Ruimtetunnels en ijzer op het hoofd of waarom hebben we de Vostochny-kosmodrome nodig

2024 Auteur: Seth Attwood | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2023-12-16 16:13

Onlangs werd ik gevraagd om de infographic van RIA Novosti te raadplegen, gewijd aan de eerste lancering vanaf de Vostochny-cosmodrome. En er zal één grote vereenvoudiging zijn vanwege de beperkingen van het formaat van het materiaal. In feite hebben we de Vostochny-cosmodroom niet nodig, omdat de meeste civiele lanceringen plaatsvinden vanaf de Baikonoer-cosmodroom.

Maar om uit te leggen waarom we het nodig hebben, zullen we moeten vertellen waarom de baan van een ruimtevaartuig kan worden vergeleken met een tunnel, en ook moeten uitleggen wat voor "ijzer" uit de lucht valt en op wie het valt.

Tunnel in de lucht

De fysica van orbitale beweging is volledig contra-intuïtief. Het is eerder het tegenovergestelde van wat een gewoon persoon zich voorstelt. En zelfs goede films, schijnbaar strevend naar realisme, geven een totaal verkeerd beeld van hoe satellieten en ruimteschepen vliegen. Herinner je je 'Gravity' nog, dat op beroemde wijze van de Hubble naar het ISS vloog en vervolgens naar het Chinese station? Zelfs als we het verschil in orbitale hoogten buiten beschouwing laten, doodt één parameter van de orbitale beweging zelfs de geringste kans op dergelijke vluchten. Deze parameter wordt "orbitale helling" genoemd.

baan hellingis de hoek tussen het vlak van de baan van de satelliet en het vlak van de evenaar (voor een aardsatelliet)

Voor het geval van "Gravity" ziet de afbeelding er bijvoorbeeld als volgt uit:

En het feit dat de banen van de banen helemaal niet samenvallen, is geen probleem. Het echte probleem is dat voor een lage cirkelvormige baan (en de Hubble, ISS, Tiangong en de massa van andere satellieten hebben een lage cirkelbaan), de verandering in helling erg duur is. Om de baan met 45° te "roteren", zullen we onze snelheid met ongeveer 8 km / s moeten veranderen, evenveel als we nodig hadden om de baan in te gaan. En het veranderen van de snelheid is een verspilling van brandstof en het resetten van trappen. Dat wil zeggen, als een raket met een massa van 300 ton 7 ton in een baan om de aarde brengt, dan blijft er na een hellingsverandering van 45 ° slechts 150 kilogram over. In feite vliegt elke orbiter in een onzichtbare tunnel, waarvan de diameter afhangt van het vermogen om zijn snelheid te veranderen. Daarom proberen ze bij het lanceren van satellieten ze onmiddellijk naar de gewenste helling te brengen.

gebaande wegen

Welke hellingshoek wordt gebruikt voor bestaande orbiters? Er zijn nu veel satellieten in de baan van de aarde:

Als je goed kijkt, kun je zien dat er in sommige banen meer satellieten zijn. Hier is een afbeelding die de beweging van satellieten ten opzichte van de aarde laat zien:

geostationaire baan (groente). Het is een cirkelvormige baan met een hoogte van 36.000 km en een helling van 0°. De satelliet erop bevindt zich boven één punt op het aardoppervlak, daarom wordt in de afbeelding de juiste geostationaire baan aangegeven door een groene stip. Groene lussen zijn defecte satellieten of geen brandstof. De geostationaire baan staat onder de verontrustende invloed van de maan en je moet brandstof verbruiken om op zijn plaats te blijven. Deze baan wordt bewoond door telecommunicatiesatellieten, die winstgevend zijn, dus het is al moeilijk om er lege plekken op te vinden.

GLONAS / GPS-banen (blauw en rood). Deze banen hebben een hoogte van ongeveer 20.000 kilometer en een helling van ongeveer 60 °. Zoals de naam al aangeeft, dragen ze navigatiesatellieten.

Polaire banen (geel). Deze banen hebben een helling van ongeveer 90 ° en de hoogte is meestal niet meer dan 1000 km. In dit geval zal de satelliet elke omwenteling over de polen vliegen en het hele grondgebied van de aarde zien. Een aparte ondersoort van dergelijke banen zijn zonsynchrone banen met een hoogte van 600-800 km en een helling van 98°, waarin satellieten op ongeveer dezelfde lokale tijd over verschillende delen van de aarde vliegen. In deze banen is vraag naar meteorologische, karterings- en verkenningssatellieten.

Bovendien moet de ISS-baan met een hoogte van 450 km en een helling van 51,6 ° worden opgemerkt.

