Суборбитальный космический полет

Суборбитальный космический полет является космическим полетом , в котором космический корабль достигает космическое пространство , но его траектория пересекает атмосфера или поверхность тяготеющего тела , из которого он был запущен, так что она не будет завершена одна орбитальная революция (она не стала искусственной спутник ) или достичь космической скорости .

Например, путь объекта, запущенного с Земли, который достигает линии Кармана (на высоте 100 км (62 миль) над уровнем моря ), а затем падает обратно на Землю, считается суборбитальным космическим полетом. Были предприняты некоторые суборбитальные полеты для испытаний космических аппаратов и ракет-носителей, которые впоследствии были предназначены для орбитальных космических полетов . Другие аппараты специально предназначены только для суборбитальных полетов; Примеры включают экипажи транспортных средств, таких как X-15 и SpaceShipOne , и беспилотные, такие как межконтинентальные баллистические ракеты и зондирующие ракеты .

Полеты, которые развивают скорость, достаточную для выхода на низкую околоземную орбиту , а затем сходят с орбиты до завершения своей первой полной орбиты, не считаются суборбитальными. Примеры этого включают " Восток-1 " Юрия Гагарина и полеты системы дробно-орбитальной бомбардировки .

Полет, который не достигает космоса, еще иногда называют суборбитальным , но не «суборбитальным космическим полетом». Обычно используется ракета, но экспериментальные суборбитальные космические полеты также осуществлялись с помощью космической пушки . ^[1]

Требуемая высота [ править ]

Согласно одному определению суборбитальный космический полет достигает высоты более 100 км (62 мили) над уровнем моря . Эта высота, известная как линия Кармана, была выбрана Международной авиационной федерацией, потому что это примерно точка, в которой транспортное средство, летящее достаточно быстро, чтобы поддерживать себя за счет аэродинамической подъемной силы из атмосферы Земли, будет лететь быстрее, чем орбитальная скорость . ^[2] Военные США и НАСА награждают астронавтов крыльями тем, кто пролетает более 50 миль (80 км), ^[3] хотя Государственный департамент СШАпохоже, не поддерживает четкую границу между полетом в атмосфере и космическим полетом . ^[4]

Орбита [ править ]

Во время свободного падения траектория является частью эллиптической орбиты, заданной уравнением орбиты . Расстояние в перигее меньше, чем радиус Земли R, включая атмосферу, следовательно, эллипс пересекает Землю, и, следовательно, космический аппарат не сможет завершить орбиту. Большая ось вертикальна, большая полуось a больше R / 2. Удельная энергия орбитали определяется по формуле:${\ displaystyle \ epsilon}$

${\displaystyle \varepsilon =-{\mu \over {2a}}>-{\mu \over {R}}\,\!}$

где - стандартный гравитационный параметр .${\displaystyle \mu \,\!}$

Почти всегда a < R , что соответствует минимуму для полной орбиты, который равен${\displaystyle \epsilon }$${\displaystyle -{\mu \over {2R}}\,\!}$

Таким образом, чистая дополнительная удельная энергия, необходимая по сравнению с простым поднятием космического корабля в космос, составляет от 0 до .${\displaystyle \mu \over {2R}\,\!}$

Скорость, дальность и высота [ править ]

Чтобы минимизировать требуемую дельта-v ( астродинамическая мера, которая сильно определяет необходимое количество топлива ), высотная часть полета выполняется без ракет (это технически называется свободным падением даже для восходящей части траектории). . (Сравните с эффектом Оберта .) Максимальная скорость полета достигается на минимальной высоте этой траектории свободного падения как в начале, так и в конце ее.

Если цель - просто «достичь космоса», например, в борьбе за приз Ansari X Prize , горизонтальное движение не требуется. В этом случае наименьшая требуемая дельта-v для достижения высоты 100 км составляет около 1,4  км / с . Если двигаться медленнее, с меньшим свободным падением, потребуется больше дельта-v.

Сравните это с орбитальными космическими полетами: для низкой околоземной орбиты (НОО) с высотой около 300 км требуется скорость около 7,7 км / с, а дельта-v - около 9,2 км / с. (Если бы не было сопротивления атмосферы, теоретический минимум дельта-v составлял бы 8,1 км / с для вывода аппарата на орбиту высотой 300 км, начиная с такой стационарной точки, как Южный полюс. Теоретический минимум может составлять до 0,46 км / с. меньше при запуске на восток от экватора.)

