Suborbitální vesmírný let - Sub-orbital spaceflight

A suborbitální vesmírný let je vesmírný let ve kterém kosmická loď dosáhne vesmír, ale jeho trajektorie protíná atmosféra nebo povrch gravitační tělo ze kterého byl spuštěn, aby žádný nedokončil orbitální revoluce (nestává se umělý satelit ) nebo dosáhnout úniková rychlost.

Například cesta k objektu spuštěnému z Země který dosáhne Kármánova linie (na 100 km (62 mi) výše hladina moře ), a poté spadne zpět na Zemi, je považován za suborbitální vesmírný let. Některé suborbitální lety byly provedeny za účelem testování kosmických lodí a nosná vozidla později určené pro orbitální vesmírný let. Jiná vozidla jsou speciálně konstruována pouze pro suborbitální let; příklady zahrnují vozidla s posádkou, jako je X-15 a SpaceShipOne a neosádkové, jako např ICBM a znějící rakety.

Lety, které dosáhnou dostatečné rychlosti, aby se mohly dostat nízká oběžná dráha Země, a pak de-orbit před dokončením své první úplné oběžné dráhy nejsou považovány za suborbitální. Mezi příklady patří Jurij Gagarin je Vostok 1 a lety Frakční orbitální bombardovací systém.

Let, který nedosáhne vesmíru, se někdy někdy nazývá suborbitální, ale nejedná se o „suborbitální vesmírný let“. Obvykle se používá raketa, ale experimentálního suborbitálního vesmírného letu bylo také dosaženo pomocí a vesmírná zbraň.^[1]

Požadovaná nadmořská výška

Dělová koule Isaaca Newtona. Cesty A a B zobrazují suborbitální trajektorii.

Podle jedné definice suborbitální vesmírný let dosáhne nadmořská výška výše než 100 km (62 mi) výše hladina moře. Tuto nadmořskou výšku, známou jako Kármánova linie, zvolila Fédération Aéronautique Internationale protože to je zhruba bod, kde a vozidlo letí dostatečně rychle, aby se uživilo aerodynamický zdvih z Atmosféra Země bude létat rychleji než orbitální rychlost.^[2] Cena americké armády a NASA křídla astronautů těm, kteří létají nad 80 mil (80 km),^[3] Ačkoliv Americké ministerstvo zahraničí Zdá se, že nepodporuje zřetelnou hranici mezi atmosférickým letem a vesmírný let.^[4]

Obíhat

V době volný pád trajektorie je součástí eliptická dráha jak je uvedeno v orbitální rovnice. The perigeum vzdálenost je menší než poloměr Země R včetně atmosféry, tedy elipsa protíná Zemi, a proto kosmická loď nedokáže dokončit oběžnou dráhu. Hlavní osa je vertikální, poloviční hlavní osa A je více než R/ 2. The specifická orbitální energie ${ displaystyle epsilon}$ darováno:

${ displaystyle varepsilon = - { mu nad {2a}}> - { mu nad {R}} , !}$

kde ${ displaystyle mu , !}$ je standardní gravitační parametr.

Skoro pořád A < R, což odpovídá nižší ${ displaystyle epsilon}$ než minimum pro celou oběžnou dráhu, což je ${ displaystyle - { mu nad {2R}} , !}$

Čistá extra specifická energie potřebná ve srovnání s pouhým zvednutím kosmické lodi do vesmíru je tedy mezi 0 a ${ displaystyle mu nad {2R} , !}$.

Rychlost, rozsah a nadmořská výška

Chcete-li minimalizovat požadované delta-v (an astrodynamický opatření, které silně určuje požadované palivo ), část letu ve vysoké výšce se provádí pomocí rakety off (toto se odborně nazývá volný pád i pro horní část trajektorie). (Srovnat s Oberth účinek.) Maximum Rychlost v letu je dosaženo v nejnižší nadmořské výšce této trajektorie volného pádu, a to jak na začátku, tak na jejím konci.

Pokud je cílem někoho jednoduše „dosáhnout prostoru“, například v soutěži o Cena Ansari X., horizontální pohyb není nutný. V tomto případě je nejnižší požadovaná delta-v pro dosažení 100 km výšky asi 1,4km / s. Pomalejší pohyb s menším volným pádem by vyžadoval více delta-v.

