Lors du lancement d'un satellite en orbite, le lanceur l'informe généralement de sa vitesse initiale après avoir traversé les couches denses de l'atmosphère à une altitude d'au moins 140 km. Au moment où la vitesse orbitale requise est atteinte, le moteur du dernier étage du lanceur est arrêté. De plus, un ou plusieurs satellites artificiels conçus à des fins différentes peuvent être séparés de cette étape. Au moment de la séparation, le satellite gagne une petite vitesse supplémentaire. Par conséquent, les orbites initiales du satellite et le dernier étage du lanceur sont toujours quelque peu différentes l'une de l'autre.

Outre un ou plusieurs satellites avec tel ou tel équipement et le dernier étage du lanceur, certains détails sont généralement mis en orbite rapprochée, par exemple des parties du cône de nez qui protège le satellite lors du passage à travers des couches denses de l'atmosphère, etc.

En figue. 34 montre la disposition du lancement du satellite "Vostok". Le 12 avril 1961, à bord du vaisseau spatial Vostok, Yu. A. Gagarine a effectué le premier vol orbital habité de l'histoire.

En principe, le point de départ du mouvement du satellite peut être n'importe quel point de son orbite, mais la vitesse caractéristique du lanceur sera minimale si le segment actif se termine près du périgée. Dans le cas où le périgée est proche de couches denses de l'atmosphère, il est particulièrement important que la vitesse acquise par le satellite lors de l'accélération ne soit pas inférieure à une valeur donnée et que sa direction s'écarte le moins possible de l'horizontale. Sinon, le satellite entrera dans les couches denses de l'atmosphère sans effectuer ne serait-ce qu'une seule révolution (ces objets ne sont pas enregistrés comme satellites).

Si l'orbite prévue est suffisamment élevée, de petites erreurs ne menacent pas la mort du satellite, mais à cause d'elles

l'orbite résultante, même si elle ne traverse pas les couches denses de l'atmosphère, peut ne pas convenir aux fins scientifiques prévues.

Figure: 34. (voir scan) Schémas de la fusée porteuse "Vostok", "Soyouz" et les étapes de mise en orbite du vaisseau spatial "Vostok" - 1 - l'un des quatre blocs latéraux du premier étage, 2 - le bloc central (deuxième étage), 3 - le troisième Étage de fusée Vostok, 4 - carénage avant de fusée Vostok, 5 - troisième étage de fusée Soyouz, 6 - vaisseau spatial Soyouz, 7 - carénage de nez de fusée La zone de lancement orbitale comprend généralement un ou plusieurs intervalles passifs. Avec assez haut

le périgée de l'orbite dans laquelle le satellite est injecté, la section d'injection passive peut être plus longue.

La trajectoire de lancement, qui est, en général, une courbe spatiale, est située à proximité du plan de l'orbite du satellite. Si le lancement est effectué exactement vers l'est, alors l'inclinaison du plan orbital est égale à la latitude du site de lancement. Dans ce cas, le plan de l'orbite touche le parallèle. Dans tous les autres cas, l'inclinaison de l'orbite ne peut être que supérieure à la latitude du cosmodrome (en particulier, lors d'un lancement dans une direction ouest, lorsque le plan orbital touche également le parallèle du cosmodrome, l'inclinaison doit être supérieure à 90 °).

L'inclinaison orbitale ne peut être inférieure à la latitude du site de lancement que si une manœuvre est prévue pour changer le plan orbital après le lancement.

En phase active, un satellite peut se séparer du lanceur avant même que le dernier étage ne soit éteint. Après l'arrêt, un deuxième satellite peut être détaché. Évidemment, les orbites des deux satellites seront différentes, mais leurs hauteurs de périgée différeront peu, car lors de l'accélération supplémentaire, le dernier étage ne pourra pas monter trop haut. Apogee même peut être à des hauteurs complètement différentes, car même une petite augmentation de la vitesse initiale soulève brusquement l'apogée (rappel de la Fig. 17 au § 5, chapitre 2). En utilisant cette méthode, les satellites soviétiques Electron-1, -2 ont été lancés en janvier 1964 pour étudier les parties intérieures et extérieures de la ceinture de rayonnement (périgée à des altitudes de 406 et 460, et apogée à 7100 et 68200 km, respectivement).

