Человечество всегда интересовалось космосом. Возможность космических путешествий и открытия далеких миров будоражила воображение. Как известно, ближайшее к Земле небесное тело – Луна. Поэтому, в начале освоения космоса, человечество стремилось именно туда. Вспомни, наверняка в детстве тебе хотелось стать космонавтом, и ты задавал себе вопрос: «Сколько времени займет полет до космоса?»
Сейчас интерес к космосу только усилился – везде новости о достижениях NASA, а высказывания Илона Маска о науке воспринимаются как пророчества о будущем.
12 апреля был совершен первый орбитальный полет советским космонавтом Юрием Гагариным. Под знаменитое «Поехали!» он впервые настолько приблизился к небесным телам.
Сегодня даже самые старые космические корабли могут доставить человека в космос довольно быстро. Но всем интересно, сколько же времени это займет.
Для начала нужно понять, что мы называем «космосом». Если речь идет о конце земной атмосферы, то это примерно 100 км вверх. Это место еще называют линией Кармана. Это означает, что ты прошел термосферу и теперь находишься в экзосфере. Для справки – МКС движется вокруг Земли на высоте около 435 км.
Где начинается космос?
Четкой границы между атмосферой и космосом нет. Обычно за границу считают мезосферу – это высота от 500 до 1000 км от Земли.
Время полета до космоса
Минимальное время – около 5 минут. Быстрее не получится, так как ускорение не должно превышать 9,8 м/с². Приборы могут не выдержать больших перегрузок. Среднее время полета ракеты составляет от 8 до 12 минут.
Продолжительность полета до орбитальной станции
До Международной космической станции можно добраться за 6 часов. Ранее это занимало 2 дня, в ближайшее время длительность полета сократится до 1,5 часов.
Сколько времени необходимо для полета до Луны?
Расстояние от Земли до Луны составляет 380-400 тыс. км. В среднем, путь к ней занимает 3-5 дней. Время в пути зависит от типа космического корабля и его скорости. Например, аппарат, движущийся со скоростью 58 тыс. км/ч, достиг Луны за 8 часов и 35 минут. Сейчас ведутся разработки мощных двигателей и различных моделей космических аппаратов, что в будущем позволит сократить время полета.
Какова величина первой космической скорости?
Речь идет о наименьшей скорости, необходимой для движения объекта по круговой орбите вокруг Земли – 7,9 км/с. Этого недостаточно, чтобы преодолеть гравитационное притяжение нашей планеты, поэтому существует и вторая космическая скорость.
Теперь ты знаешь – чтобы рассчитать время полета до космоса, нужно учитывать множество факторов, в частности, эффективность используемого топлива и конечное место назначения.
Почему «Союз» летел к МКС двое суток или увлекательная баллистика
Начиная с 2013 года, космические аппараты «Союз» совершают полеты на МКС по короткой шестичасовой траектории. Этот способ более удобен для экипажа, и переход на двухсуточную схему стыковки обычно свидетельствует о возникновении каких-либо проблем. Однако на этот раз никаких неисправностей не было, и для «Союза ТМА-18М» изначально планировалась именно двухсуточная схема. Почему так произошло?
Историческая справка
Два состыкованных космических аппарата «Союз»
За многие годы развития космонавтики СССР/Россия и США исследовали разнообразные алгоритмы стыковки с разной продолжительностью. Абсолютный рекорд по скорости стыковки принадлежит нам — весной 1968 года два беспилотных аппарата «Союз» с названиями «Космос-212» и «Космос-213» сумели состыковаться всего через 47 минут после запуска второго корабля. Пилотируемый рекорд также мог бы быть нашим, если бы Георгию Береговому на «Союзе-3» удалось состыковаться с беспилотным «Союзом-2» — он оказался на расстоянии 200 метров от цели менее чем через час после старта. Однако Береговому не повезло, и рекорд самой быстрой пилотируемой стыковки принадлежит Конраду и Гордону, которые состыковали «Джемини-11» с мишенью «Аджена» за 1 час 34 минуты. Что касается полетов к орбитальным станциям, до 2013 года рекорд принадлежал американцам — миссии к станции «Скайлэб» стыковались через 8 часов после запуска. В СССР же до 1986 года использовали суточную схему стыковки, а с началом работы станции «Мир» перешли на двухсуточную схему, которая была применена и на МКС.
