Сверхлегкие ракеты-носители: зачем летят космические ласточки
Что общего у бокса и космических ракет-носителей? И там, и там игроки в сверхлегком весе так же интересны, как тяжеловесы. У сверхлегких ракет-носителей свои преимущества, и своя напряженная борьба за результат и место в небе. Чем сегодня берут победу в запусках малых спутников, векторы развития в сверхлегком весе, фавориты – об этом сегодняшний обзор Naked Science. И немножко баллистики на закуску.
Сверхлегкий носитель и его полезная нагрузка
Все космические аппараты люди выводят на орбиту ракетами-носителями. Это большие технические устройства, работа которых — разогнать груз до заданной орбитальной скорости. Они создают движение — стрелу скорости с заданной величиной, направлением в пространстве, высотой, географической точкой и временем. С точностью параметров полученного движения в пределах заданных значений. Точность выведения может влиять на эффективность работы космического аппарата. Например, если он не пройдет точно над целью, то не сможет сфотографировать ее ровно сверху (а это часто критичный показатель).
У ракет-носителей много характеристик, главная из которых – масса полезной нагрузки. Это наибольшая масса груза, которую ракета способна вывести на низкую (около 200 км) околоземную орбиту с наклонением в первые десятки градусов, или максимальная расчетная полезная нагрузка при пуске ракеты с самого южного своего старта. От высоты и наклонения орбиты зависит расход топлива ракеты на выведение. Иногда приходится отказываться от части груза, чтобы взять больше топлива. Поэтому для разных высот или характерных орбит (для полярных орбит, для геостационарной) приводится разная полезная нагрузка. Массы полезных нагрузок образуют широкий диапазон, на его краях различаясь примерно в шестьсот тысяч раз.
Бесконечная любовь людей к классификации не обошла и грузоподъемность ракет-носителей. Наибольшие грузы, свыше ста тонн, выводят на орбиту сверхтяжелые носители. На другом конце диапазона находятся полезные нагрузки в сотни и десятки килограммов (а то и еще меньше). Условная граница в 500 кг массы груза отделяет легкие ракеты-носители от более тяжелых классов. Но груз ведь может весить и всего несколько килограмм. Неужели бывают такие небольшие ракеты-носители? Бывают! Они называются «сверхлегкими».
В самую легкую категорию грузоподъемности выделяют сверхлегкие ракеты-носители
Правда, не существует официального, общепризнанного документа или решения уполномоченной наднациональной организации, точно определяющего максимальную массу груза сверхлегкой ракеты-носителя. Это такая же условность, как и разделение самолетов, подлодок, двигателей и прочей техники на популярные ныне поколения — этакие псевдокатегории, широко распространившиеся с легкой руки журналистов и писателей.
Не будем относить к сверхлегким носителям большие и многотонные боевые межконтинентальные ракеты, переоборудованные для запуска на орбиту. Да, они формально соответствуют — полезная нагрузка у них совсем небольшая, но они создавались для совсем других, не рыночных задач, и не иллюстрируют сегодняшний вектор развития сверхлегких носителей.
В информационном пространстве встречаются значения максимальной полезной нагрузки для сверхлегких ракет-носителей и в 250 кг, и в 100 кг, и другие. И мы не станем здесь определять точную максимальную массу груза и подробно обосновывать свой выбор. Пусть ориентиром будет 50 – 250 кг. Много это или мало — вопрос риторический. Ибо мал золотник, да дорог; нагрузки и гораздо меньших масс могут решать огромное количество важных задач.
Развитие технологий позволяет сегодня работать с миниатюрными устройствами, уменьшая массу спутников. Те же гироскопы и акселерометры стоят сейчас в практически любом мобильном телефоне. В том же телефоне вы найдете и оптические камеры, и устройства передачи данных. Оснастите мобильник системой ориентации в пространстве, терморегуляцией и энергией — вот вам и платформа для крошечного космического аппарата. Сразу становится понятно, почему так популярны в последнее десятилетие кубсаты (от английского Cube Satellite – кубический спутник), спутники с корпусом в форме куба с длиной ребра 10 сантиметров.
Для простоты разработки и оперирования такими спутниками были созданы стандарты (например, масса не более 1⅓ кг). Одну кубическую единицу обозначают 1U – 1 Unit. Кубсаты можно объединять в связки из двух, трех и более спутников, создавая модульные конструкции, обозначаемые от 2U до 16U.