Tout ce qui précède est également vrai si, à la place du lanceur, un appareil réutilisable est utilisé - un aéronef orbital piloté par une personne (voir § 4, chapitre 7).

Pour lancer un vaisseau spatial en orbite, le lanceur (LV) doit l'informer d'une vitesse bien définie, à la fois en magnitude et en direction aux coordonnées données du point de lancement. Ceci est assuré par le programme de vol, dont la mise en œuvre a lieu lorsque les éléments de commande sont appliqués au BT.

Le lanceur, partant verticalement, pénètre alors dans la section courbe de la trajectoire de vol, au cours de laquelle l'angle d'inclinaison de son axe par rapport à l'horizon local diminue progressivement. Dans les couches denses de l'atmosphère, le lanceur se déplace le long d'une trajectoire proche d'une trajectoire avec une portance nulle, c'est-à-dire que le mouvement se produit avec un angle d'attaque nul.

La vitesse requise pour lancer un engin spatial sur une orbite circulaire dans le champ gravitationnel central de la Terre (première vitesse cosmique) est calculée par la formule

où g- accélération de la chute libre pour la surface de la Terre, g\u003d 9,80665 m / s 2; R- le rayon moyen de la Terre, égal à 6371 km; H- la hauteur de l'orbite de l'engin spatial au-dessus de la surface de la Terre.

Pour la surface de la Terre, comme on le sait, la première vitesse spatiale est de 7,9 km / s, pour km (LEO - terre basse ou orbite de référence) km / s, pour l'OSG - 3,076 km / s.

Pour les orbites elliptiques, les vitesses finales sont comprises entre la première et la seconde vitesse cosmique (7,9 ... 11,2 km / s). Il convient de rappeler qu'en raison de l'utilisation de la rotation de la Terre autour de son propre axe, lors du lancement d'un VG depuis un vaisseau spatial dans une direction est, un incrément de vitesse supplémentaire peut être obtenu, égal à 465 m / s pour l'équateur. Pour la latitude du cosmodrome de Plesetsk (Russie, 63 ° 00 ′ N 41 ° 00 ′ E) - 210 m / s.

En pratique, différentes méthodes de mise en orbite d'un engin spatial sont mises en œuvre, qui diffèrent les unes des autres par l'énergie requise, le programme de changement de poussée, les paramètres des étages BT, la durée du lancement, etc. Cependant, la principale exigence pour le choix du type de lancement est la minimisation de l'énergie. Il existe trois principaux types d'engins spatiaux qui se lancent en orbite:

- retrait totalement actif (retrait direct);

- inférence balistique;

- inférence elliptique (avec un segment de mouvement le long d'une orbite circulaire périgée d'un rayon égal à la distance périgée de l'orbite de transfert ou sans elle).

Quand élevage directil n'y a qu'un seul segment actif, dont les paramètres de mouvement à la fin doivent coïncider avec les paramètres orbitaux requis de l'engin spatial. Ce type de soutirage, par rapport aux deux types de soutirages ultérieurs, est moins économique, car avec une augmentation de la durée de la section active, la consommation d'énergie pour surmonter les forces gravitationnelles augmente. Il est conseillé d'utiliser cette méthode pour lancer un engin spatial uniquement vers LEO (jusqu'à 400 km). Ici, la question du choix d'un programme de propulsion de fusée offrant une consommation d'énergie minimale est d'une grande importance.

