Суборбитальный полет что это значит

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

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

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

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

Суборбитальные полеты. Теперь — частная история

Александр Хохлов,
популяризатор космонавтики,
член Северо-Западной организации Федерации космонавтики РФ
«Троицкий вариант — Наука» № 15(334), 27 июля 2021 года

VSS Unity в полете с Ричардом Брэнсоном

11 июля 2021 года около 18 часов по Москве из космопорта America в штате Нью-Мексико в суборбитальный полет отправился ракетоплан VSS Unity, с максимальным подъемом на высоту 86 км. В экипаже было шесть человек: пилоты Дэйв Маккей и Майкл Масуччи и пассажиры — основатель компании Virgin Galactic, миллиардер Ричард Брэнсон, главный астронавт-инструктор компании Бет Мозес, старший операционный инженер Колин Беннетт и вице-президент по связям с правительством Сириша Бандла. Весь полет, включая совместный подъем с самолетом-носителем White Knight Two, занял около часа. В невесомости «астронавты» пробыли четыре минуты.

А уже 20 июля 2021 года, в день 52-й годовщины посадки американских астронавтов Нила Армстронга и Эдвина Олдрина на Луну, состоялся 11-минутный полет многоразовой суборбитальной ракетной системы New Shepard компании Blue Origin. На борту были Джефф и Марк Безосы, 82-летняя летчица Уолли Фанк и 18-летний Оливер Дэемен из Нидерландов, отец которого выиграл билет на этот полет на аукционе за 28 млн долл. И хотя невесомость внутри капсулы тоже была около четырех минут, но высота полета составила 107 км, примерно на 20 км выше, чем у Брэнсона, с пересечением условной линии Кармана.

New Shepard с экипажем Джеффа Безоса. Фото с сайта blueorigin.com

Этих полетов ждали не меньше десятилетия. Два главных конкурента по суборбитальному космическому туризму — Джефф Безос и Ричард Брэнсон — основали свои частные космические компании в 2000 и в 2004 году соответственно. Но даже прикосновение к космосу потребовало много усилий и времени.

Англичанин Ричард Брэнсон основал Virgin Galactic на волне успеха суборбитальной системы SpaceShipOne, созданной Бертом Рутаном в компании Scaled Composites на деньги соучредителя корпорации Microsoft Пола Аллена. Ракетоплан SpaceShipOne совершил три успешных полета выше 100 км, выиграв приз Ansari X-Prize в размере 10 млн долл. и став первым в истории частным космическим кораблем. Пилоты Майк Мелвилл и Брайан Бинни по очереди в 2004 году пересекли границу в 100 км, побив рекорд летчика-испытателя Джозефа Уокера, который 22 августа 1963 года на ракетоплане Х-15 поднялся на высоту 107,96 км.

Virgin Galactic создала более крупный пассажирский ракетоплан SpaceShipTwo. К сожалению, период испытаний затянулся и был прерван трагедией. Ракетоплан VSS Enterprise потерпел аварию 31 октября 2014 года, один из пилотов погиб.

На смену был построен ракетоплан VSS Unity, на котором и полетел на границу с космосом Ричард Брэнсон со своей командой. Схема полета SpaceShipTwo: аппарат поднимается в атмосферу на высоту около 15 км, будучи прикрепленным к двухфюзеляжному самолету-носителю White Knight Two. Отцепившись от носителя, VSS Unity запускает собственный ракетный двигатель, который работает 60 секунд, используя в качестве топлива полибутадиен и жидкую закись азота. Разогнавшись, ракетоплан по баллистической траектории поднимается на высоту выше 80 км. Там члены экипажа около четырех минут находятся в невесомости, могут расстегнуть ремни безопасности для свободного полета в кабине. У них есть возможность любоваться Землей с большой высоты через иллюминаторы. Затем пассажиры возвращаются в кресла, а пилоты в ручном режиме проводят торможение подвижным хвостовым оперением VSS Unity и в режиме планера сажают его на взлетно-посадочную полосу космопорта America — безопасность ракетоплана и пассажиров зависит от их мастерства.

