Суборбитальная орбита что это такое

Суборбитальный и орбитальный космический туризм, в чем разница?

Cosmos Agency • Космический туризм • Суборбитальный и орбитальный космический туризм, в чем разница?

Суборбитальный и орбитальный полет — это две совершенно разные вещи. Сравнивать суборбитальную ракету с орбитальной ракетой — то же, что сравнивать машину, которая движется со скоростью не более 30 км/ч с автомобилем, который легко достигает 200 км/ч. Разница фундаментальна, и ее мы сейчас попытаемся объяснить.

Орбитальный космический полет

Чтобы понять, что такое «орбитальный», представьте, что вы бросаете мяч. В любой точке Земли траектория мяча будет приближена к кривой под названием парабола. Чем сильнее вы бросили мяч, тем прямее (с меньшей кривизной) будет его траектория. Если мяч бросить очень сильно, кривизна его траектории может приблизиться к кривизне Земли. При этом, если мяч забросить в космический вакуум, он будет летать вокруг Земли, так и не падая на поверхность. Именно это происходит при запуске спутника, когда его успешно «забрасывают» ракетой на орбиту вокруг Земли. В таком случае мы говорим об орбитальном космическом полете.

Суборбитальный космический полет

Мы рассматриваем суборбитальный полет как любой полет за пределы атмосферы Земли с максимальной скоростью ниже орбитальной.
Если ракета не достигает орбитальной скорости, она начинает падение на Землю и возвращается в атмосферу в течение нескольких минут после выключения двигателя.

Скорости, необходимые для суборбитальных полетов

Ракета, которая движется по вертикальной траектории, достигнет высшей точки в момент выключения двигателя. Вот несколько примеров скорости, необходимой для достижения заданной высоты по вертикальной траектории:

Когда ракета покинет атмосферу, а ее двигатель выключится, пассажиры испытают мнимую невесомость и смогут свободно парить по кабине, если отстегнут ремни безопасности.

Время действия микрогравитации

Микрогравитация заканчивается, когда ракета снова входит в атмосферу. Сколько продлится зона микрогравитации, в основном зависит только от набранной во время полета высоты. Немного примеров:

Заключение

Скорость, необходимая, чтобы достичь высоты в 100 км во время суборбитального полета (950 м/с), в 8 раз меньше, чем орбитальная скорость (7780 м/с). Эта огромная разница значительно влияет на конструкцию летательного аппарата. Поэтому суборбитальные аппараты меньше в размере и массе, технически проще, и, следовательно, дешевле в проектировании и эксплуатации. Но, важнее всего, они могут быть безопасными и многоразовыми.

На наш взгляд, безопасность и возможность многократного использования — это ключ к успеху коммерческого суборбитального полета.

Источник

Суборбитальный космический полёт

Суборбитальный космический полёт — космический полёт летательного аппарата по баллистической траектории со скоростью, меньшей первой космической, то есть недостаточной для вывода на орбиту искусственного спутника Земли.

Другое часто используемое определение:

Согласно второму определению, суборбитальный космический полёт может осуществляться также при скоростях, превышающих по величине значение первой космической скорости вплоть до величины второй космической (параболической) скорости. Такие полёты возможны, например, при строго вертикальном наборе скорости, а также в других случаях, в которых вектор скорости аппарата в момент отключения двигателей ориентирован таким образом, что сформированная траектория имеет перицентр ниже поверхности планеты. При этом аппарат не может стать искусственным спутником планеты, несмотря на достаточную по величине скорость.

Согласно классификации Международной федерации аэронавтики (ФАИ), космическим считается полёт, высота которого превышает 100 км (линия Кармана). Согласно классификации Военно-воздушных сил США космическим полётом считается полёт, высота которого превышает 50 миль (приблизительно 80 км).

В конце 1940— начале 1950 годов в Советском Союзе были проведены несколько пусков с достижением высот свыше 100 км. 22 июля 1951 года состоялся суборбитальный полёт собак Дезик и Цыган на Р-1В, которые стали первыми животными, успешно возвращенными из космоса.

В 1960 годах в США были осуществлены 15 суборбитальных пилотируемых космических полётов. Два полёта по программе «Меркурий» (Mercury) — космические корабли «Фридом-7» (Freedom-7) и «Либерти Белл-7» (Liberty Bell-7) выводились на баллистическую орбиту ракетой-носителем «Редстоун» (Redstone). Оба этих полёта признаны космическими по версии МФА и ВВС США.

Тринадцать суборбитальных полётов были осуществлены на ракетном самолёте «Х-15А». Все эти тринадцать полётов признаны космическими по версии ВВС США. Только два полёта «Х-15А» (№ 3 и 4 в таблице) признаны космическими также и ФАИ.

В 1975 году во время вывода на орбиту корабля «Союз-18-1» произошёл отказ ракеты-носителя. В результате космический корабль на орбиту не вышел, а совершил полёт по суборбитальной траектории.

Три суборбитальных полёта (№ 6—8 в таблице) осуществлены впервые на частном космическом самолете SpaceShipOne (СпейсШипУан) (Космический Корабль № 1).

Источник

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

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.

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.