Для суборбитальных космических полетов, охватывающих горизонтальное расстояние, максимальная скорость и требуемая дельта-v находятся между значениями вертикального полета и НОО. Максимальная скорость на нижних концах траектории теперь состоит из горизонтальной и вертикальной составляющих. Чем больше пройденное расстояние по горизонтали , тем выше будет горизонтальная скорость. (Вертикальная скорость будет увеличиваться с увеличением расстояния на короткие расстояния, но будет уменьшаться с увеличением расстояния на больших расстояниях.) Для ракеты Фау-2 , которая только что достигла космоса, но с дальностью около 330 км, максимальная скорость составляла 1,6 км / с. Масштабированные композиты SpaceShipTwo который находится в стадии разработки, будет иметь аналогичную орбиту свободного падения, но заявленная максимальная скорость составляет 1,1 км / с (возможно, из-за остановки двигателя на большей высоте).

Для больших диапазонов из-за эллиптической орбиты максимальная высота может быть намного больше, чем для НОО. При межконтинентальном полете на 10 000 км, таком как полет межконтинентальной баллистической ракеты или возможный будущий коммерческий космический полет , максимальная скорость составляет около 7 км / с, а максимальная высота может быть более 1300 км. Любой космический полет , возвращающийся на поверхность, в том числе суборбитальный, подвергнется повторному входу в атмосферу . Скорость в начале входа в атмосферу - это в основном максимальная скорость полета. Аэродинамический нагрев причины будет меняться соответственно: это намного меньше , для полета с максимальной скоростью всего 1 км / с , чем на один со скоростью до 7 или 8 км / с.

Минимальная дельта-v и соответствующая максимальная высота для заданного диапазона могут быть рассчитаны, d , принимая сферическую Землю с окружностью 40 000 км и пренебрегая вращением Земли и атмосферой. Пусть θ будет половиной угла, под которым снаряд должен облететь Землю, поэтому в градусах он равен 45 ° × d / 10 000 км. Траектория с минимальной дельта-v соответствует эллипсу с одним фокусом в центре Земли, а другой - в точке на полпути между точкой запуска и точкой назначения (где-то внутри Земли). (Это орбита, которая минимизирует большую полуось, которая равна сумме расстояний от точки на орбите до двух фокусов. Минимизация большой полуоси минимизирует удельную орбитальную энергиюи, таким образом, дельта-v, которая представляет собой скорость запуска.) Геометрические аргументы приводят к следующему (где R - радиус Земли, около 6370 км):

${\displaystyle {\text{major axis}}=(1+\sin \theta )R}$

${\displaystyle {\text{minor axis}}=R{\sqrt {2(\sin \theta +\sin ^{2}\theta )}}={\sqrt {(R\sin \theta ){\text{semi-major axis}}}}}$

${\displaystyle {\text{distance of apogee from centre of earth}}=(1+\sin \theta +\cos \theta )R/2}$

${\displaystyle {\text{altitude of apogee above surface}}=\left({\frac {\sin \theta }{2}}-\sin ^{2}{\frac {\theta }{2}}\right)R=\left({\frac {\sin(\theta +\pi /4)}{\sqrt {2}}}-{\frac {1}{2}}\right)R}$

Обратите внимание, что высота апогея максимальна (около 1320 км) для траектории, проходящей на четверть пути вокруг Земли (10 000 км). Более длинные диапазоны будут иметь более низкие апогеи в решении с минимальным дельта-v.

${\displaystyle {\text{specific kinetic energy at launch}}={\frac {\mu }{R}}-{\frac {\mu }{\text{major axis}}}={\frac {\mu }{R}}{\frac {\sin \theta }{1+\sin \theta }}}$

${\displaystyle \Delta v={\text{speed at launch}}={\sqrt {2{\frac {\mu }{R}}{\frac {\sin \theta }{1+\sin \theta }}}}={\sqrt {2gR{\frac {\sin \theta }{1+\sin \theta }}}}}$

(где g - ускорение свободного падения у поверхности Земли). Δv увеличивается с увеличением дальности, выравниваясь на уровне 7,9 км / с, когда дальность приближается к 20 000 км (на полпути вокруг земного шара). Траектория с минимальным дельта-v для обхода половины земного шара соответствует круговой орбите прямо над поверхностью (конечно, в действительности она должна быть над атмосферой). См. Ниже время полета.

