Túneles espaciales y hierro en la cabeza o por qué necesitamos el cosmódromo de Vostochny

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Última modificación: 2023-12-16 16:02

El otro día me pidieron que consultara la infografía de RIA Novosti, dedicada al primer lanzamiento desde el cosmódromo de Vostochny. Y habrá una simplificación importante debido a las limitaciones del formato del material. De hecho, no necesitamos el cosmódromo de Vostochny porque la mayoría de los lanzamientos civiles tienen lugar desde el cosmódromo de Baikonur.

Pero para explicar por qué lo necesitamos, tendremos que decir por qué la órbita de una nave espacial se puede comparar con un túnel, y también explicar qué tipo de "hierro" cae del cielo y sobre quién cae.

Túnel en el cielo

La física del movimiento orbital es completamente contradictoria. Más bien, es lo contrario de lo que imagina una persona común. E incluso las buenas películas, que aparentemente buscan el realismo, dan una idea completamente errónea de cómo vuelan los satélites y las naves espaciales. ¿Recuerda "Gravity", que voló desde el Hubble a la ISS y luego a la estación china? Incluso si descartamos la diferencia en las alturas orbitales, un parámetro del movimiento orbital mata incluso la más mínima posibilidad de tales vuelos. Este parámetro se llama "inclinación orbital".

Inclinación de la órbitaes el ángulo entre el plano de la órbita del satélite y el plano del ecuador (para un satélite de la Tierra)

Por ejemplo, para el caso de "Gravity", la imagen será así:

Y el hecho de que los planos de las órbitas no coincidan en absoluto no es un problema. El verdadero problema es que para una órbita circular baja (y el Hubble, ISS, Tiangong y la masa de otros satélites son una órbita circular baja), el cambio de inclinación es muy caro. Para "rotar" la órbita en 45 °, tendremos que cambiar nuestra velocidad en unos 8 km / s, la misma cantidad que necesitábamos para entrar en órbita. Y cambiar la velocidad es un desperdicio de combustible y un reinicio de etapas. Es decir, si un cohete con una masa de 300 toneladas pone 7 toneladas en órbita, luego de un cambio de inclinación de 45 °, solo quedarán 150 kilogramos. De hecho, cada orbitador vuela dentro de un túnel invisible, cuyo diámetro depende de su capacidad para cambiar su velocidad. Por lo tanto, al lanzar satélites, intentan llevarlos inmediatamente a la inclinación deseada.

Caminos trillados

¿Qué inclinación se utiliza para los orbitadores existentes? Ahora hay muchos satélites en la órbita de la Tierra:

Si miras de cerca, puedes ver que hay más satélites en algunas órbitas. Aquí hay una imagen que muestra el movimiento de los satélites en relación con la Tierra:

Órbita geoestacionaria (verde). Es una órbita circular con una altitud de 36.000 km y una inclinación de 0 °. El satélite en él está ubicado sobre un punto en la superficie de la tierra, por lo tanto, en la imagen, la órbita geoestacionaria correcta está indicada por un punto verde. Los circuitos verdes son satélites defectuosos o sin combustible. La órbita geoestacionaria está bajo la perturbadora influencia de la luna y es necesario gastar combustible solo para permanecer en su lugar. Esta órbita está habitada por satélites de telecomunicaciones, que son rentables, por lo que ya es difícil encontrar plazas vacantes en ella.

Órbitas GLONAS / GPS (azul y rojo). Estas órbitas tienen una altitud aproximada de 20.000 kilómetros y una inclinación de unos 60 °. Como su nombre lo indica, llevan satélites de navegación.

Órbitas polares (amarillo). Estas órbitas están inclinadas en la región de 90 ° y la altitud no suele superar los 1000 km. En este caso, el satélite volará sobre los polos en cada revolución y verá todo el territorio de la Tierra. Una subespecie separada de tales órbitas son las órbitas sincrónicas con el sol con una altitud de 600 a 800 km y una inclinación de 98 °, en las que los satélites sobrevuelan diferentes partes de la Tierra aproximadamente a la misma hora local. Estas órbitas tienen demanda para satélites meteorológicos, cartográficos y de reconocimiento.

Además, cabe señalar la órbita de la ISS con una altitud de 450 km y una inclinación de 51,6 °.

