Космические туннели и железо на голову или зачем нам космодром «Восточный»

На днях меня попросили проконсультировать инфографику РИА Новости, посвященную первому пуску с космодрома “Восточный”. И там будет одно серьезное упрощение из-за ограничений формата материала. На самом деле, космодром “Восточный” нужен нам не из-за того, что большинство гражданских запусков происходит с космодрома “Байконур”.

Но, чтобы объяснить, зачем он нам нужен, придется рассказать, почему орбиту космического аппарата можно сравнить с туннелем, а также объяснить, что за “железо” падает с неба, и на кого оно падает.

Туннель в небе

Физика орбитального движения совершенно не интуитивна. Она скорее противоположна тому, что представляет себе обычный человек. И даже хорошие фильмы, вроде бы стремящиеся к реалистичности, дают совершенно неверное представление о том, как летают спутники и космические корабли. Помните “Гравитацию”, в которой лихо перелетали от “Хаббла” к МКС, а затем к китайской станции? Даже если отбросить разницу в высоте орбит, один параметр орбитального движения убивает даже малейший шанс на такие перелеты. Этот параметр называется “наклонение орбиты”.

Наклонение орбиты - это угол между плоскостью орбиты спутника и плоскостью экватора (для спутника Земли)

Например, для случая “Гравитации” картинка будет такая:

И тот факт, что плоскости орбит совсем не совпадают – это еще не беда. Настоящая беда в том, что для низкой круговой орбиты (а “Хаббл”, МКС, “Тяньгун” и масса прочих спутников – это низкая круговая орбита) изменение наклонения очень дорого. Чтобы “повернуть” орбиту на 45° нам придется изменить свою скорость примерно на 8 км/с, столько же, сколько нам понадобилось для выхода на орбиту. А изменение скорости – это трата топлива и сброс ступеней. То есть, если ракета массой 300 тонн выводит на орбиту 7 тонн, то после изменения наклонения на 45° останется всего 150 килограмм. Фактически, каждый орбитальный аппарат летит внутри невидимого туннеля, диаметр которого зависит от его способности изменять свою скорость. Поэтому при запуске спутников их стараются вывести сразу на нужное наклонение.

Проторенные дороги

А какое наклонение используется для существующих орбитальных аппаратов? На орбите Земли сейчас много спутников:

Если приглядеться, то видно, что на каких-то орбитах спутников больше. Вот картина, показывающая движение спутников относительно Земли:

Геостационарная орбита (зеленый). Это круговая орбита с высотой 36 000 км и наклонением 0°. Спутник на ней находится над одной точкой земной поверхности, поэтому на картинке правильная геостационарная орбита обозначена зеленой точкой. Зеленые петли – это неисправные спутники или такие, у которых закончилось топливо. Геостационарная орбита находится под возмущающим воздействием Луны, и нужно тратить топливо просто для того, чтобы оставаться на месте. На этой орбите обитают телекоммуникационные спутники, которые приносят прибыль, поэтому свободные места на ней найти уже трудно.
Орбиты ГЛОНАС/GPS (синий и красный). Эти орбиты имеют высоту примерно 20 000 километров и наклонение в районе 60°. Как ясно из названия, на них находятся навигационные спутники.
Полярные орбиты (желтый). Эти орбиты имеют наклонение в районе 90° и высоту обычно не больше 1000 км. В этом случае спутник будет пролетать над полюсами каждый оборот и будет видеть всю территорию Земли. Отдельным подвидом таких орбит являются солнечно-синхронные орбиты с высотой 600-800 км и наклонением 98°, на которых спутники пролетают над разными участками Земли примерно в одно и то же местное время. Эти орбиты востребованы для метеорологических, картографических и разведывательных спутников.

Кроме этого, надо отметить орбиту МКС с высотой 450 км и наклонением 51,6°.

Бессердечная география

Ну, хорошо, с наклонениями мы разобрались, скажет читатель. А причем тут космодром? Дело в том, что есть такой неприятный физический закон:

Начальное наклонение орбиты не может быть меньше широты космодрома.

