КК не может взлететь в любой момент: что такое стартовое окно?

Почему космический корабль не может быть запущен когда угодно? Что такое стартовое окно для запуска? Все это вы узнаете из нашей статьи.

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. Миссия Artemis I

2. Строгие требования по дате начала миссии

3. Что такое стартовое окно для запуска?

4. Четыре фактора, влияющих на стартовое окно запуска

4.1. Орбиты и наклоны

4.2. «Прецессия» сдвигает окно

4.3. Погодные условия при запуске

4.4. Условия освещения

5. Запуск не производится со стационарной стартовой площадки. Цель также находится в постоянном движении

6. Возможные будущие даты запуска Artemis I

Миссия Artemis I

Важность для человечества миссии Artemis I часто сравнивают с полетом Apollo 8 в 1968 году, когда человек впервые в истории смог достичь орбиты Луны. Но в то время успешный полет на Луну должен был быть прежде всего победой в политическом и технологическом противостоянии между США и СССР, наука была на втором плане. Конечно, программа “Аполлон” была огромным успехом, ведь человек, всего несколько десятилетий назад оторвавшийся от Земли на борту первого самолета, преодолел земное притяжение и оказался на орбите другого небесного тела.

Об экономической составляющей речь тогда почти не шла. Но спустя шесть десятилетий именно экономические выгоды от исследования лунных ресурсов побуждают человека «вернуться» на Луну. Если бы единственной причиной таких миссий было установление флага своего государства на поверхности Луны, что, конечно, вначале люди могли бы воспринимать именно так, интересно, были бы сейчас задействованы такие огромные ресурсы. Ведь на Земле сейчас есть намного более серьезные проблемы. Но космическая гонка продолжается, и преимущество здесь будет иметь очень важное значение, включая экономическое.

То есть, отмена 29 августа запуска миссии Artemis I приводит и к экономическим и финансовым потерям. Казалось бы, если не запустили 29-го, то могли бы 30 или 31 августа, но отложили вплоть до 3 сентября. Уверен, многие из вас не понимают, почему именно такая дата выбрана. Говорят о каких-то стартовых окнах, о благоприятных условиях для запуска. Давайте разбираться.

Строгие требования по дате начала миссии

Окно запуска, о котором идет речь, является условием, навязанным природой и технологическими ограничениями, условием, которое необходимо учитывать при запуске каждого космического объекта. Для самолетов взлетное окно по большей части необязательно, но из-за интенсивного воздушного движения они также взлетают в определенное время, то есть по расписанию. Если бы такого ограничения не было, самолет мог бы взлетать и садиться, когда угодно. Но полеты в воздушном пространстве должны подчиняться определенному порядку. Это касается только воздушного пространства Земли, где уже десятилетиями проложены условные воздушные коридоры для гражданской авиации.

Ракета с космическим кораблем теоретически также могла сделать это, но ограниченный запас топлива мешает этому. Тот самый, из-за которого так тяжело возвратиться на Землю. Пока мы можем летать по тщательно рассчитанной траектории только если удастся согласовать положение планет или Луны с Землей. Любое отклонение требует избыточных запасов топлива, но в космосе их нельзя собрать, как бонусы в аркадной игре.

Потому и полеты на Марс пока происходят только с двухлетним интервалом, когда положение планеты в конце пути зонда или другого аппарата будет благоприятным для выполнения поставленных задач. В случае миссий, выходящих за пределы Солнечной системы, траектории полета могут оказаться намного сложнее, ведь приходится учитывать еще и действие гравитации других планет на запланированную траекторию полета. Например во время полета «Вояджеров» в пределах Солнечной системы учитывалось ускорение от гравитации Венеры, а корабль New Horizons испытал аналогичное влияние гравитации Юпитера. Потому что топливо все еще является дефицитным ресурсом в космосе, а технологии двигателей, основанные на его сжигании, все еще очень примитивны. Да, кто-то вспомнит о космических панелях, помогающих зондам использовать космический ветер для своего движения, но это зонды, а не космические корабли, которым нужно топливо для выхода на орбиту и возвращение на Землю. И нужно его очень много.

Также интересно: Почему космические аппараты оснащены процессорами 20 века

Что такое стартовое окно для запуска?