Porovnejte to s orbitálními vesmírnými lety: nízká oběžná dráha Země (LEO) s nadmořskou výškou přibližně 300 km vyžaduje rychlost kolem 7,7 km / s, což vyžaduje delta-v přibližně 9,2 km / s. (Pokud by neexistoval atmosférický odpor, teoretické minimum delta-v by bylo 8,1 km / s, aby se plavidlo dostalo na oběžnou dráhu vysokou 300 km, počínaje stacionárním bodem, jako je jižní pól. Teoretické minimum může být až 0,46 km / méně při startu na východ z blízkosti rovníku.)

U suborbitálních vesmírných letů pokrývajících vodorovnou vzdálenost je maximální rychlost a požadovaná delta-v mezi rychlostmi vertikálního letu a LEO. Maximální rychlost na dolních koncích trajektorie se nyní skládá z horizontální a vertikální složky. Čím vyšší je vodorovná poloha vzdálenost zakryté, tím větší bude horizontální rychlost. (Vertikální rychlost se bude zvyšovat se vzdáleností na krátké vzdálenosti, ale bude se snižovat se vzdáleností na delší vzdálenosti.) Pro V-2 raketa, když se dostal do vesmíru, ale s dojezdem asi 330 km byla maximální rychlost 1,6 km / s. Škálované kompozity SpaceShipTwo který je ve vývoji, bude mít podobnou oběžnou dráhu volného pádu, ale ohlášená maximální rychlost je 1,1 km / s (možná kvůli vypnutí motoru ve vyšší nadmořské výšce).

U větších rozsahů může být díky eliptické oběžné dráze maximální výška mnohem vyšší než u LEO. Na mezikontinentálním letu o délce 10 000 km, jako je například mezikontinentální balistická raketa nebo možná budoucnost komerční vesmírný let, maximální rychlost je přibližně 7 km / s a ​​maximální nadmořská výška může být více než 1300 km vesmírný let které se vrátí na povrch, včetně suborbitálních, podstoupí atmosférický reentry. Rychlost na začátku návratu je v podstatě maximální rychlost letu. The aerodynamické vytápění způsobené se bude lišit podle toho: u letu s maximální rychlostí pouze 1 km / s je to mnohem méně než u letu s maximální rychlostí 7 nebo 8 km / s.

Lze vypočítat minimální delta-v a odpovídající maximální nadmořskou výšku pro daný rozsah, d, za předpokladu sférické Země o obvodu 40 000 km a zanedbání zemské rotace a atmosféry. Nechť θ je polovina úhlu, kterým má projektil obíhat Zemi, takže ve stupních je to 45 ° ×d/ 10 000 km. Trajektorie minimální delta-v odpovídá elipsě s jedním ohniskem ve středu Země a druhým v bodě na půli cesty mezi startovacím bodem a cílovým bodem (někde uvnitř Země). (Jedná se o oběžnou dráhu, která minimalizuje poloviční hlavní osu, která se rovná součtu vzdáleností od bodu na oběžné dráze ke dvěma ohniskům. Minimalizace poloviční hlavní osy minimalizuje specifická orbitální energie a tedy delta-v, což je rychlost spuštění.) Geometrické argumenty vedou k následujícímu (s R je poloměr Země, asi 6370 km):

${ displaystyle { text {hlavní osa}} = (1+ sin theta) R}$

${ displaystyle { text {vedlejší osa}} = R { sqrt {2 ( sin theta + sin ^ {2} theta)}} = { sqrt {(R sin theta) { text {semi-major axis}}}}}$

${ displaystyle { text {vzdálenost apogee od středu Země}} = (1+ sin theta + cos theta) R / 2}$

${ displaystyle { text {nadmořská výška apogee nad povrchem}} = vlevo ({ frac { sin theta} {2}} - sin ^ {2} { frac { theta} {2}} vpravo) R = vlevo ({ frac { sin ( theta + pi / 4)} { sqrt {2}}} - { frac {1} {2}} vpravo) R}$

Všimněte si, že nadmořská výška apogee je maximalizována (přibližně 1320 km) pro trajektorii, která vede čtvrtinu cesty kolem Země (10 000 km). Delší rozsahy budou mít nižší apogee v řešení minimal-delta-v.