Quand retrait balistiquedes trajectoires sont réalisées, qui sont des arcs de trajectoires elliptiques dans le champ gravitationnel central. Dans ce cas, le sommet de la trajectoire elliptique doit toucher l'orbite sur laquelle l'engin spatial est lancé. Au sommet de la trajectoire de l'engin spatial, une impulsion supplémentaire est transmise jusqu'à la vitesse orbitale requise (deuxième segment actif). Cette méthode de lancement, en comparaison avec d'autres, offre une ligne de vue lors du lancement et des conditions plus favorables pour le sauvetage des étages individuels du lanceur; moins de temps est consacré au retrait. Le type de lancement balistique est celui qui consomme le moins d'énergie aux hauteurs orbitales des engins spatiaux jusqu'à 1000 km.

Inférence elliptique- le moyen le plus économique de transférer un engin spatial d'une orbite circulaire à une autre (en termes de coûts de carburant pour les fusées). Avec le lancement elliptique, le vaisseau spatial est d'abord amené en LEO à une altitude de 180 ... 200 km, où (immédiatement ou après un certain laps de temps) il accélère jusqu'à la vitesse périgée de l'ellipse de transition, à l'apogée de laquelle, touchant une orbite donnée, le vaisseau spatial accélère jusqu'à la vitesse orbitale requise. Ceux. la transition se produit le long d'une trajectoire semi-elliptique, qui touche l'orbite circulaire interne (plus petite) de l'extérieur et touche l'orbite circulaire externe (plus grande) de l'intérieur. Ces transitions sont appelées transitions semi-elliptiques ou Homan du nom du scientifique allemand W. Hohman, qui a proposé pour la première fois de les utiliser pour les vols interplanétaires.

L'orbite géostationnaire est largement utilisée en astronautique. Le plus avantageux du point de vue énergétique est le lancement d'un vaisseau spatial vers l'OSG à partir de sites de lancement à l'équateur. Le lancement d'un vaisseau spatial vers l'OSG depuis les cosmodromes russes est plus difficile, car cela nécessite un changement supplémentaire dans le plan orbital du vaisseau spatial. Cette manœuvre énergivore est généralement effectuée par des étages spéciaux allumés à plusieurs reprises du véhicule de lancement - des blocs d'appoint. Dans ce cas, des méthodes de lancement sont utilisées, y compris des sections passives et des orbites de soutien. Les schémas d'injection à deux et trois impulsions, ainsi que l'utilisation du champ gravitationnel de la Lune pour faire tourner le plan orbital de l'engin spatial, ont reçu une application pratique.

Tout comme les sièges dans un théâtre offrent différentes perspectives sur un spectacle, différentes orbites de satellites offrent une perspective, chacune avec un objectif différent. Certains semblent suspendus au-dessus d'un point de la surface, ils offrent une vue constante d'un côté de la Terre, tandis que d'autres tournent autour de notre planète, balayant de nombreux endroits en une journée.

Types d'orbite

À quelle hauteur les satellites volent-ils? Il existe 3 types d'orbites proches de la Terre: haute, moyenne et basse. Sur les hauteurs, les plus éloignées de la surface, il y a généralement de nombreux satellites météorologiques et des satellites de communication. Les satellites tournant en orbite terrestre moyenne comprennent la navigation et des satellites spéciaux conçus pour surveiller une région spécifique. La plupart des engins spatiaux scientifiques, y compris la flotte du système d'observation de la Terre de la NASA, sont en orbite basse.

La vitesse à laquelle les satellites volent dépend de la vitesse de leur mouvement. À mesure que vous vous rapprochez de la Terre, la gravité devient plus forte et le mouvement s'accélère. Par exemple, le satellite Aqua de la NASA met environ 99 minutes pour voler autour de notre planète à une altitude d'environ 705 km, tandis qu'un appareil météorologique situé à 35 786 km de la surface prend 23 heures, 56 minutes et 4 secondes. À une distance de 384 403 km du centre de la Terre, la Lune effectue une révolution en 28 jours.

Paradoxe aérodynamique

Changer l'altitude d'un satellite modifie également sa vitesse orbitale. Il y a un paradoxe ici. Si l'opérateur du satellite veut augmenter sa vitesse, il ne peut pas simplement démarrer les moteurs pour accélérer. Cela augmentera l'orbite (et l'altitude), entraînant une diminution de la vitesse. Au lieu de cela, les moteurs devraient être démarrés dans la direction opposée à la direction du mouvement du satellite, c'est-à-dire effectuer une action qui ralentirait un véhicule en mouvement sur Terre. Cela le fera abaisser, ce qui augmentera la vitesse.