Источник

Что такое суборбитальный полет

Космический туризм очень важен для науки — частные исследователи получили возможность проводить независимые космические эксперименты

Ричард Брэнсон 11 июля поднялся на высоту 86 километров на космическом самолете с ракетным двигателем, построенном его компанией Virgin Galactic. А 20 июля Джефф Безос на ракете New Shepard побывал на высоте 100 километров.

Оба аппарата хороши, но они сильно отличаются от обычных космических ракет. «Короче говоря, разница в том, что эти суборбитальные полеты проходят на недостаточной для выхода на орбиту скорости», — объясняет профессор астрофизики Стефан МакКэндлисс из Университета Джона Хопкинса в Мэриленде.

Говорить об орбите можно, когда боковой импульс космического корабля или спутника создает силу, идеально противостоящую земному притяжению. В результате корабль следует по изогнутой траектории, постоянно как бы падая на планету планете, но не приближаясь к ней.

Когда космический корабль запускается на орбиту, он сначала двигается вертикально, но затем начинает отклоняться и набирать горизонтальную скорость, которая позволяет ему занять орбиту и оставаться на ней. Однако сделать это непросто — горизонтальная скорость, необходимая для того, чтобы оставаться на орбите, зависит от высоты. Например, для низкой околоземной орбиты, которая проходит на высоте 240 км, она составляет около 7,9 км/с — это называется «первая космическая скорость».

«Чтобы поддерживать орбиту, корабль должен двигаться со скоростью почти 8 километров в секунду, — объясняет МакКэндлисс. — Вдобавок к этому вы должны подняться на высоту и пробиться сквозь атмосферу, а все это требует энергии».

По словам МакКэндлисса, любая ракета, у которой не хватает энергии для достижения первой космической скорости, будет следовать по параболической траектории, поднимаясь вверх, а затем снова опускаясь вниз. Но несмотря на то, что подобные полеты длятся недолго, пассажирам все равно открываются потрясающий вид на Землю, а также они проводят несколько минут невесомости. Это потому, что нисходящий участок траектории, по сути, является свободным падением, а сила тяжести действует как на пассажиров, так и на корабль одинаково — они падают внутри падающего корабля. То есть туристы испытывают все, что испытывают настоящие космонавты, но длится это недолго. Поэтому, с одной стороны, можно сказать, что они побывали в космосе.

С другой стороны, при возвращении кораблей на Землю влияние атмосферы нашей планеты начинает ощущаться на высоте 122 км, куда наши космические туристы не долетели. Другая версия гласит, что космос начинается с экзосферы, на высоте около 700 км. А самая строгая версия проводит границу космоса в 21 млн километров от Земли, где уже не ощущается гравитационное воздействие планеты.

Но те высоты (86 и 100 км), куда долетели Ричард Брэнсон и Джефф Безос, очень интересны для экспериментаторов в области космической физики, что дает еще один «голос» за то, что миллиардеры все же побывали в космосе, совершив суборбитальный полет по параболической траектории.

Источник

СУБОРБИТА́ЛЬНЫЙ ПОЛЁТ

Том 31. Москва, 2016, стр. 361-362

Скопировать библиографическую ссылку:

СУБОРБИТА́ЛЬНЫЙ ПОЛЁТ, по­лёт КА или ги­пер­зву­ко­во­го са­мо­лё­та по бал­ли­стич. тра­ек­то­рии со ско­ро­стью мень­ше 1-й кос­ми­че­ской, т. е. без вы­хо­да на ор­би­ту ИСЗ. С. п. со­сто­ит из ак­тив­но­го уча­ст­ка по­лё­та при ра­бо­таю­щих дви­га­те­лях (раз­гон с на­бо­ром вы­со­ты), уча­ст­ка по­лё­та по бал­ли­стич. тра­ек­то­рии, уча­ст­ка тор­мо­же­ния в плот­ных сло­ях ат­мо­сфе­ры и спус­ка. В 1960–70-х гг. С. п. про­во­ди­лись в США по про­грам­ме «Мер­ку­рий». Из них наи­бо­лее важ­ны­ми бы­ли за­пус­ки пи­ло­ти­руе­мых экс­пе­рим. КК с по­мо­щью ра­кет «Ред­сто­ун» (А. Ше­пард – 5.5.1961, вре­мя по­лё­та 15 мин 28 с, В. Грис­сом – 21.7.1961, 15 мин 37 с), по­лёт на ги­пер­зву­ко­вом са­мо­лё­те Х-15 (ско­рость ок. 6000 км/ч, выс. до 100 км). С. п. со­вер­шил 5.4.1975 КК «Со­юз-18-1» (эки­паж – В. Г. Ла­за­рев, О. Г. Ма­ка­ров), ко­то­рый из-за от­ка­за ра­ке­ты-но­си­те­ля не вы­шел на рас­чёт­ную ор­би­ту и про­из­вёл по­сад­ку на Зем­лю (вре­мя по­лё­та 21 мин 27 с). Осу­ще­ст­в­ле­ны С. п. на кос­мич. са­мо­лё­те мно­го­ра­зо­во­го поль­зо­ва­ния «SpaceShip­One» (США); пер­вый по­лёт со­вер­шил 29.9.2004 М. Мел­вилл (выс. 102,93 км). С раз­ви­ти­ем кос­мич. ту­риз­ма раз­ра­ба­ты­ва­ют­ся про­ек­ты су­бор­би­таль­ных пас­са­жир­ских авиа­лай­не­ров.

Источник