Почему так? Все становится понятней, если нарисовать траекторию спутника на карте Земли:

Если мы, стартовав с Байконура, начнем разгоняться на восток, то получится орбита с наклонением широты Байконура, 45° (красная). Если мы начнем разгоняться на северо-восток, то самая северная точка орбиты будет севернее Байконура, то есть наклонение будет больше (желтая). Если мы попробуем схитрить и начнем разгоняться на юго-восток, то получившаяся орбита все равно будет иметь самую северную точку севернее Байконура и, опять же, большее наклонение (синяя).

А вот такая орбита невозможна физически, потому что не проходит через центр масс Земли. Точнее, она невозможна для полета с выключенным двигателем. Вы сможете какое-то время находиться на такой орбите с включенным двигателем, но топливо кончится очень быстро.

Таким образом, если мы хотим запускать спутники на геостационарную орбиту не с экватора, нам надо каким-то образом обнулять наклонение орбиты, расходуя топливо. Именно эти расходы и объясняют, почему одна и та же ракета “Союз-2.1а” успешно выводит спутники на геостационарную орбиту с космодрома Куру около экватора, но не используется для этих задач с Байконура.

Россия – северная страна. И если на полярные орбиты и орбиты ГЛОНАСС можно спокойно запускать спутники с Плесецка, который расположен на широте 63°, то для геостационарной орбиты чем южнее расположен космодром, тем лучше. И тут вступает в силу вторая проблема – не любая территория подходит для космодрома.

Ступенью по кумполу

Все современные ракеты при запуске спутника сбрасывают отработанные ступени и головные обтекатели, которые падают на Землю. Если место падения находится в другой стране – приходится договариваться с этой страной по каждому пуску. Поэтому, например, минимальное наклонение космодрома Байконур не 45°, а 51°, потому что иначе вторая ступень будет падать в Китай:

А по месту падения первой ступени приходится договариваться с Казахстаном и платить за использование этих районов. Иногда возникают проблемы, и запуск спутников откладывается. Районы падения приходится отчуждать немаленькие:

И в европейской части России хороших мест для космодрома нет. Я поигрался с картами, на Кавказе можно извернуться и пытаться запускать из района Моздока, но и тогда придется стараться, чтобы вторые ступени не упали в Казахстан. Если запускать ракету из Крыма, то первая ступень будет падать в населенные районы около Ростова-на-Дону, а вторая ступень будет опять же норовить упасть в Казахстан. И это не учитывая проблемы с инфраструктурой в обоих вариантах. На этом фоне посмотришь на доступные наклонения для космодромов США и пожалеешь о бессердечности физики с географией.

Но ведь у нас тоже есть восточное побережье. И, если мы разместим космодром там, то можно будет найти глухие районы для падения отработанных ступеней для самых востребованных наклонений: 51,6° (на МКС и геостационарную орбиту), 64,8° (ГЛОНАСС, некоторые спутники зондирования Земли), 98° (на полярную орбиту). 

Ещё раз тезисно

Космодром Восточный даст нам возможность запускать полезные нагрузки на геостационарную орбиту и к МКС без необходимости согласования этих запусков с другими странами и выплат им за использование районов отчуждения. Он расположен в южной части страны и обеспечивает начальное наклонение орбиты не хуже Байконура. Стартовый комплекс для новой ракеты-носителя “Ангара” нерационально строить на Байконуре (еще раз, согласование пусков и районы падения), но с Восточного она обеспечит не меньшую грузоподъемность.
Приятная мелочь: новый стартовый комплекс с башней обслуживания, как в Куру, позволит запускать западные полезные нагрузки, которые должны устанавливаться на ракету-носитель в вертикальном положении.
Бонусом также идут развитие инфраструктуры, толчок к развитию территории, наукоград и прочее.

UPD: < ![CDATA[]]>инфографика< ![CDATA[]]> вышла. Жаль, не успели перерисовать размещение спутников. Очень кратко все-таки постарались объяснить то, что здесь написано. На мой взгляд получилось симпатично.

< ![CDATA[]]>Источник< ![CDATA[]]>