Geografía despiadada

Bueno, bueno, descubrimos los estados de ánimo, dirá el lector. ¿Y dónde está el cosmódromo? El hecho es que existe una ley física tan desagradable:

La inclinación inicial de la órbita no puede ser menor que la latitud del cosmódromo

¿Porqué es eso? Todo se vuelve más claro si dibujamos la trayectoria del satélite en el mapa de la Tierra:

Si, partiendo de Baikonur, comenzamos a acelerar hacia el este, entonces obtenemos una órbita con una inclinación de latitud de Baikonur, 45 ° (rojo). Si empezamos a acelerar hacia el noreste, entonces el punto más septentrional de la órbita será el norte de Baikonur, es decir, la inclinación será mayor (amarillo). Si intentamos hacer trampa y comenzar a acelerar hacia el sureste, entonces la órbita resultante seguirá teniendo el punto más al norte al norte de Baikonur y, nuevamente, una mayor inclinación (azul).

Pero tal órbita es físicamente imposible, porque no pasa por el centro de masa de la Tierra. Más precisamente, es imposible volar con el motor apagado. Puede estar en esa órbita durante algún tiempo con el motor en marcha, pero el combustible se agotará muy rápidamente.

Por lo tanto, si queremos lanzar satélites a una órbita geoestacionaria no desde el ecuador, necesitamos restablecer de alguna manera la inclinación orbital, consumiendo combustible. Son estos costos los que explican por qué el mismo cohete Soyuz-2.1a lanza con éxito satélites a la órbita geoestacionaria desde el cosmódromo de Kuru cerca del ecuador, pero no se utiliza para estas tareas desde Baikonur.

Rusia es un país del norte. Y si los satélites pueden lanzarse con seguridad a las órbitas polar y GLONASS desde Plesetsk, que se encuentra en una latitud de 63 °, entonces, para una órbita geoestacionaria, cuanto más al sur esté ubicado el cosmódromo, mejor. Y aquí entra en vigor el segundo problema: no todos los territorios son adecuados para un cosmódromo.

Pisar kumpol

Todos los cohetes modernos, al lanzar un satélite, dejan caer etapas gastadas y carenados de morro que caen a la Tierra. Si el lugar del accidente está en otro país, debe negociar con ese país para cada lanzamiento. Por tanto, por ejemplo, la inclinación mínima del cosmódromo de Baikonur no es de 45 °, sino de 51 °, porque de lo contrario la segunda etapa caerá en China:

Y en el lugar donde cayó la primera etapa, hay que negociar con Kazajstán y pagar por el uso de estas áreas. A veces surgen problemas y se retrasa el lanzamiento de satélites. Las áreas de la caída tienen que estar alienadas bastante grandes:

Y en la parte europea de Rusia no hay buenos lugares para un cosmódromo. Jugué con los mapas, en el Cáucaso puedes esquivar e intentar lanzar desde la región de Mozdok, pero aun así tendrás que intentarlo para que las segundas etapas no caigan en Kazajstán. Si lanza un cohete desde Crimea, la primera etapa caerá en áreas pobladas cerca de Rostov-on-Don, y la segunda etapa se esforzará nuevamente por caer en Kazajstán. Y eso sin tener en cuenta los problemas de infraestructura en ambas opciones. En este contexto, observará las inclinaciones disponibles para los puertos espaciales de EE. UU. Y lamentará la crueldad de la física y la geografía.

Pero también tenemos una costa este. Y, si colocamos allí el cosmódromo, entonces será posible encontrar áreas remotas para la caída de las etapas gastadas para las inclinaciones más demandadas: 51, 6 ° (a la ISS y órbita geoestacionaria), 64, 8 ° (GLONASS, algunos satélites de detección de la Tierra), 98 ° (en órbita polar).

Una vez más tesis

El cosmódromo de Vostochny nos permitirá lanzar cargas útiles a la órbita geoestacionaria y a la ISS sin la necesidad de coordinar estos lanzamientos con otros países y pagarles por usar las áreas de exclusión. Se encuentra en la parte sur del país y proporciona una inclinación orbital inicial no peor que la de Baikonur. Es irracional construir un complejo de lanzamiento para el nuevo vehículo de lanzamiento Angara en Baikonur (una vez más, coordinación de lanzamientos y áreas de choque), pero desde Vostochny no proporcionará menos carga útil.

Un detalle agradable: el nuevo complejo de lanzamiento con una torre de servicio, como en Kourou, permitirá lanzar cargas útiles occidentales, que deben montarse en el vehículo de lanzamiento en posición vertical.

Una ventaja es también el desarrollo de infraestructura, un impulso al desarrollo del territorio, una ciudad científica, etc.

UPD: infografía hacia fuera. Es una pena, no tuvimos tiempo de volver a dibujar la ubicación de los satélites. Aún muy brevemente, intentamos explicar lo que está escrito aquí. En mi opinión, resultó muy bien.