Компания Blue Origin пошла по другому пути, изначально выбрав автоматическую схему полета. New Shepard — это многоразовая суборбитальная ракета и многоразовая обитаемая капсула, оснащенная системой аварийного спасения на случай ЧП. Высота ракеты вместе с установленным сверху кораблем примерно 15 м, диаметр — 6 м. Для полета используется водородно-кислородный ракетный двигатель BE-3 собственной разработки компании. Капсула оснащена шестью посадочными местами для экипажа, большими иллюминаторами (107×71 см) и тремя парашютами для приземления. Даже если не раскроется один парашют, еще два позволят ей сесть.

Обе транспортные системы достаточно надежны по герметичности и не предусматривают использования спасательных скафандров для экипажа.

Вице-президент Virgin Galactic по связям с правительством Сириша Бандла. Фото с сайта virgingalactic.com

Эти полеты не только ознаменовали начало суборбитального туризма — обе компании обещают выполнить по два пилотируемых полета в этом году, но и подняли вопрос о том, где же проходит граница космоса.

Blue Origin настаивает, что общепризнанная международная граница космоса находится на высоте 100 км — и это линия Кармана, которую использует Международная авиационная федерация для регистрации пилотируемой космонавтики. Но NASA, американские ВВС и Федеральное управление гражданской авиации считают, что граница космоса с точки зрения полетов людей расположена на высоте 80,45 км (50 миль) — и Брэнсон ее преодолел.

Напомним, в США в 50-х годах XX века инженер и физик венгерского происхождения Теодор фон Карман рассчитал высоту, на которую могут подниматься самолеты с помощью аэродинамических сил, — 83 км. Выше может летать только аппарат, оснащенный ракетным двигателем, — благодаря реактивному движению. Карман обратился в две международные федерации: астронавтическую и авиационную. Для первой эта высота оказалась слишком незначительной, а вот авиационная федерация внесла отметку 100 км в новый раздел по космическим рекордам. Тогда во многих странах использовали разные значения для миль, поэтому в качестве границы приняли круглое число в метрической системе.

С тех пор любой, кто хочет зарегистрировать рекорд по полету в космос, может это сделать только в том случае, если экипаж транспортного средства поднимется на высоту свыше 100 км.

Интересно, что в 2018 году Международная авиационная федерация объявила, что с учетом новых данных о суборбитальных полетах и новых расчетов она готова совместно с Международной астронавтической федерацией рассмотреть снижение линии Кармана до 80 км. Правда, пока решение не принято, но развитие космического туризма вполне может дать толчок к этому.

Однако линия Кармана не является в полном смысле международной границей космоса. Комитет ООН по использованию космического пространства в мирных целях многократно поднимал вопрос о том, что нужно официально разделить воздушное и космическое пространство, но решение до сих пор не принято, во многом из-за позиции США, которые считают, что подобная граница может помешать развитию космонавтики. Россия предлагает договориться, что такая граница будет проходить на высоте, не превышающей 100–110 км над уровнем океана, при сохранении права пролета космических объектов на более низких высотах над территориями других государств для их вывода на орбиту и возвращения на Землю.

На фоне суборбитальной гонки «космических баронов», как часто называют Безоса и Брэнсона, а также Илона Маска, незамеченным прошел 70-летний юбилей первого суборбитального полета живых существ, которые вернулись на Землю целыми и невредимыми. 22 июля 1951 года советские собаки Цыган и Дезик на ракете-носителе 1-РБ, прямом потомке немецкой «Фау-2», поднялись на 88 км и благополучно приземлились в кабине на парашюте. Тогда полученные в этом и последующих полетах данные позволили продолжить работы по подготовке полета человека в космос.

Экипаж Джеффа Безоса. Фото с сайта blueorigin.com

До этого никто из космоса живым не возвращался (в США было несколько попыток запуска обезьян на трофейных «Фау-2», но они заканчивались трагично). Впервые США вернули животных после ракетного полета на 70 км 20 сентября 1951 года, но и они в итоге погибли из-за долгой эвакуации.

Если сейчас поставить вопрос, будет ли какая-то научная польза от новых суборбитальных полетов, то скорее нет — теперь это личная история людей, которые всю жизнь мечтали прикоснуться к космосу. Когда-то подъемы на самые высокие вершины гор, путешествия по океанам и перемещения на самолетах были уделом профессионалов, но со временем стали доступны энтузиастам. Теперь та же участь постигла и космические полеты, как суборбитальные, так и орбитальные.

Источник