Túneis espaciais e ferro na cabeça ou por que precisamos do cosmódromo de Vostochny

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Última modificação: 2023-12-16 16:14

Outro dia me pediram para consultar o infográfico da RIA Novosti, dedicado ao primeiro lançamento do cosmódromo Vostochny. E haverá uma grande simplificação devido às limitações do formato do material. Na verdade, não precisamos do cosmódromo de Vostochny porque a maioria dos lançamentos civis ocorrem a partir do cosmódromo de Baikonur.

Mas, para explicar por que precisamos disso, teremos que dizer por que a órbita de uma espaçonave pode ser comparada a um túnel, e também explicar que tipo de "ferro" cai do céu e em quem ele cai.

Túnel no céu

A física do movimento orbital é totalmente contra-intuitiva. Em vez disso, é o oposto do que uma pessoa comum imagina. E mesmo bons filmes, aparentemente buscando o realismo, dão uma ideia completamente errada de como os satélites e espaçonaves voam. Lembra-se de "Gravity", que voou do Hubble para a ISS e depois para a estação chinesa? Mesmo se descartarmos a diferença nas alturas orbitais, um parâmetro do movimento orbital mata até mesmo a menor chance de tais voos. Este parâmetro é denominado "inclinação orbital".

Inclinação da órbita é o ângulo entre o plano da órbita do satélite e o plano do equador (para um satélite da Terra)

Por exemplo, para o caso de "Gravidade" a imagem ficará assim:

E o fato de os planos das órbitas não coincidirem em absoluto não é um problema. O verdadeiro problema é que para uma órbita circular baixa (e o Hubble, ISS, Tiangong e a massa de outros satélites são uma órbita circular baixa), a mudança na inclinação é muito cara. Para "girar" a órbita em 45 °, teremos que mudar nossa velocidade em cerca de 8 km / s, a mesma quantidade que precisávamos para entrar em órbita. E mudar a velocidade é um desperdício de combustível e uma reconfiguração de estágios. Ou seja, se um foguete com massa de 300 toneladas colocar 7 toneladas em órbita, depois de uma mudança de inclinação de 45 °, restarão apenas 150 quilos. Na verdade, cada orbitador voa dentro de um túnel invisível, cujo diâmetro depende de sua capacidade de alterar sua velocidade. Portanto, ao lançar satélites, eles tentam trazê-los imediatamente para a inclinação desejada.

Estradas batidas

Qual inclinação é usada para orbitadores existentes? Existem muitos satélites na órbita da Terra agora:

Se você olhar de perto, pode ver que há mais satélites em algumas órbitas. Aqui está uma imagem que mostra o movimento dos satélites em relação à Terra:

Órbita geoestacionária (verde). É uma órbita circular com altitude de 36.000 km e inclinação de 0 °. O satélite está localizado acima de um ponto da superfície terrestre, portanto, na foto, a órbita geoestacionária correta é indicada por um ponto verde. Os loops verdes são satélites com defeito ou sem combustível. A órbita geoestacionária está sob a influência perturbadora da lua, e você precisa gastar combustível apenas para se manter no lugar. Esta órbita é habitada por satélites de telecomunicações, que são lucrativos, por isso já é difícil encontrar lugares vagos nela.

Órbitas GLONAS / GPS (azul e vermelho). Essas órbitas têm uma altitude de aproximadamente 20.000 quilômetros e uma inclinação em torno de 60 °. Como o nome indica, eles carregam satélites de navegação.

Órbitas polares (amarelo). Essas órbitas são inclinadas em torno de 90 ° e a altitude geralmente não é superior a 1000 km. Neste caso, o satélite sobrevoará os pólos a cada revolução e verá todo o território da Terra. Uma subespécie separada de tais órbitas são órbitas sincronizadas com o Sol com uma altitude de 600-800 km e uma inclinação de 98 °, nas quais os satélites voam sobre diferentes partes da Terra aproximadamente ao mesmo tempo local. Essas órbitas são demandadas por satélites meteorológicos, de mapeamento e reconhecimento.

Além disso, deve-se observar a órbita da ISS com uma altitude de 450 km e uma inclinação de 51,6 °.