Понятно, что стоимость выведения кубсата формата U1 очень невелика, то есть укладывается в первые десятки тысяч долларов. Это делает запуск такого спутника доступным очень широкому кругу владельцев и операторов. Стоимость его изготовления тоже не так высока, как у космических аппаратов массой в несколько тонн. Кубсаты могут запускаться попутным грузом больших ракет, и помногу за один пуск. Сотня кубсатов дадут суммарный стартовый нетто-вес всего-то в 130 кг. Плюс небольшой вес адаптера — вспомогательной конструкции для крепления кубсатов в ракете и правильного отделения их на орбите. Сегодня в космос запущено много сотен кубсатов, причем не только на околоземные орбиты, но и в межпланетные полеты.
Но и кубсаты не предел миниатюризации. Совсем недавно появился еще меньший стандарт спутников, это уже фактически «карманные» аппараты-кубики, с длиной ребра всего пять сантиметров и массой не более 250 граммов. Стоимость запуска такого микроспутника составляет всего несколько тысяч долларов. Используя архитектурные решения кубсатов, покеткубы продолжают линию удешевления доступа техники в космос для самых широких кругов пользователей.
Конечно, мелкие космические аппараты могут быть и покрупнее, все равно оставаясь в категории малых – например, массой в десятки килограммов. От микроволновки до холодильника в космосе. Их бортовое оборудование и выполняемые полетные задачи варьируются в самых широких пределах. Это и съемка объектов на Земле в различных диапазонах, и образовательные университетские программы, развитие систем связи, различные технологические задачи вроде калибровки наземных систем наблюдения за околоземным космическим пространством, и многое другое.
Птицу видно по полету, или Орбита и ее эффективность
«Чтобы понять всю красоту Лейлы, нужно смотреть на нее глазами Меджнуна», как писал Фирдоуси. Чтобы прочувствовать возможности сверхлегких ракет-носителей, совершим небольшую экскурсию в орбитальную баллистику. А затем вернемся к ракетам, уже с баллистическим пониманием их способностей.
Эффективность спутника определяется не только его начинкой, но и тем, как именно устроен его путь в космосе
Эффективность выполнения спутником полетного задания определяется не только его бортовой начинкой. Не менее важен и его путь в космосе. Какая форма орбиты — круговая или вытянутая? Каково ее наклонение к экваториальной плоскости Земли? Высота круговой орбиты, или перигея и апогея у эллиптической? Как орбита расположена в пространстве?
Эти ключевые параметры орбиты зададут другие особенности движения — скорость полета, период обращения, особенности прецессии (постепенного поворота орбитальной плоскости в пространстве), прохождение трассы полета по поверхности Земли, и другие моменты.
С какой высоты и под каким углом вести съемку местности и объектов на ней? Чем ниже, тем лучше и подробнее можно рассмотреть интересующие детали — расстояние имеет значение. Но чем выше, тем больше подспутниковое пятно обзора. Но тоже до определенного предела — ведь края обзора тонут в атмосферной дымке, не выявляя в ней деталей. Каков наилучший баланс между широтой обзора и детализацией снимка для данного спутника, его аппаратуры и его задачи? Выбор этого баланса определит оптимальную высоту съемки — то есть оптимальную высоту полета.
А в каком географическом районе проводится съемка? Небольшой спутник можно запустить в интересах наблюдения отдельной местности. И чем меньше спутник и дешевле его запуск, тем доступнее такое решение для отдельного района. Это может быть акватория заданного моря — для контроля рыбных ресурсов, метеоусловий, ледовой обстановки или движения судов. Или нам нужно, допустим, наблюдать за состоянием сельскохозяйственных площадей отдельной области. Точно и быстро наносить на карту региональные пожары. Контролировать горные местности. Да мало ли есть важных локальных задач!
В таком случае необходимо обеспечить такой полет спутника, чтобы он после прохождения экватора поднимался (или, в южном полушарии, опускался) до нужной географической области. Добирался до той широты, на которой лежит целевой район, вплоть до его самых северных (или южных) границ. Это задаст наклонение плоскости орбиты спутника — оно должно быть не меньшим, чем географическая широта района. Ведь если наклонение орбиты недостаточное, то спутник просто «не дотянет» до этой широты, и не пройдет над целью. Наклонение можно сделать и больше широты района съемки — тогда спутник будет прочеркивать заданный район наискось, поднимаясь к полярной зоне или спускаясь оттуда.
Помимо достижения нужной широты, спутник не должен проходить сильно западнее или восточнее целевого района. Иначе район будет виден спутнику лишь в виде линии далеко в дымке горизонта, или не виден вообще. Как часто спутник будет проходить вблизи района, и где именно? Ведь трасса полета — линия из подспутниковых точек на поверхности Земли — в большинстве случаев проходит не через одно и то же место Земли. Земля вращается, и это дает сразу два смещения трассы при каждом витке спутника.