Harteloze aardrijkskunde

Nou, nou, we hebben de stemmingen ontdekt, zal de lezer zeggen. En waar komt de kosmodrome? Het feit is dat er zo'n onaangename fysieke wet is:

De aanvankelijke helling van de baan kan niet kleiner zijn dan de breedtegraad van de cosmodroom

Waarom is dat? Alles wordt duidelijker als we de baan van de satelliet op de kaart van de aarde tekenen:

Als we, beginnend vanuit Baikonoer, naar het oosten beginnen te versnellen, krijgen we een baan met een helling van de Baikonoer-breedtegraad, 45 ° (rood). Als we naar het noordoosten beginnen te versnellen, zal het noordelijkste punt van de baan ten noorden van Baikonoer zijn, dat wil zeggen, de helling zal groter zijn (geel). Als we proberen vals te spelen en naar het zuidoosten te versnellen, zal de resulterende baan nog steeds het noordelijkste punt ten noorden van Baikonoer hebben en, nogmaals, een grotere helling (blauw).

Maar zo'n baan is fysiek onmogelijk, omdat hij niet door het massamiddelpunt van de aarde gaat. Om precies te zijn, het is onmogelijk om te vliegen met de motor uit. Je kunt een tijdje in zo'n baan zijn met draaiende motor, maar de brandstof zal heel snel opraken.

Dus als we satellieten in een geostationaire baan willen lanceren, niet vanaf de evenaar, moeten we op de een of andere manier de orbitale helling opnieuw instellen, waardoor we brandstof verbruiken. Het zijn deze kosten die verklaren waarom dezelfde Sojoez-2.1a-raket met succes satellieten in een geostationaire baan lanceert vanaf de Kuru-kosmodroom nabij de evenaar, maar niet wordt gebruikt voor deze taken vanuit Baikonoer.

Rusland is een noordelijk land. En als satellieten veilig kunnen worden gelanceerd in polaire en GLONASS-banen vanuit Plesetsk, dat zich op een breedtegraad van 63 ° bevindt, dan geldt voor een geostationaire baan: hoe zuidelijker de cosmodroom, hoe beter. En hier treedt het tweede probleem in werking: niet elk gebied is geschikt voor een cosmodroom.

Stap op Kumpol

Alle moderne raketten, wanneer ze een satelliet lanceren, laten verbruikte trappen en neusstroomlijnkappen vallen die op de aarde vallen. Als de crashsite zich in een ander land bevindt, moet je voor elke lancering met dat land onderhandelen. Daarom is bijvoorbeeld de minimale helling van de Baikonur-cosmodrome niet 45 °, maar 51 °, omdat anders de tweede fase in China valt:

En op de plaats waar de eerste etappe viel, moet je onderhandelen met Kazachstan en betalen voor het gebruik van deze gebieden. Soms ontstaan er problemen en wordt de lancering van satellieten vertraagd. De gebieden van de herfst moeten vrij groot worden vervreemd:

En in het Europese deel van Rusland zijn er geen goede plekken voor een cosmodrome. Ik speelde met de kaarten, in de Kaukasus kun je ontwijken en proberen te lanceren vanuit de regio Mozdok, maar zelfs dan zul je moeten proberen zodat de tweede etappes niet in Kazachstan vallen. Als je een raket vanaf de Krim lanceert, zal de eerste trap in bevolkte gebieden in de buurt van Rostov aan de Don vallen, en de tweede trap zal er opnieuw naar streven om in Kazachstan te vallen. En dat is geen rekening houden met de infrastructuurproblemen in beide opties. Tegen deze achtergrond kijk je naar de neigingen die beschikbaar zijn voor Amerikaanse ruimtehavens en betreur je de harteloosheid van natuurkunde en aardrijkskunde.

Maar we hebben ook een oostkust. En als we de kosmodroom daar plaatsen, is het mogelijk om afgelegen gebieden te vinden voor de val van de gebruikte trappen voor de meest gevraagde hellingen: 51, 6 ° (naar het ISS en de geostationaire baan), 64, 8 ° (GLONASS, sommige aardwaarnemingssatellieten), 98 ° (in polaire baan).

Nogmaals proefschrift

Het Vostochny-kosmodrome stelt ons in staat om nuttige ladingen in de geostationaire baan en naar het ISS te lanceren zonder deze lanceringen met andere landen te coördineren en ze te betalen voor het gebruik van de uitsluitingsgebieden. Het is gelegen in het zuidelijke deel van het land en biedt een aanvankelijke orbitale helling die niet slechter is dan Baikonoer. Het is irrationeel om een lanceercomplex te bouwen voor het nieuwe Angara-lanceervoertuig in Baikonoer (wederom coördinatie van lanceringen en crashgebieden), maar vanuit Vostochny zal het niet minder laadvermogen opleveren.

Leuk ding: het nieuwe lanceercomplex met een servicetoren, zoals in Kourou, zal het lanceren van westerse payloads mogelijk maken, die rechtop op het lanceervoertuig moeten worden gemonteerd.

Een bonus is ook de ontwikkeling van infrastructuur, een impuls voor de ontwikkeling van het grondgebied, een wetenschapsstad, enzovoort.

UPD: infographic uit. Het is jammer, we hadden geen tijd om de plaatsing van de satellieten opnieuw te tekenen. Nog heel kort hebben we geprobeerd uit te leggen wat hier staat. Volgens mij is dat mooi gelukt.