Представьте, что вы находитесь в центре легкоатлетического стадиона и хотите встретиться с одним из бегущих по беговой дорожке спортсменов. Можно пытаться догнать его, но для этого нужно бежать быстрее, и мы потратим много энергии. Еще разумнее рассчитать, когда бегун окажется в более выгодной позиции, чтоб его можно было перехватить и в подходящий момент отправиться ему на встречу. Расчеты должны быть точными, чтобы мы не пришли слишком рано или слишком поздно. Оптимальное время для начала движения и есть наше стартовое окно.

То же касается космических миссий. Окно запуска – это просто период, в течение которого космический корабль может достичь определенной точки в космосе в заданное время. При этом учитываются силовые возможности ракеты и траектория движения космического объекта, с которым должен встретиться аппарат. Поэтому для разных миссий окна разные. К примеру, для миссии на Марс окно запуска открывается каждые 780 дней. А вот для запуска “Вояджер-2”, целью которого являются такие планеты, как Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, воспользовались окном возможностей, которое появляется только раз в 175 лет. С другой стороны, мы имеем пример миссии Rosetta, которая первоначально была предназначена для изучения кометы 46P/Wirtanen, но эта возможность была упущена из-за задержки запуска, поэтому для миссии была выбрана новая цель, комета 67P/Чурюмова-Герасименко.

Если короче, то стартовое окно запуска – это временной интервал, вычисленный по результатам расчетов орбитальной механики, в течение которого данный космический корабль может взлететь и успешно достичь своей конечной цели. Конечно, с учетом запланированной траектории полета и массы необходимого для этого топлива. Стартовое окно требует благоприятного расположения небесных тел, гравитация которых оказывает существенное влияние на движение аппарата.

Также интересно:

Четыре фактора, влияющих на стартовое окно запуска

Есть четыре фактора, которые влияют на выбор окна запуска для старта любой космической миссии, в том числе и Artemis I. Они так тесно связаны друг с другом, что несоответствие одного из факторов мгновенно нивелирует и действие других.

Орбиты и наклоны

К примеру, кораблю Discovery нужно доставить важный груз на МКС. Во-первых, ученые должны рассмотреть две разные траектории: траекторию самого шаттла и Международной космической станции. Ученые должны убедиться, что обе орбиты обязательно встретятся, поскольку цель этой миссии – доставить необходимые запасы на космическую станцию. Для этого они рассчитывают плоскость орбиты станции, как бы воображаемый лист, разрезающий Землю и удерживающий космическую станцию на ее краю.

Когда Земля и космическая станция движутся, движется и объединяющая их условная плоскость. Ученые должны найти время, когда край Земли перерезает стартовую площадку Космического центра Кеннеди во Флориде, с которой должен стартовать корабль. Они не могут промахнуться больше чем на один градус. Земля поворачивается на 1 градус за пять минут, поэтому запуск должен произойти именно в течение этих пяти минут.

Кроме того, запуск должен проходить, когда космическая станция следует с юга на север. Это связано с тем, что шаттл должен успешно догнать станцию и при этом сбросить свой 15-этажный внешний топливный бак над океаном, где он не представляет угрозы для людей. Океан лежит на северо-востоке, поэтому запуск Discovery дождется, пока космическая станция переместится на север. Это оставляет космический челнок с одним пятиминутным стартовым окном в день.

Что касается миссии Artemis I, то здесь еще интереснее. NASA хочет разместить Орион на далекой ретроградной орбите Луны. Это очень стабильная орбита с двумя точками Лагранжа. Аппарат при этом двигается вокруг Земли в противоположном направлении от Луны. Пока эту орбиту использовал только один аппарат — китайский Chang’e 5. Чтобы выйти на эту орбиту, необходимо в нужный момент и время запустить двигатели, которые доставят аппарат к Луне. Этот маневр называется TLI (Trans-Lunar Injection), и точность его выполнения чрезвычайно важна. Это один из факторов, который следует учесть при расчете окна запуска.

Читайте также:

«Прецессия» сдвигает окно

Также не следует забывать еще о явлении прецессии. Вы видите прецессию всякий раз, когда ребенок начинает вращать верхушку волчка. Сначала его ось вращения делает круг в воздухе в направлении, противоположном вращению, наклоняя верхушку сначала в одну сторону, затем в другую.

Земля исполняет замедленную версию этого танца, вращаясь вокруг Солнца, и созданные человеком спутники делают то же самое, вращаясь вокруг Земли.

Существует формула, которая позволяет ученым NASA рассчитать, насколько велики будут колебания спутника. Добавьте количество оборотов, которые спутник совершает за день, размер и эксцентриситет орбиты и ее наклон, и вы получите колебания. Для Международной космической станции эти цифры дают значение почти в 5 градусов в день, что составляет примерно 20 минут суточного вращения Земли.