Geografia sem coração

Bem, bem, descobrimos os humores, dirá o leitor. E onde fica o cosmódromo? O fato é que existe uma lei física muito desagradável:

A inclinação inicial da órbita não pode ser menor que a latitude do cosmódromo

Por que é que? Tudo fica mais claro se traçarmos a trajetória do satélite no mapa da Terra:

Se nós, partindo de Baikonur, começarmos a acelerar para o leste, então teremos uma órbita com uma inclinação da latitude de Baikonur, 45 ° (vermelho). Se começarmos a acelerar para o nordeste, então o ponto mais ao norte da órbita será o norte de Baikonur, ou seja, a inclinação será maior (amarelo). Se tentarmos trapacear e começar a acelerar para o sudeste, a órbita resultante ainda terá o ponto mais ao norte ao norte de Baikonur e, novamente, uma inclinação maior (azul).

Mas tal órbita é fisicamente impossível, porque não passa pelo centro de massa da Terra. Mais precisamente, é impossível voar com o motor desligado. Você pode ficar nessa órbita por algum tempo com o motor funcionando, mas o combustível acabará muito rapidamente.

Assim, se quisermos lançar satélites em órbita geoestacionária não a partir do equador, precisamos redefinir de alguma forma a inclinação orbital, consumindo combustível. São esses custos que explicam por que o mesmo foguete Soyuz-2.1a lança com sucesso satélites em órbita geoestacionária do cosmódromo Kuru próximo ao equador, mas não é usado para essas tarefas em Baikonur.

A Rússia é um país do norte. E se os satélites podem ser lançados com segurança em órbitas polares e GLONASS de Plesetsk, que está localizado a uma latitude de 63 °, então para uma órbita geoestacionária, quanto mais ao sul o cosmódromo estiver localizado, melhor. E aqui o segundo problema entra em vigor - nem todo território é adequado para um cosmódromo.

Pise Kumpol

Todos os foguetes modernos, ao lançar um satélite, lançam estágios gastos e carenagens de nariz que caem na Terra. Se o local do acidente for em outro país, você terá que negociar com esse país para cada lançamento. Portanto, por exemplo, a inclinação mínima do cosmódromo de Baikonur não é de 45 °, mas de 51 °, porque senão o segundo estágio cairá na China:

E no local onde caiu a primeira fase, você tem que negociar com o Cazaquistão e pagar pelo uso dessas áreas. Às vezes, surgem problemas e o lançamento dos satélites é atrasado. As áreas da queda têm que ser alienadas bastante grandes:

E na parte europeia da Rússia não há bons lugares para um cosmódromo. Eu brinquei com os mapas, no Cáucaso você pode esquivar e tentar lançar da região de Mozdok, mas mesmo assim você terá que tentar para que as segundas etapas não caiam no Cazaquistão. Se você lançar um foguete da Crimeia, o primeiro estágio cairá em áreas povoadas perto de Rostov-on-Don, e o segundo estágio novamente se esforçará para cair no Cazaquistão. E isso sem levar em conta os problemas de infraestrutura em ambas as opções. Contra esse pano de fundo, você observará as inclinações disponíveis para os portos espaciais dos Estados Unidos e lamentará a crueldade da física e da geografia.

Mas também temos uma costa leste. E, se colocarmos o cosmódromo ali, então será possível encontrar áreas remotas para a queda dos estágios gastos para as inclinações mais exigidas: 51,6 ° (para a ISS e órbita geoestacionária), 64,8 ° (GLONASS, alguns satélites sensores da Terra), 98 ° (em órbita polar).

Mais uma vez tese

O cosmódromo Vostochny nos permitirá lançar cargas úteis para a órbita geoestacionária e para a ISS sem a necessidade de coordenar esses lançamentos com outros países e pagá-los pelo uso das áreas de exclusão. Ele está localizado na parte sul do país e oferece uma inclinação orbital inicial não pior do que Baikonur. É irracional construir um complexo de lançamento para o novo veículo de lançamento Angara em Baikonur (mais uma vez, coordenação de lançamentos e áreas de colisão), mas de Vostochny não fornecerá menos carga útil.

Coisinha simpática: o novo complexo de lançamento com torre de serviço, como em Kourou, permitirá o lançamento de cargas úteis ocidentais, que devem ser montadas no veículo lançador em posição vertical.

Um bônus também é o desenvolvimento de infraestrutura, um impulso para o desenvolvimento do território, uma cidade da ciência e assim por diante.

UPD: infográfico lançado. É uma pena, não tivemos tempo de redesenhar a localização dos satélites. Ainda muito brevemente, procuramos explicar o que está escrito aqui. Na minha opinião, saiu muito bem.