Межконтинентальная баллистическая ракета определяются как ракета , которая может поразить цель , по крайней мере 5500 км, и в соответствии с приведенной выше формулой это требует начальной скорости 6,1 км / с. Увеличение скорости до 7,9 км / с для достижения любой точки на Земле требует значительно большей ракеты, потому что количество необходимого топлива растет экспоненциально с дельта-v (см. Уравнение ракеты ).

Начальное направление траектории с минимальной дельта-v указывает на полпути между прямым вверх и прямо к точке назначения (которая находится ниже горизонта). Опять же, это тот случай, если не учитывать вращение Земли. Это не совсем верно для вращающейся планеты, если только запуск не происходит с полюса. ^[5]

Продолжительность полета [ править ]

При вертикальном полете на не слишком больших высотах время свободного падения как для восходящей, так и для нисходящей части составляет максимальную скорость, деленную на ускорение свободного падения , поэтому при максимальной скорости 1 км / с вместе 3 минуты. и 20 секунд. Продолжительность фаз полета до и после свободного падения может варьироваться.

Для межконтинентального полета фаза разгона занимает от 3 до 5 минут, а свободное падение (фаза полета ) - около 25 минут. Для межконтинентальной баллистической ракеты фаза входа в атмосферу занимает около 2 минут; это будет дольше для любой мягкой посадки, например, для возможного будущего коммерческого рейса.

Суборбитальные полеты могут длиться от нескольких секунд до нескольких дней. «Пионер-1» был первым космическим зондом НАСА , предназначенным для достижения Луны . Частичный отказ заставил его вместо этого следовать по суборбитальной траектории, повторно войдя в атмосферу Земли через 43 часа после запуска.

Чтобы вычислить время полета для траектории с минимальной дельта-v, согласно третьему закону Кеплера , период для всей орбиты (если она не проходит через Землю) будет:

${\displaystyle {\text{period}}=({\text{semi-major axis}}/R)^{3/2}\times {\text{period of low earth orbit}}=\left({\frac {1+\sin \theta }{2}}\right)^{3/2}2\pi {\sqrt {R/g}}}$

Используя второй закон Кеплера , мы умножаем это на часть площади эллипса, проходящую по линии от центра Земли до снаряда:

${\displaystyle {\text{area fraction}}={\frac {\arcsin {\sqrt {\frac {2\sin \theta }{1+\sin \theta }}}}{\pi }}+{\frac {2\cos \theta \sin \theta }{\pi {\text{(major axis)(minor axis)}}}}}$

${\displaystyle {\begin{aligned}{\text{time of flight}}&=\left(\left({\frac {1+\sin \theta }{2}}\right)^{3/2}\arcsin {\sqrt {\frac {2\sin \theta }{1+\sin \theta }}}+{\frac {1}{2}}\cos \theta {\sqrt {\sin \theta }}\right)2{\sqrt {\frac {R}{g}}}\\&=\left(\left({\frac {1+\sin \theta }{2}}\right)^{3/2}\arccos {\frac {\cos \theta }{1+\sin \theta }}+{\frac {1}{2}}\cos \theta {\sqrt {\sin \theta }}\right)2{\sqrt {\frac {R}{g}}}\\\end{aligned}}}$

Это дает около 32 минут на четверть оборота Земли и 42 минуты на облет половину пути. Для коротких расстояний, это выражение асимптотическое к .${\displaystyle {\sqrt {2d/g}}}$

В форме, включающей арккозин, производная времени пролета по d (или θ) стремится к нулю, когда d приближается к 20 000 км (на полпути вокруг света). Производная от Δv здесь также обращается в нуль. Таким образом, если d = 19 000 км, длина траектории минимальной дельта-v будет около 19 500 км, но это займет всего на несколько секунд меньше времени, чем траектория для d = 20 000 км (для которой траектория равна 20000 км).

Профили полетов [ править ]

Хотя существует множество возможных профилей суборбитальных полетов, ожидается, что некоторые из них будут более распространены, чем другие.