${ displaystyle { text {specifická kinetická energie při startu}} = { frac { mu} {R}} - { frac { mu} { text {hlavní osa}}} = { frac { mu } {R}} { frac { sin theta} {1+ sin theta}}}$

${ displaystyle Delta v = { text {rychlost při spuštění}} = { sqrt {2 { frac { mu} {R}} { frac { sin theta} {1+ sin theta} }}} = { sqrt {2gR { frac { sin theta} {1+ sin theta}}}}}$

(kde G je gravitační zrychlení na zemském povrchu). Δv se zvyšuje s doletem, s přiblížením k 20 000 km (v polovině světa) se ustálí na 7,9 km / s. Minimální delta-v trajektorie pro cestu napůl kolem světa odpovídá kruhové dráze těsně nad povrchem (samozřejmě ve skutečnosti by to muselo být nad atmosférou). Podívejte se níže na dobu letu.

An mezikontinentální balistická raketa je definována jako raketa, která může zasáhnout cíl vzdálený nejméně 5500 km, a podle výše uvedeného vzorce to vyžaduje počáteční rychlost 6,1 km / s. Zvýšení rychlosti na 7,9 km / s k dosažení jakéhokoli bodu na Zemi vyžaduje podstatně větší raketu, protože potřebné množství paliva exponenciálně stoupá s delta-v (viz Raketová rovnice ).

Počáteční směr trajektorie minimální delta-v ukazuje na půli cesty mezi přímým směrem nahoru a rovným směrem k cílovému bodu (který je pod horizontem). To platí znovu, pokud je rotace Země ignorována. To neplatí přesně pro rotující planetu, pokud k vypuštění nedojde u pólu.

Doba letu

Ve vertikálním letu ne příliš vysokých nadmořských výšek je čas volného pádu jak pro horní, tak pro dolní část maximální rychlostí dělenou gravitační zrychlení, takže s maximální rychlostí 1 km / s společně 3 minuty a 20 sekund. Doba trvání let fáze před a po volném pádu se mohou lišit.

Pro mezikontinentální let boost fáze trvá 3 až 5 minut, volný pád (fáze středního toku) asi 25 minut. U ICBM trvá atmosférická reentry fáze asi 2 minuty; toto bude delší u každého měkkého přistání, například u možného budoucího komerčního letu.

Suborbitální lety mohou trvat jen několik sekund až dní. Pioneer 1 byl NASA je první vesmírná sonda, určené k dosažení Měsíc. Částečná porucha způsobila, že místo toho následovala suborbitální trajektorii a 43 hodin po startu se vrátila do zemské atmosféry.

Chcete-li vypočítat čas letu pro trajektorii minimální delta-v, podle Keplerův třetí zákon, období pro celou oběžnou dráhu (pokud by nešlo přes Zemi) by bylo:

${ displaystyle { text {period}} = ({ text {semi-major axis}} / R) ^ {3/2} times { text {period of low earth orbit}} = left ({ frac {1+ sin theta} {2}} vpravo) ^ {3/2} 2 pi { sqrt {R / g}}}$

Použitím Keplerův druhý zákon, vynásobíme to částí oblasti elipsy zametené čárou od středu Země k střele:

${ displaystyle { text {area fraction}} = { frac { arcsin { sqrt { frac {2 sin theta} {1+ sin theta}}}} { pi}} + { frac {2 cos theta sin theta} { pi { text {(hlavní osa) (vedlejší osa)}}}}}$

${ displaystyle { begin {zarovnáno} { text {čas letu}} & = left ( left ({ frac {1+ sin theta} {2}} right) ^ {3/2} arcsin { sqrt { frac {2 sin theta} {1+ sin theta}}} + { frac {1} {2}} cos theta { sqrt { sin theta}} right) 2 { sqrt { frac {R} {g}}} & = left ( left ({ frac {1+ sin theta} {2}} right) ^ {3 / 2} arccos { frac { cos theta} {1+ sin theta}} + { frac {1} {2}} cos theta { sqrt { sin theta}} vpravo) 2 { sqrt { frac {R} {g}}} konec {zarovnáno}}}$

To dává asi 32 minut na čtvrtinu cesty kolem Země a 42 minut na půl cesty. Na krátké vzdálenosti je tento výraz asymptotické na ${ displaystyle { sqrt {2d / g}}}$.

Z formy zahrnující arckosin, derivát doby letu s ohledem na d (nebo θ) jde na nulu jako d se blíží 20 000 km (v polovině světa). Derivace Δv zde také jde na nulu. Takže když d = 19 000 km, délka trajektorie minima-v bude asi 19 500 km, ale bude to trvat jen o několik sekund méně času než trajektorie pro d = 20 000 km (pro které je trajektorie dlouhá 20 000 km).

Profily letu

Profil prvního amerického suborbitálního letu s posádkou, 1961. Vypalovací raketa zvedne kosmickou loď na prvních 2:22 minut. Přerušovaná čára: nulová gravitace.

