Tunnel spaziali e ferro sulla testa o perché abbiamo bisogno del cosmodromo di Vostochny

2024 Autore: Seth Attwood | [email protected]. Ultima modifica: 2023-12-16 16:08

L'altro giorno mi è stato chiesto di consultare l'infografica di RIA Novosti, dedicata al primo lancio dal cosmodromo di Vostochny. E ci sarà una grande semplificazione dovuta ai limiti del formato del materiale. In effetti, non abbiamo bisogno del cosmodromo di Vostochny perché la maggior parte dei lanci civili avviene dal cosmodromo di Baikonur.

Ma per spiegare perché ne abbiamo bisogno, dovremo dire perché l'orbita di un'astronave può essere paragonata a un tunnel, e anche spiegare che tipo di "ferro" cade dal cielo e su chi cade.

Tunnel nel cielo

La fisica del moto orbitale è completamente controintuitiva. Piuttosto, è l'opposto di ciò che immagina una persona comune. E anche i buoni film, apparentemente alla ricerca del realismo, danno un'idea completamente sbagliata di come volano i satelliti e le astronavi. Ricordi "Gravity", che notoriamente ha volato dall'Hubble alla ISS, e poi alla stazione cinese? Anche se scartiamo la differenza nelle altezze orbitali, un parametro del movimento orbitale elimina anche la minima possibilità di tali voli. Questo parametro è chiamato "inclinazione orbitale".

Inclinazione dell'orbita è l'angolo tra il piano dell'orbita del satellite e il piano dell'equatore (per un satellite terrestre)

Ad esempio, per il caso di "Gravity" l'immagine sarà così:

E il fatto che i piani delle orbite non coincidano affatto non è un problema. Il vero problema è che per un'orbita circolare bassa (e Hubble, ISS, Tiangong e la massa di altri satelliti sono un'orbita circolare bassa), il cambio di inclinazione è molto costoso. Per "ruotare" l'orbita di 45°, dovremo cambiare la nostra velocità di circa 8 km/s, la stessa quantità necessaria per entrare in orbita. E cambiare la velocità è uno spreco di carburante e azzeramento delle tappe. Cioè, se un razzo con una massa di 300 tonnellate mette in orbita 7 tonnellate, dopo un cambiamento di inclinazione di 45 °, rimarranno solo 150 chilogrammi. Ogni orbiter, infatti, vola all'interno di un tunnel invisibile, il cui diametro dipende dalla sua capacità di variare la propria velocità. Pertanto, quando lanciano i satelliti, cercano di portarli immediatamente all'inclinazione desiderata.

Strade battute

Quale inclinazione viene utilizzata per gli orbiter esistenti? Ci sono molti satelliti nell'orbita terrestre ora:

Se guardi da vicino, puoi vedere che ci sono più satelliti in alcune orbite. Ecco un'immagine che mostra il movimento dei satelliti rispetto alla Terra:

Orbita geostazionaria (verde). È un'orbita circolare con un'altitudine di 36.000 km e un'inclinazione di 0°. Il satellite su di esso si trova sopra un punto sulla superficie terrestre, quindi, nell'immagine, l'orbita geostazionaria corretta è indicata da un punto verde. I circuiti verdi sono satelliti difettosi o senza carburante. L'orbita geostazionaria è sotto l'inquietante influenza della luna e devi spendere carburante solo per rimanere sul posto. Questa orbita è abitata da satelliti per telecomunicazioni, che sono redditizi, quindi è già difficile trovare posti liberi su di essa.

GLONAS / Orbite GPS (blu e rosso). Queste orbite hanno un'altitudine di circa 20.000 chilometri e un'inclinazione intorno ai 60°. Come suggerisce il nome, trasportano i satelliti di navigazione.

orbite polari (giallo). Queste orbite sono inclinate nella regione di 90 ° e l'altitudine di solito non supera i 1000 km. In questo caso, il satellite sorvolerà i poli ad ogni rivoluzione e vedrà l'intero territorio della Terra. Una sottospecie separata di tali orbite sono orbite eliosincrone con un'altitudine di 600-800 km e un'inclinazione di 98 °, in cui i satelliti sorvolano diverse parti della Terra all'incirca alla stessa ora locale. Queste orbite sono richieste per satelliti meteorologici, cartografici e di ricognizione.

Inoltre, va notato l'orbita della ISS con un'altitudine di 450 km e un'inclinazione di 51,6 °.