Баллистические ракеты [ править ]

Первыми суборбитальными аппаратами, достигшими космоса, были баллистические ракеты . Самой первой баллистической ракетой, достигшей космоса, была немецкая Фау-2 , работа ученых из Пенемюнде 3 октября 1942 года, которая достигла высоты 60 миль (97 км). ^[6] Затем, в конце 1940-х годов США и СССР одновременно разработали ракеты, все из которых были основаны на ракете Фау-2, а затем на межконтинентальных баллистических ракетах гораздо большей дальности (МБР). Есть в настоящее время многие страны , которые обладают МБР и еще с меньшей дальностью БРПД (Intermediate Range баллистические ракеты).

Туристические рейсы [ править ]

Суборбитальные туристические полеты первоначально будут сосредоточены на достижении высоты, необходимой для достижения космического полета. Траектория полета, вероятно, будет либо вертикальной, либо очень крутой, при этом космический корабль вернется на место взлета.

Космический корабль, вероятно, выключит свои двигатели задолго до достижения максимальной высоты, а затем по инерции достигнет своей наивысшей точки. В течение нескольких минут, с момента выключения двигателей до момента, когда атмосфера начинает замедлять нисходящее ускорение, пассажиры будут испытывать невесомость .

Мегарок был запланирован для суборбитального космического полета Британским межпланетным обществом в 1940-х годах. ^{[7] [8]}

Осенью 1945 года группой М. Тихонравова К. и Н. Г. Чернышева на НИИ-4 ракетно-артиллерийской техники Академии наук по собственной инициативе был разработан проект первой стратосферной ракеты ВР-190 для вертикального полета двух летчиков на высоту 200 км на базе трофейной немецкой баллистической ракеты Фау-2 . ^[9]

В 2004 году ряд компаний работали над автомобилями этого класса в качестве участников конкурса Ansari X Prize. Scaled Composites SpaceShipOne был официально объявлен Рик Searfoss , который выиграл конкурс на 4 октября 2004 года после завершения двух рейсов в течение двухнедельного периода.

В 2005 году сэр Ричард Брэнсон из Virgin Group объявил о создании Virgin Galactic и своих планах по созданию 9-местного корабля SpaceShipTwo под названием VSS Enterprise . С тех пор он был укомплектован восемью местами (один пилот, один второй пилот и шесть пассажиров) и принял участие в испытаниях на переносные перевозки, а также в первом базовом корабле WhiteKnightTwo или VMS Eve . Он также имеет одиночные планеры с подвижным хвостовым оперением как в фиксированной, так и в "оперенной" конфигурации. Гибридный ракетный двигатель был уволен несколько раз в наземных испытательных стендах, и был уволен в полете с работающим двигателем во второй раз на 5 сентября 2013 года ^[10]Были заказаны четыре дополнительных корабля SpaceShipTwos, которые будут работать с нового космодрома Америка . Коммерческие рейсы с пассажирами ожидались в 2014 году, но были отменены из-за аварии во время полета SS2 PF04 . Брэнсон заявил: «[мы] собираемся извлечь уроки из того, что пошло не так, узнаем, как мы можем повысить безопасность и производительность, а затем вместе двигаться вперед». ^[11]

Научные эксперименты [ править ]

Сегодня в основном суборбитальные аппараты используются в качестве ракет для научных исследований . Научные суборбитальные полеты начались в 1920-х годах, когда Роберт Х. Годдард запустил первые ракеты на жидком топливе , но они не достигли космической высоты. В конце 1940-х трофейные немецкие баллистические ракеты Фау-2 были преобразованы в зондирующие ракеты Фау-2, которые заложили основу для современных зондирующих ракет. ^[12] Сегодня на рынке представлены десятки ракет с различным звуком от различных поставщиков из разных стран. Обычно исследователи хотят проводить эксперименты в условиях микрогравитации или над атмосферой.

Суборбитальный транспорт [ править ]

Исследования, подобные тому, что было сделано для проекта X-20 Dyna-Soar, показывают, что полубаллистический суборбитальный полет может добраться из Европы в Северную Америку менее чем за час.