Caractéristiques de l'orbite

En plus de l'altitude, la trajectoire du satellite est caractérisée par l'excentricité et l'inclinaison. Le premier concerne la forme de l'orbite. Un satellite à faible excentricité se déplace le long d'une trajectoire proche d'une trajectoire circulaire. L'orbite excentrique est elliptique. La distance entre le vaisseau spatial et la Terre dépend de sa position.

L'inclinaison est l'angle de l'orbite par rapport à l'équateur. Un satellite qui orbite directement au-dessus de l'équateur a une inclinaison nulle. Si le vaisseau spatial passe au-dessus des pôles nord et sud (géographique plutôt que magnétique), il s'incline de 90 °.

Ensemble - hauteur, excentricité et inclinaison - déterminent le mouvement du satellite et l'apparence de la Terre de son point de vue.

Haut près de la terre

Lorsque le satellite atteint exactement 42164 km du centre de la Terre (environ 36 mille km de la surface), il entre dans la zone où son orbite correspond à la rotation de notre planète. Puisque le vaisseau spatial se déplace à la même vitesse que la Terre, c'est-à-dire que sa période orbitale est de 24 heures, il semble qu'il reste en place au-dessus d'une seule longitude, bien qu'il puisse dériver du nord au sud. Cette orbite haute spéciale est appelée géosynchrone.

Le satellite se déplace sur une orbite circulaire directement au-dessus de l'équateur (l'excentricité et l'inclinaison sont nulles) et reste immobile par rapport à la Terre. Il est toujours situé au même point sur sa surface.

L'orbite de Molniya (inclinaison 63,4 °) est utilisée pour l'observation aux hautes latitudes. Les satellites géostationnaires sont ancrés à l'équateur, ils ne conviennent donc pas aux régions éloignées du nord ou du sud. Cette orbite est assez excentrique: le vaisseau spatial se déplace le long d'une ellipse allongée avec la Terre située à proximité d'un bord. Le satellite étant accéléré par gravité, il se déplace très rapidement lorsqu'il est proche de notre planète. Lorsqu'il s'éloigne, sa vitesse ralentit, il passe donc plus de temps au sommet de l'orbite dans le bord le plus éloigné de la Terre, la distance à laquelle peut atteindre 40000 km. La période orbitale est de 12 heures, mais le satellite passe environ les deux tiers de ce temps sur un hémisphère. Comme une orbite semi-synchrone, le satellite effectue le même trajet toutes les 24 heures, il est utilisé pour la communication dans l'extrême nord ou le sud.

Terre basse

La plupart des satellites scientifiques, de nombreuses stations météorologiques et spatiales sont en orbite terrestre basse presque circulaire. Leur pente dépend de ce qu'ils surveillent. TRMM a été lancé pour surveiller les précipitations sous les tropiques, il a donc une inclinaison relativement faible (35 °) tout en restant proche de l'équateur.

De nombreux satellites d'observation de la NASA ont des orbites presque polaires et fortement inclinées. Le vaisseau spatial se déplace autour de la Terre d'un pôle à l'autre avec une période de 99 minutes. La moitié du temps, il passe du côté diurne de notre planète, et au pôle, il passe du côté nuit.

Au fur et à mesure que le satellite se déplace, la Terre tourne en dessous. Au moment où le vaisseau spatial entre dans la zone éclairée, il se trouve au-dessus de la zone adjacente à la zone de sa dernière orbite. Sur une période de 24 heures, les satellites polaires couvrent la majeure partie de la Terre deux fois: une fois pendant la journée et une fois la nuit.

