|
Космический корабль может тормозить в космосе
|
|
|
|
Когда вы высовываете руку из окна движущегося автомобиля, вы ощущаете силу, которая называется сопротивлением. Эта сила противодействует движущемуся транспортному средству, и это одна из причин, по которой ваш автомобиль естественным образом замедляется до полной остановки, если вы снимаете ногу с педали газа. Но торможение приводит не только к замедлению движения автомобилей.
|
|
|
|
Аэрокосмические инженеры работают над использованием силы притяжения в космосе для разработки более экономичных космических аппаратов и миссий, вывода космических аппаратов с орбиты без образования большого количества космического мусора и даже выведения зондов на орбиту вокруг других планет.
|
|
|
|
Космос - это не полный вакуум, по крайней мере, не весь. Атмосфера Земли становится тоньше с высотой, но в ней достаточно воздуха, чтобы оказывать сопротивление космическому аппарату, находящемуся на орбите, даже на расстоянии около 620 миль (1000 километров).
|
|
|
|
Как профессор аэрокосмической техники, я изучаю, как аэродинамическое сопротивление влияет на движение космического аппарата по орбите. Аэробрейкинг, как следует из названия, - это тип маневра, при котором разреженный воздух в космосе создает силу сопротивления в направлении, противоположном движению космического аппарата, что очень похоже на торможение автомобиля.
|
|
|
|
|
|
|
Изменение орбиты
|
|
|
|
В космосе аэробрейкинг может изменить орбиту космического аппарата, минимизируя при этом использование его двигательной установки и топлива.
|
|
|
|
Космические аппараты, обращающиеся вокруг Земли, движутся по двум типам орбит: круговой и эллиптической. На круговой орбите космический аппарат всегда находится на одинаковом расстоянии от центра Земли. В результате он всегда движется с одинаковой скоростью. Эллиптическая орбита вытянута, поэтому расстояние от Земли и скорость, с которой движется аппарат, меняются по мере движения космического аппарата по орбите.
|
|
|
|
Ближайшая точка эллиптической орбиты вокруг Земли, в которой спутник или космический аппарат движется быстрее всего, называется перигеем. Самая дальняя точка, где он движется медленнее всего, называется апогеем.
|
|
|
|
Общая идея аэробрейкинга заключается в запуске с большой круговой орбиты и выведении космического аппарата на высокоэллиптическую орбиту таким образом, чтобы самая низкая точка орбиты находилась в более плотных слоях верхних слоев атмосферы. Для Земли это примерно от 62 до 310 миль (от 100 до 500 километров), причем выбор зависит от времени, необходимого для завершения смены орбиты.
|
|
|
|
Когда космический аппарат проходит через эту самую низкую точку, воздух оказывает на него сопротивление, что со временем уменьшает растяжение орбиты. Эта сила вытягивает аппарат на круговую орбиту, меньшую, чем первоначальная орбита.
|
|
|
|
Первый маневр по выводу космического аппарата на эллиптическую орбиту, для которого может сработать торможение, требует использования двигательной установки и некоторого количества топлива. Но как только он окажется на эллиптической орбите, сопротивление атмосферы замедлит движение аппарата, и ему не потребуется много топлива, если оно вообще потребуется.
|
|
|
|
Воздушное торможение переводит аппарат с большой орбиты на малую и необратимо оно не может увеличить размер орбиты. Для увеличения размера орбиты или подъема космического аппарата на более высокую орбиту требуются двигатель и топливо.
|
|
|
|
Воздушное торможение использует
|
|
|
|
Обычным случаем, когда диспетчеры космических аппаратов используют аэробрейкинг, является изменение орбиты космического аппарата с геостационарной орбиты (GEO) на низкую околоземную орбиту (LEO). ГЕО-орбита - это круговая орбита высотой примерно 22 236 миль (35 786 км). В ГЕО космический аппарат совершает один оборот вокруг Земли за 24 часа, поэтому он всегда находится над одной и той же точкой земной поверхности.
|
|
|
|
Перед воздушным торможением бортовая двигательная установка космического аппарата запускается в направлении, противоположном движению ГЕО-орбиты. Эта тяга выводит его на эллиптическую орбиту. Аппарат несколько раз проходит через атмосферу, что в конечном итоге приводит к описанию круга по орбите.
|
|
|
|
После выхода на околоземную орбиту космическому аппарату, возможно, потребуется немного топлива, чтобы вывести его на целевую орбиту. Как правило, самая низкая точка исходной эллиптической орбиты находится ниже конечной целевой круговой орбиты.
|
|
|
|
Этот процесс концептуально аналогичен тому, как самолет X-37B Космических сил США использовал аэробрейкинг в начале 2025 года.
|
|
|
|
Космические силы США сообщили, что их беспилотный космический самолет X-37B использовал аэробрейкинг. Это испытание продемонстрировало маневренность аппарата.
|
|
|
|
Другое применение аэроторможения заключается в том, чтобы заставить космический аппарат сойти с орбиты или снова войти в атмосферу после того, как он перестал работать. Таким образом, компания или агентство могут утилизировать космический аппарат и избежать образования космического мусора, поскольку он сгорит в нижних слоях атмосферы.
|
|
Воздушное торможение для межпланетных полетов
|
|
|
|
Несколько марсианских миссий, в том числе Mars Reconnaissance Orbiter и Mars Odyssey Orbiter, использовали аэроторможение для достижения целевых орбит вокруг Красной планеты.
|
|
|
|
Для подобных межпланетных миссий ученые используют аэроторможение в сочетании с бортовой двигательной установкой корабля. Когда космический корабль прибывает на Марс, он делает это по гиперболической орбите.
|
|
|
|
В отличие от круговой или эллиптической орбиты, траектория космического аппарата по гиперболической орбите не будет удерживать его на орбите вокруг Марса. Вместо этого он пролетит через Марс и покинет его если только он не использует тягу своей двигательной установки, чтобы "выйти" на замкнутую эллиптическую орбиту.
|
|
|
|
Когда космический аппарат достигает Марса, включается бортовая двигательная установка, обеспечивающая усилие, необходимое для вывода космического аппарата на высокоэллиптическую орбиту вокруг Марса. После захвата ученые используют аэроторможение в течение нескольких проходов через атмосферу, чтобы выйти на конечную орбиту, как правило, круговую.
|
|
|
|
Маневры с воздушным торможением могут привести к существенной экономии топлива. По мере приближения посадки людей на поверхность Красной планеты экономия топлива, обеспечиваемая воздушным торможением, может привести к снижению массы и позволит каждому космическому аппарату, направляющемуся к Марсу, брать больше припасов.
|
|
|
|
На большом поприще освоения космоса аэробрейкинг - это не просто маневр. Он призван сыграть решающую роль в будущих космических операциях, полетах к планетам и колонизации.
|
|
|
|
Источник
|