Однако размер ракеты относительно полезной нагрузки, необходимой для этого, аналогичен межконтинентальной баллистической ракете. МБР имеют дельта-v несколько меньше орбитальной; и поэтому будет несколько дешевле, чем затраты на достижение орбиты, но разница не велика. ^[13]

Таким образом , из - за высокой стоимости, это, вероятно, будет изначально ограничена высокой ценностью, очень высокой срочности грузов , таких как курьера рейсы, или в качестве конечной бизнес струи ; или, возможно, как экстремальный вид спорта , или для быстрого реагирования военного . ^{[ мнение ]}

SpaceLiner является гиперзвуковой суборбитальный космоплан понятие , которое может перевозить 50 пассажиров из Австралии в Европу в 90 минут или 100 пассажиров из Европы в Калифорнию в 60 минут. ^[14] Основная задача заключается в повышении надежности различных компонентов, в частности двигателей, чтобы их можно было использовать для ежедневного использования в пассажирских перевозках.

SpaceX потенциально рассматривает возможность использования своего звездолета в качестве суборбитального двухточечного транспорта. ^[15]

Известные суборбитальные космические полеты без экипажа [ править ]

• Первый суборбитальный космический полет состоялся в июне 1944 года, когда испытательная ракета Фау-2, запущенная из Пенемюнде в Германии, достигла высоты 189 километров. ^[16]
• Бампер 5, двухступенчатая ракета, запущенная с полигона Белые пески . 24 февраля 1949 года разгонный блок достиг высоты 248 миль (399 км) и скорости 7,553 фута в секунду (2302 м / с; 6,8 Маха). ^[17]
• СССР - Энергия , 1987 г., полезная нагрузка " Полюс" не вышла на орбиту; это был самый массивный объект, запущенный в суборбитальный космический полет на сегодняшний день

Суборбитальные космические полеты с экипажем [ править ]

На высоте более 100 км (62,14 мили).

	Дата (GMT)	Миссия	Экипаж	Страна	Замечания
1	1961-05-05	Меркурий-Редстоун 3	Алан Шепард	Соединенные Штаты	Первый суборбитальный космический полет с экипажем, первый полет американца в космос
2	1961-07-21	Меркурий-Редстоун 4	Вирджил Гриссом	Соединенные Штаты	Второй суборбитальный космический полет с экипажем, второй американец в космосе
3	1963-07-19	X-15 Рейс 90	Джозеф А. Уокер	Соединенные Штаты	Первый крылатый корабль в космосе
4	1963-08-22	X-15, рейс 91	Джозеф А. Уокер	Соединенные Штаты	Первый человек и космический корабль совершат два полета в космос
5	1975-04-05	Союз 18а	Василий Лазарев Олег Макаров	Советский союз	Неудачный орбитальный запуск. Прервано после сбоя во время разделения ступеней
6	2004-06-21	SpaceShipOne flight 15P	Майк Мелвилл	Соединенные Штаты	Первый коммерческий космический полет
7	2004-09-29	SpaceShipOne flight 16P	Майк Мелвилл	Соединенные Штаты	Первый из двух полетов для выигрыша Ansari X-Prize
8	2004-10-04	SpaceShipOne flight 17P	Брайан Бинни	Соединенные Штаты	Второй полет X-Prize, решающая награда

Будущее суборбитальных космических полетов с экипажем [ править ]

Частные компании, такие как Virgin Galactic , Armadillo Aerospace (переименованная в Exos Aerospace), Airbus , ^[18] Blue Origin и Masten Space Systems, проявляют интерес к суборбитальным космическим полетам, отчасти благодаря таким предприятиям, как Ansari X Prize. НАСА и другие организации экспериментируют с гиперзвуковыми самолетами на основе ГПВРД, которые вполне могут использоваться с профилями полета, которые квалифицируются как суборбитальный космический полет. Некоммерческие организации, такие как ARCASPACE и Copenhagen Suborbitals, также пытаются запускать ракеты .

См. Также [ править ]

• Канадская стрела
• КОРОНА
• ДХ-1 (ракета)
• Межорбитальные системы
• Земля гигантов
• Список стартовых позиций ракет
• Лунный посадочный модуль
• Макдоннелл Дуглас DC-X
• Управление коммерческого космического транспорта
• Программа NASA Project Morpheus продолжит разработку лендингов ALHAT и Q
• Quad (ракета)
• Программа испытаний многоразовых транспортных средств от JAXA
• Ракетоплан XP
• Космодром
• Программа разработки многоразовой системы запуска SpaceX
• Сверхзвуковой транспорт
• XCOR Lynx

Ссылки [ править ]