Orbite synchrone au soleil

Tout comme les satellites géosynchrones doivent être au-dessus de l'équateur, ce qui leur permet de rester au-dessus d'un point, les satellites en orbite polaire ont la capacité de rester en même temps. Leur orbite est synchrone au soleil - lorsque le vaisseau spatial traverse l'équateur, l'heure solaire locale est toujours la même. Par exemple, le satellite Terra traverse le Brésil toujours à 10h30. La prochaine traversée après 99 minutes au-dessus de l'Équateur ou de la Colombie a également lieu à 10h30 heure locale.

Une orbite solaire synchrone est essentielle pour la science, car elle permet à la lumière du soleil d'être stockée à la surface de la Terre, même si elle changera avec la saison. Cette cohérence signifie que les scientifiques peuvent comparer des images de notre planète à la même période de l'année sur plusieurs années sans se soucier des sauts d'éclairage trop importants qui pourraient créer l'illusion du changement. Sans une orbite héliosynchrone, il serait difficile de les suivre dans le temps et de recueillir les informations nécessaires pour étudier le changement climatique.

Le trajet du satellite est ici très limité. Si elle est à 100 km d'altitude, l'orbite doit avoir une inclinaison de 96 °. Tout écart sera inacceptable. Étant donné que la traînée atmosphérique et l'attraction gravitationnelle du Soleil et de la Lune modifient l'orbite de l'engin, il doit être ajusté régulièrement.

Lancement en orbite: lancement

Le lancement d'un satellite nécessite de l'énergie dont la quantité dépend de l'emplacement du site de lancement, de l'altitude et de la pente de sa future trajectoire. Il faut plus d'énergie pour atteindre une orbite éloignée. Les satellites avec une inclinaison significative (par exemple, les satellites polaires) sont plus gourmands en énergie que ceux qui tournent autour de l'équateur. Le lancement en orbite avec une faible inclinaison est assisté par la rotation de la Terre. se déplace à un angle de 51,6397 °. Cela est nécessaire pour faciliter l'accès des navettes spatiales et des fusées russes. Altitude de l'ISS - 337-430 km. Les satellites polaires, en revanche, ne reçoivent pas d'aide de l'impulsion terrestre, ils ont donc besoin de plus d'énergie pour gravir la même distance.

Ajustement

Après le lancement d'un satellite, des efforts doivent être faits pour le maintenir sur une orbite spécifique. Puisque la Terre n'est pas une sphère parfaite, sa gravité est plus forte à certains endroits. Cette inégalité, associée à l'attraction gravitationnelle du Soleil, de la Lune et de Jupiter (la planète la plus massive du système solaire), modifie l'inclinaison de l'orbite. Les satellites GOES ont été corrigés trois ou quatre fois au cours de leur vie. Les LEO de la NASA doivent ajuster leur inclinaison chaque année.

De plus, les satellites de la Terre sont affectés par l'atmosphère. Les couches supérieures, bien que suffisamment clairsemées, offrent une résistance suffisante pour les rapprocher de la Terre. L'action de la gravité fait accélérer les satellites. Au fil du temps, ils brûlent, s'envolent plus bas et plus rapidement dans l'atmosphère, ou tombent sur Terre.

La résistance atmosphérique est plus forte lorsque le soleil est actif. Tout comme l'air d'une montgolfière se dilate et monte lorsqu'il se réchauffe, l'atmosphère monte et se dilate lorsque le soleil lui donne de l'énergie supplémentaire. Les couches les plus minces de l'atmosphère s'élèvent et les plus denses prennent leur place. Par conséquent, les satellites en orbite terrestre doivent changer de position environ quatre fois par an pour compenser la traînée atmosphérique. Lorsque l'activité solaire est à son maximum, la position de l'appareil doit être corrigée toutes les 2-3 semaines.

Débris spatiaux

La troisième raison forçant le changement d'orbite est les débris spatiaux. L'un des satellites de communication Iridium est entré en collision avec un vaisseau spatial russe qui ne fonctionnait pas. Ils se sont brisés, formant un nuage de débris de plus de 2500 pièces. Chaque élément a été ajouté à la base de données, qui compte aujourd'hui plus de 18 000 objets fabriqués par l'homme.