Это также касается Луны и других планет Солнечной системы. Эти колебания требуют точного расчета, иначе любая корректировка потребует излишнего расхода топлива и приведет к потере нужной траектории.

Погодные условия при запуске

Мы время от времени слышали, что запуск ракеты отменялся, потому что были неблагоприятные погодные условия. Да, природа не должна нас ждать, на поверхности Земли всегда происходят какие-то погодные явления, такие как штормы, грозы, песчаные бури, снежные бураны и т.д.

Метеорологи космических агентств жонглируют как профессионалы, отслеживая облачный покров, направление и скорость ветра, а также штормы и другие неблагоприятные явления в шести разных местах в течение 13 дней. Они одобряют взлет, только если ракета потенциально не попадет, например в шторм или песчаную бурю.

Условия освещения

Стартовое окно должно учитывать хорошее освещение для всех камер, чтобы команда управления полетом могла видеть, насколько хорошо работают все системы и настройки корабля, что помогает обеспечить безопасность экипажа космической миссии.

К примеру, согласно правилам NASA, Орион не может находиться в тени более 90 минут за раз. Поскольку ему нужен солнечный свет для панелей и поддержания оптимальной температуры аппарата.

Кроме того, есть еще факторы, относящиеся к процессу посадки, во время которой Орион должен войти в верхние слои земной атмосферы, затем на мгновение оставить их, и снова, уже окончательно, погрузиться в атмосферу. Однако для этого аппарат должен вовремя выйти на соответствующую траекторию относительно Земли. Последний аспект, который следует учитывать – время посадки. Орион должен приземлиться в океане днем, чтобы ожидающим командам было легче найти и забрать капсулу.

Запуск не производится со стационарной стартовой площадки. Цель также находится в постоянном движении

Давайте подробнее поговорим еще о некоторых деталях, которые нужно учитывать при запуске миссии Artemis I, которая, возможно, стартует уже сегодня ночью.

Луна находится близко к Земле и здесь, пожалуй, больших проблем не должно быть. Ну, к сожалению, они есть, в том числе, движение нашей планеты и Луны. Наш спутник не только вращается вокруг своей оси со скоростью около 0,5 км/с на экваторе, он также вращается вокруг Солнца по почти круговой орбите со скоростью 30 км/с. Следует также учитывать, что к собственной стартовой скорости аппарата прибавляется еще и скорость движения Земли.

Кроме того, положение Солнца и Луны по отношению к орбите Земли постоянно меняется, это также нужно учитывать. Таким образом, при одинаковых затратах энергии/топлива запуск с Земли к Луне может привести к разному результату в зависимости от момента этого запуска.

Теоретически мы можем построить такой космический аппарат, который будет достаточно мощным, чтобы летать на Луну каждый день. И, может быть, так и будет в будущем. Однако пока для успеха миссии Artemis I нужно очень тщательно выбирать время старта с Земли, которое позволит кораблю Orion двигаться к Луне, а затем выйти на запланированную орбиту вокруг нашего спутника. Даже если запуск произойдет в течение установленного срока, задержка в несколько дней может привести к существенным изменениям в продолжительности миссии.

В зависимости от времени запуска миссия Artemis I может длиться от 26 до 28 дней или от 38 до 42 дней. Мы предполагаем, что эта миссия будет длиннее, поскольку корабль Orion на своей дальней ретроградной орбите совершает 1,5 оборота вокруг Луны. Если рассматривать более короткий вариант, и выход на лунную орбиту состоится в другое время, Орион совершит лишь 1 оборот вокруг Луны, прежде чем начнет свое возвращение на Землю.

Возможные будущие даты запуска Artemis I

Текущее окно запуска ракеты SLS и ее полезной нагрузки, отвечающее критериям миссии, будет со 2 по 6 сентября. Уже известно, что NASA выбрало ближайшую дату запуска миссии Artemis I – 3 сентября 2022 между 21:17 и 23:17 по киевскому времени. В каждый последующий день также есть определенное время, когда старт возможен. Если в течение этого времени не удастся взлететь, появятся следующие окна запуска:

с 20 сентября по 28 сентября
с 30 сентября по 4 октября
с 17 по 23 октября
27 октября
с 29 по 31 октября
и так далее…

Нам остается лишь ждать и надеяться, что успешный запуск исторической миссии Artemis I вскоре состоится.