I když existuje mnoho možných suborbitálních letových profilů, očekává se, že některé budou častější než jiné.

X-15 (1958–1968) se zvedne do výšky přibližně 100 km a poté sklouzne dolů.

Balistické střely

První suborbitální vozidla, která se dostala do vesmíru, byla balistické střely. Úplně první balistickou raketou, která se dostala do vesmíru, byla Němka V-2, práce vědců na Peenemünde, 3. října 1942, který dosáhl výšky 97 km.^[5] Na konci 40. let pak USA a USA SSSR souběžně vyvinuté rakety, které byly založeny na raketě V-2, a pak mezikontinentální balistické střely (ICBM) s mnohem větším doletem. Nyní existuje mnoho zemí, které vlastní ICBM a ještě více s kratším dosahem IRBM (Balistické střely středního doletu).

Turistické lety

Suborbitální turistické lety zpočátku se zaměří na dosažení výšky potřebné k tomu, aby se kvalifikovala jako dosažení vesmíru. Dráha letu bude pravděpodobně buď svislá, nebo velmi strmá, přičemž kosmická loď přistane zpět na svém místě vzletu.

Kosmická loď pravděpodobně vypne svůj motory dobře před dosažením maximální nadmořské výšky a poté dojedete do nejvyššího bodu. Během několika minut, od okamžiku, kdy jsou vypnuty motory, do bodu, kdy atmosféra začne zpomalovat zrychlení směrem dolů, cestující zažijí beztíže.

Megaroc bylo plánováno na suborbitální vesmírný let Britská meziplanetární společnost ve 40. letech 20. století.^[6][7]

Na podzim roku 1945 skupina M. Tikhonravov K. a N. G. Chernysheva z NII-4 raketového dělostřelectva Akademie věd technologie z vlastní iniciativy vyvinuli první stratosférický raketový projekt BP-190 pro vertikální let dva piloti do výšky 200 km na základě zachycené německé balistické rakety V-2.^[8]

V roce 2004 pracovala řada společností na vozidlech této třídy jako účastníci soutěže Ansari X Prize. The Škálované kompozity SpaceShipOne byl oficiálně prohlášen Rick Searfoss vyhrát soutěž 4. října 2004 po absolvování dvou letů během dvoutýdenního období.

V roce 2005 Sir Richard Branson z Virgin Group oznámil vytvoření Virgin Galactic a jeho plány na 9místnou kapacitu SpaceShipTwo VSS Podnik. Od té doby byla dokončena s osmi sedadly (jedním pilotem, jedním druhým pilotem a šesti cestujícími) a zúčastnila se testů pro zajetí a přepravu a první mateřské lodi WhiteKnightDvě nebo VMS Eva. Dokončil také solitérní kluzáky s pohyblivými ocasními částmi v pevné i „pernaté“ konfiguraci. The hybridní raketa motor byl několikrát vystřelen v pozemních zkušebnách a podruhé byl vystřelen 5. září 2013.^[9] Byly objednány další čtyři SpaceShipTwos, které budou fungovat od nového Spaceport America. Obchodní lety přepravující cestující se očekávaly v roce 2014, ale byly zrušeny z důvodu katastrofa během letu SS2 PF04. Branson uvedl: „Budeme se učit z toho, co se pokazilo, zjistíme, jak můžeme zlepšit bezpečnost a výkon, a poté společně postupujeme vpřed.“^[10]

Vědecké experimenty

Hlavní využití suborbitálních vozidel je dnes jako vědecký znějící rakety. Vědecké suborbitální lety začaly ve 20. letech 20. století Robert H. Goddard zahájila první kapalné palivo rakety, ale nedosáhly prostor nadmořská výška. Koncem 40. let 20. století zajat Němec Balistické střely V-2 byly převedeny na Znějící rakety V-2 což pomohlo položit základ moderně znějícím raketám.^[11] Dnes jsou na trhu desítky různých znějících raket od různých dodavatelů v různých zemích. Vědci si obvykle přejí provádět experimenty mikrogravitace nebo nad atmosférou.

Suborbitální doprava

Výzkum, jako je například výzkum prováděný pro X-20 Dyna-Soar Projekt naznačuje, že semibalistický suborbitální let by mohl cestovat z Evropy do Severní Ameriky za méně než hodinu.