Geografia senza cuore

Bene, bene, abbiamo capito gli stati d'animo, dirà il lettore. E dove finisce il cosmodromo? Il fatto è che esiste una legge fisica così spiacevole:

L'inclinazione iniziale dell'orbita non può essere inferiore alla latitudine del cosmodromo

Perché? Tutto diventa più chiaro se tracciamo la traiettoria del satellite sulla mappa della Terra:

Se noi, partendo da Baikonur, iniziamo ad accelerare verso est, allora otteniamo un'orbita con un'inclinazione della latitudine di Baikonur, 45 ° (rosso). Se iniziamo ad accelerare verso nord-est, il punto più settentrionale dell'orbita sarà a nord di Baikonur, cioè l'inclinazione sarà maggiore (giallo). Se proviamo a barare e iniziamo ad accelerare verso sud-est, l'orbita risultante avrà ancora il punto più settentrionale a nord di Baikonur e, di nuovo, una maggiore inclinazione (blu).

Ma tale orbita è fisicamente impossibile, perché non passa per il centro di massa della Terra. Più precisamente, è impossibile volare a motore spento. Puoi rimanere in una tale orbita per un po' di tempo con il motore acceso, ma il carburante si esaurirà molto rapidamente.

Quindi, se vogliamo lanciare satelliti in orbita geostazionaria non dall'equatore, dobbiamo in qualche modo ripristinare l'inclinazione orbitale, consumando carburante. Sono questi costi che spiegano perché lo stesso razzo Soyuz-2.1a lancia con successo satelliti in orbita geostazionaria dal cosmodromo di Kuru vicino all'equatore, ma non viene utilizzato per questi compiti da Baikonur.

La Russia è un paese del nord. E se i satelliti possono essere lanciati in sicurezza in orbite polari e GLONASS da Plesetsk, che si trova a una latitudine di 63 °, quindi per un'orbita geostazionaria, più a sud si trova il cosmodromo, meglio è. E qui entra in vigore il secondo problema: non tutti i territori sono adatti per un cosmodromo.

passo su kumpol

Tutti i razzi moderni, quando lanciano un satellite, lasciano cadere gli stadi spesi e le carenature del naso che cadono sulla Terra. Se il luogo dell'incidente si trova in un altro paese, devi negoziare con quel paese per ogni lancio. Pertanto, ad esempio, l'inclinazione minima del cosmodromo di Baikonur non è di 45 °, ma di 51 °, perché altrimenti il secondo stadio cadrà in Cina:

E nel luogo in cui è caduta la prima fase, devi negoziare con il Kazakistan e pagare per l'uso di queste aree. A volte sorgono problemi e il lancio dei satelliti viene ritardato. Le aree di caduta devono essere alienate piuttosto grandi:

E nella parte europea della Russia non ci sono buoni posti per un cosmodromo. Ho giocato con le mappe, nel Caucaso puoi schivare e provare a lanciare dalla regione di Mozdok, ma anche allora dovrai provare in modo che le seconde fasi non cadano in Kazakistan. Se lanci un razzo dalla Crimea, il primo stadio cadrà nelle aree popolate vicino a Rostov-sul-Don e il secondo stadio si sforzerà di nuovo di cadere in Kazakistan. E questo non tiene conto dei problemi infrastrutturali in entrambe le opzioni. In questo contesto, esaminerai le inclinazioni disponibili per gli spazioporti statunitensi e rimpiangerai l'insensibilità della fisica e della geografia.

Ma abbiamo anche una costa orientale. E, se mettiamo lì il cosmodromo, allora sarà possibile trovare aree remote per la caduta degli stadi trascorsi per le inclinazioni più richieste: 51, 6 ° (verso l'ISS e l'orbita geostazionaria), 64, 8 ° (GLONASS, alcuni satelliti di rilevamento della Terra), 98 ° (in orbita polare).

Ancora una volta tesi

Il cosmodromo Vostochny ci consentirà di lanciare carichi utili nell'orbita geostazionaria e verso la ISS senza la necessità di coordinare questi lanci con altri paesi e pagarli per l'utilizzo delle aree di esclusione. Si trova nella parte meridionale del paese e fornisce un'inclinazione orbitale iniziale non peggiore di Baikonur. È irrazionale costruire un complesso di lancio per il nuovo veicolo di lancio Angara a Baikonur (ancora una volta, il coordinamento dei lanci e delle aree di impatto), ma da Vostochny non fornirà meno carico utile.

Una piccola cosa: il nuovo complesso di lancio con una torre di servizio, come a Kourou, consentirà il lancio di payload occidentali, che devono essere montati sul veicolo di lancio in posizione verticale.

Un bonus è anche lo sviluppo delle infrastrutture, una spinta allo sviluppo del territorio, una città della scienza, e così via.

AGGIORNA: infografica fuori. È un peccato, non abbiamo avuto il tempo di ridisegnare il posizionamento dei satelliti. Sempre molto brevemente, abbiamo cercato di spiegare quanto scritto qui. Secondo me è venuto bene.