La NASA surveille attentivement tout ce qui peut se trouver sur la trajectoire des satellites, car les débris spatiaux ont déjà dû changer d'orbite plusieurs fois à cause des débris spatiaux.

Les ingénieurs suivent la position des débris spatiaux et des satellites qui pourraient interférer avec les mouvements et planifient soigneusement les manœuvres d'évitement au besoin. La même équipe planifie et exécute des manœuvres pour régler l'inclinaison et la hauteur du satellite.

Revenons un moment au projet numéro 7 "Super skyscraper". Imaginons que nous soyons dans notre super gratte-ciel à une hauteur h \u003e 35,9 · 10 3 km au-dessus de la surface de la Terre, c'est-à-dire que nous nous tenons au plafond à l'envers. Il est clair que sur le même plafond on peut facilement mettre la même boule massive dont parle le baron. Si nous attachons maintenant cette balle avec un câble léger et solide au sol, alors la corde sera tirée (fig. 8.1). Autrement dit, la balle aura un «désir» de tomber au plafond sur lequel nous nous tenons.

Si nous jetons maintenant l'extrémité du câble par la fenêtre de sorte que son extrémité inférieure atteigne le sol et que nous fixons l'extrémité du câble au sol même, la balle étirera tout le câble (si, bien sûr, la masse du câble est bien inférieure à la masse de la balle).

Maintenant, nous allons attacher le satellite à l'extrémité inférieure du câble, que nous allons lancer en orbite, et déplacer prudemment le plafond sur lequel se trouve la balle. Ensuite, la balle commencera à monter d'elle-même (!), En faisant glisser le satellite attaché ci-dessous. Et, remarquez, il semble que nous n'apportions aucune énergie à notre balle par le côté!

Attendons que notre satellite monte à la hauteur h \u003d 35,9 · 10 3 km (c'est à cette hauteur que les corps sont en apesanteur), on l'arrête, on le déconnecte du câble et ... on le pousse doucement par la vitre avec une légère poussée. Et notre satellite deviendra immédiatement un véritable satellite de la Terre, qui se déplace sur l'orbite dite géostationnaire: il tourne autour du centre de la Terre avec une période orbitale de 24 heures et, en même temps, semble tout le temps «pendre» au même point sur la surface de la Terre.

A noter que du point de vue de la physique, ce satellite ne sera pas différent d'un locataire qui se suspendra entre le sol et le plafond de son appartement, situé à une hauteur h \u003d 35,9 · 10 3 km au-dessus de la surface de la Terre! Pour que en théorie le plan du baron est absolument correct.

Répondons maintenant aux questions de ses adversaires.

L'ingénieur s'intéresse à la hauteur de notre tour. Il est clair qu'il est bien supérieur à 35,9 · 10 3 km. Et plus c'est haut, mieux c'est. Après tout, plus la distance entre la balle et le centre de la Terre est grande, plus l'effet centrifuge est fort!

L'homme d'affaires est très optimiste que cette tour permettra d'économiser beaucoup d'argent sur le lancement de fusées spatiales. Il a certainement raison, mais avec une petite mise en garde: les économies commenceront après çacomment la tour sera construite et avant ça -une dépense continue. Il y a des raisons de croire qu'une telle construction est une entreprise assez coûteuse.

L'objection la plus sérieuse a été exprimée par le professeur: il estime que le projet proposé est un projet d'une autre machine à mouvement perpétuel qui fonctionne sans consommer aucune énergie. Et le fait même de l'existence d'une machine à mouvement perpétuel contredit la loi de conservation de l'énergie!

Le professeur a raison: une machine à mouvement perpétuel est, en principe, impossible, mais le modèle proposé est ne pas Machine à mouvement perpétuel. En fait, la montée de la boule due à l'effet centrifuge se produit en raison de l'énergie de la rotation de la Terre. Autrement dit, plus la balle monte haut le long de notre tour, plus la Terre tournera lentement autour de son axe! Prouvons-le.