, работу ступени, количество топлива, время полета на главной тяге и другие параметры. Вторая ступень «раздувает» вокруг Земли суборбитальную траекторию, полученную от первой, поднимая перигей из глубин. Высота, на которой следует прекратить подъем, определяется командой на выключение двигателя.

Специалисты по динамике полета выбрали высоту 73 км. Но если перигей нужен в плотных слоях, почему не оставить его в нижней стратосфере, на высоте 15–20 км? И почему сразу не вывести его за пределы атмосферы, получив полностью космическую орбиту?

Какие будут версии?

Для начала можно предположить, что высота перигея позволяет снизить запас топлива в корабле. Чем выше перигей, тем меньшая скорость нужна, чтобы поднять его в космос до заданной высоты. Но зачем тогда перигей в атмосфере? Возможны технические резоны – например, исключить выход на аварийные космические орбиты с недопустимо долгим пребыванием на них (что плохо и для экипажа, и для батарей). Если это не орбита, при аварийном отделении корабль войдет в плотные слои, причем его возвращение будет вполне штатным. А значит, при некоторых отказах суборбитальная траектория автоматически обеспечит нормальную посадку.

Как вторая ступень, задавшая атмосферный перигей на 73 км, будет подходить к нему в реальности? При невысоком апогее, 188 км, обе точки в масштабах планеты малозаметны. В них орбита практически совпадает по кривизне с самой Землей. Траектория в тысячекилометровой окрестности перигея почти горизонтальна; углы ее наклона – порядка градуса, да и то на краях зоны, где они всегда больше. Ступень, очень полого снижаясь, будет долго тормозиться самыми верхами атмосферы, при этом не накапливая энергию снижения, стремящегося к нулю в окрестности перигея. Постепенно нарастающая аэродинамика суммирует торможение аппарата. В итоге ступень и посадочный аппарат настолько потеряют скорость, что не дойдут до перигея сотни километров.

Слишком растянутое торможение дает большее рассеивание точек приземления. Зачем задавать настолько долгий горизонтальный участок? С перигеем в 1000 км под землей наклон будет больше, торможение интенсивнее и короче, а разброс точек падения меньше.

С заботой о людях

Смысл суборбитальной траектории выведения пилотируемого корабля заключается в снижении перегрузки при аварийном входе в атмосферу. Это важно для шести человек на борту. Небольшую перегрузку, превышающую нашу привычную всего в два раза, легко перенесут люди любого возраста и состояния здоровья – такая возникает, например, на американских горках и не наносит вреда катающимся. При сегодняшних аварийных пусках баллистический вход гораздо жестче, перегрузка достигает 6–8 g. Это вполне обычные летные условия, но только для тренированных пилотов.

Случались перегрузки и намного сильнее. Так, при падении «Союза-18/1» 5 апреля 1975 года Василий Лазарев и Олег Макаров испытали на себе более 21 g. Верхняя точка аварийной траектории пришлась на высоту 192 км, откуда корабль устремился в атмосферу. Вертикальная составляющая скорости оказалась большой и наклонила угол входа вниз. Сближение с нижними слоями было стремительным. Накопленная энергия падения, даже расходуясь на сопротивление воздуха, легко поддерживала высокую скорость до самых плотных слоев, в которых аэродинамическое сопротивление выросло в десятки раз. В результате сочетания «высокая скорость – плотные слои» торможение вышло очень сильным, от возникших перегрузок даже тренированный экипаж едва не погиб.

Чтобы не допустить такой интенсивности входа при аварии, вторая ступень растягивает путь воздушного торможения полезной нагрузки, проводя в районе перигея траекторию почти (а в перигее точно) горизонтально по самым верхним слоям атмосферы. Опустить перигей в атмосферу на такую глубину, чтобы перегрузки не превышали пары единиц, несложная вычислительная задача. Корабль в сценариях аварийного отделения от ступени движется по подобной траектории.

Даже если ступень отработала нормально, на корабле могут возникнуть критические отказы при довыведении на орбиту. Это опасная ситуация, а значит, его необходимо быстро посадить на Землю.
Здесь тоже пригодится аварийная траектория с сильно растянутыми во времени и потому ослабленными перегрузками.

На пороге эпохи

В каком-то смысле все описанное – шаг к будущей пассажирской баллистике. Допустим, Илон Маск – или не Маск, а кто-то еще – создаст аппарат, перевозящий сразу сотню пассажиров. В этом случае понадобится обеспечить людям максимальный комфорт.

К пассажирской баллистике примкнет военная десантная. Большой суборбитальный автобус, стоит только ему появиться, будет нужен всем. К его использованию начнут предъявляться определенные требования. Возможно, боевая десантная баллистика станет, подобно авиации, развиваться из военно-транспортной суборбитальной баллистики, вначале непилотируемой.

Суборбитальная ракета пригодится, например, для доставки груза с флоридского мыса Канаверал в Афганистан, на американскую военную базу в Баграме (ортодромная дальность около 14 170 км). Основному американскому военно-транспортному самолету Boeing C-17 Globemaster III для доставки типовых 80 т сейчас нужно более 15 часов полета. К тому же суборбитальный путь не требует разрешений на пролет через национальные воздушные пространства, выделения воздушных коридоров и обхода грозовых фронтов. Первые испытания по проекту запланированы на следующий год.

Прогнозируя рост числа полетов новой космической техники, стоит помнить, что аварийные запуски будут всегда, их не избежать. Баллистические суборбитальные средства – это сложные технические устройства и комплексы, и отказы в них вполне вероятны. Но люди на борту не должны испытать значимых перегрузок. Именно в этом направлении сейчас и развивается мысль.

Дорогие друзья! Желаете всегда быть в курсе последних событий во Вселенной? Подпишитесь на рассылку оповещений о новых статьях, нажав на кнопку с колокольчиком в правом нижнем углу экрана ➤ ➤ ➤

Источник

Добавить комментарий