Velikost rakety, vzhledem k užitečnému zatížení, nezbytná k dosažení tohoto cíle, je však podobná ICBM. ICBM mají delta-v o něco menší než orbitální; a proto by byl o něco levnější než náklady na dosažení oběžné dráhy, ale rozdíl není velký.^[12]

Vzhledem k vysokým nákladům je tedy pravděpodobné, že to bude zpočátku omezeno na náklad s vysokou hodnotou a velmi naléhavý náklad, jako je kurýr lety, nebo jako konečný business jet; nebo případně jako extrémní sport, nebo pro válečný rychlá odpověď.^{[názor ]}

The SpaceLiner je nadzvukový suborbitální kosmická rovina koncept, který by mohl přepravit 50 cestujících z Austrálie na Evropa za 90 minut nebo 100 cestujících z Evropy do Kalifornie za 60 minut.^[13] Hlavní výzva spočívá ve zvýšení spolehlivosti různých komponentů, zejména motorů, aby bylo možné jejich každodenní využití pro přepravu cestujících.

SpaceX potenciálně zvažuje použití jejich Hvězdná loď jako suborbitální transport z bodu do bodu.^[14]

Pozoruhodné bezpilotní suborbitální vesmírné lety

• První suborbitální let do vesmíru proběhl v červnu 1944, kdy testovací raketa V-2 spuštěno z Peenemünde v Německu dosáhl výšky 189 kilometrů.^[15]
• Nárazník 5, dvoustupňová raketa vystřelená z Zkušební areál White Sands. Dne 24. února 1949 dosáhl horní stupeň výšky 249 mil (399 km) a rychlosti 7553 stop za sekundu (2302 m / s; Mach 6,8).^[16]
• SSSR - Energie, 1987, Polyus náklad se nepodařilo dosáhnout oběžné dráhy; toto byl dosud nejhmotnější objekt vypuštěný na suborbitální vesmírný let

Posádkové suborbitální vesmírné lety

Nad 100 km (62,14 mil) nadmořské výšky.

	Datum (GMT)	Mise	Osádka	Země	Poznámky
1	1961-05-05	Mercury-Redstone 3	Alan Shepard	Spojené státy	První posádkou suborbitální vesmírný let, první Američan ve vesmíru
2	1961-07-21	Mercury-Redstone 4	Virgil Grissom	Spojené státy	Druhý suborbitální vesmírný let s posádkou, druhý americký ve vesmíru
3	1963-07-19	Let X-15 90	Joseph A. Walker	Spojené státy	První okřídlené plavidlo ve vesmíru
4	1963-08-22	Let X-15 91	Joseph A. Walker	Spojené státy	První osoba a kosmická loď provedly dva lety do vesmíru
5	1975-04-05	Sojuz 18a	Vasilij Lazarev Oleg Makarov	Sovětský svaz	Orbitální start se nezdařil. Přerušení po poruše během oddělení stupně
6	2004-06-21	Let SpaceShipOne 15P	Mike Melvill	Spojené státy	První komerční vesmírný let
7	2004-09-29	SpaceShipOne let 16P	Mike Melvill	Spojené státy	První ze dvou letů k vítězství Ansari X-Prize
8	2004-10-04	SpaceShipOne let 17P	Brian Binnie	Spojené státy	Druhý let X-Prize, definitivní cena

Budoucnost suborbitálního kosmického letu s posádkou

Soukromé firmy jako Virgin Galactic, Armadillo Aerospace (nově objevený jako Exos Aerospace), Airbus,^[17] Modrý původ a Masten Space Systems se zajímají o suborbitální vesmírné lety, částečně kvůli podnikům, jako je cena Ansari X. NASA a další experimentují scramjet na základě nadzvukový letadlo, které lze dobře použít s letovými profily, které lze kvalifikovat jako suborbitální vesmírný let. Neziskové subjekty jako ARCASPACE a Kodaňští Suborbitals také pokus raketa - na základě spuštění.

Viz také

• Kanadská šipka
• CORONA
• DH-1 (raketa)
• Interorbitální systémy
• Země obrů
• Seznam raketometů
• Výzva Lunar Lander
• McDonnell Douglas DC-X
• Úřad pro přepravu komerčních prostor
• Projekt Morpheus Program NASA bude pokračovat ve vývoji přistávacích modulů ALHAT a Q.
• Quad (raketa)
• Opakovaně použitelné testování vozidel programovat JAXA
• Rocketplane XP
• Kosmodrom
• SpaceX opakovaně použitelný program vývoje systému spouštění
• Nadzvukový transport
• XCOR Lynx

Reference