Немного физики
Описать процесс сближения и стыковки словами просто. Необходимо всего лишь сформировать такую орбиту, чтобы оказаться рядом с целью, погасить относительную скорость, сблизиться и состыковаться. В действительности, конечно, этот процесс гораздо сложнее. У «Союза» не любая начальная орбита возможна, и топливо у него ограничено. В таких условиях ключевыми параметрами становятся фазовый угол и его допустимый диапазон.
Фазовый угол — это угол между космическим аппаратом и целью в плоскости орбиты.
Фазовый диапазон — это допустимые значения фазового угла, при которых стыковка возможна.
Для двухсуточного режима фазовый диапазон чрезвычайно велик — около 150°, а фазовый угол обычно находится в пределах 200-400°. Шестичасовой режим гораздо строже — необходимо удерживаться в фазовом угле 30±15°. Чтобы успеть состыковаться за шесть часов, баллистики прибегли к хитрости — сразу после выведения корабль получает данные для коррекции орбиты на основе расчетных параметров выведения (ведь в реальности ракета-носитель всегда слегка отклоняется). Затем, на втором витке, его орбиту анализируют на Земле и отправляют данные для двух коррекционных импульсов, которые исправляют ошибку выведения. Напомним, что один виток занимает примерно 90 минут, т.е. на все операции по стыковке есть всего четыре витка.
План маневров «Союза ТМА-16М». Начальные два импульса являются расчетными, а последующие два — корректирующими. Обратите внимание на активное движение — импульсы происходят приблизительно каждые полчаса
План маневров «Союза ТМА-18М».
Математик-жонглер
- Запуск к МКС с Байконура возможен один раз в сутки.
- МКС теряет высоту непредсказуемо — в зависимости от солнечной активности.
- МКС может быть вынуждена выполнить маневр уклонения от космического мусора в заранее неизвестный день.
- Необходимо, чтобы стыковка происходила на дневной стороне орбиты и в пределах видимости наземных пунктов управления на нашей территории.
- Параметры орбиты необходимо поддерживать совместимыми с последующими запусками и посадками, с горизонтом планирования примерно на год.
Солнечный фактор
Шестичасовая схема для «Союза ТМА-18М» стала невозможной по двум причинам. Во-первых, МКС пришлось уклоняться от космического мусора 26 июля. Во-вторых, подвела солнечная активность — она оказалась намного ниже прогнозируемой, что сделало околоземное пространство более «чистым» от молекул атмосферы, и МКС снижалась медленнее расчетных значений. Возможность сдвинуть запуск на один день была использована еще в июне из-за аналогичного уклонения от мусора и низкой солнечной активности, что сделало дату старта 1 сентября непригодной. Весь август сохранялась некоторая интрига — несмотря на отказ от одной коррекции орбиты, фазовый угол подходил к критическому значению. Не повезло — в итоге он превысил допустимое значение, и не осталось других вариантов, кроме двухсуточной схемы.
Теоретически можно было бы попробовать затормозить МКС, однако это чрезвычайно затратное решение. Чтобы использовать двигатели «Прогресса», пристыкованного к модулю «Звезда», необходимо было бы дважды разворачивать четырехсоттонную станцию на 180°. Это бы привело к значительным затратам топлива. Существует также интересная альтернатива — ЦУП Москвы мог бы попросить ЦУП Хьюстона установить панели солнечных батарей МКС перпендикулярно направлению полета, чтобы они улавливали максимум молекул атмосферы и замедляли станцию. Но это решение тоже не всегда осуществимо, так как солнечные батареи должны обеспечивать станцию энергией и не могут произвольно менять свое положение.
Нет предела совершенству
Интересно, но шестичасовая схема не является пределом. Когда «Союзы» и «Прогрессы» перейдут на «Союз-2.1а», новый цифровой носитель с более высокой точностью выведения позволит исключить два импульса коррекции и сократить полет к МКС на один виток или полтора часа. По заверениям баллистиков, фазовый диапазон уменьшится незначительно, до 25-28°. Теоретически, при изменении алгоритма сближения с МКС, время полета можно будет сократить еще больше, и даже стыковка за один виток в будущем не кажется абсолютно невозможной.
- Материалы форума журнала «Новости космонавтики».
- Интервью начальника отдела баллистики РКК «Энергия» Рафаила Муртазина.
Ощутить хитрости орбитальной баллистики можно в бесплатном симуляторе Orbiter, попробуйте совершить полет к МКС на «Союзе».
По тегу «незаметные сложности» — ракеты, двигатели, стартовые сооружения, орбиты и т.д.