Давайте отметим на карте мира все действующие космодромы планеты. Всего их около тридцати, и большинство из них страны стремятся построить как можно ближе к экватору. Например, главный космодром Европы находится совсем не на европейском континенте, а на территории Французской Гвианы в Южной Америке. А Китай свою новую космическую гавань разместил на главном курорте страны – южном острове Хайнань. Почему же экватор стал линией космического притяжения?
Фото: SpaceX, unsplash.com
Российский космос в казахской степи
12 февраля 1955 года советское правительство приняло решение о строительстве военного полигона для отработки запуска первой советской межконтинентальной баллистической ракеты. Чтобы определиться с местом расположения полигона, собрали специальную комиссию. Необходимо было найти большой по площади малонаселенный район, находящийся неподалеку от источников пресной воды и железной дороги.
Главными кандидатами для родины первого в мире космодрома стали Дагестан, Астраханская область, Марийская АССР и юг Казахской ССР. Помимо того, что последний вариант позволял наиболее удачно разместить наземные пункты радиоуправления ракетой, на строительстве в этом месте настаивал и Сергей Королев.
Конструктор, который спустя шесть лет отправит на околоземную орбиту первый в мире космический аппарат с человеком на борту, считал, что чем ближе площадка для старта будет находиться к экватору, тем эффективнее будет запуск. В итоге первый в мире космодром, известный во всем мире как Байконур, построили в Кызыл-Ординской области Казахской ССР, самом южном из предлагаемых мест. Как показала история, мнение Королева разделяли все международные специалисты космической отрасли.
Почему космодромы тянет на юг?
Если вы не сторонник концепции «плоской земли», то, вероятно, знаете, что наша планета делает полный оборот вокруг своей оси за 24 часа. Именно этой энергией и стремятся воспользоваться строители космодромов, размещая их поближе к экватору. Вращение Земли – это своеобразная «бонусная скорость» к запуску космических кораблей.
Объяснить концепцию довольно просто: длина экватора Земли составляет 40 075 км. Именно такое расстояние преодолевает за сутки пролегающая на нем поверхность планеты. Отсюда легко высчитать горизонтальную скорость экватора – 1674 километра в час, или 464 метра в секунду.
Конечно, одной только силой вращения планеты ракету на орбиту вывести невозможно, но эту скорость можно смело учитывать в необходимых 7800 м/с – орбитальной скорости, нужной, чтобы космический аппарат с выключенным двигателем вращался вокруг планеты и не падал с неба.
Сравнительно разница кажется небольшой, но дополнительные 464 м/с на целых 6 процентов увеличивают грузоподъемность ракет-носителей. А это немало, учитывая вес космических аппаратов и топлива, необходимого для преодоления земной гравитации.
Представьте, что вы катаетесь на карусели со своим другом. Он сидит поближе к центру, а вы – на краю. У вас обоих одинаковая скорость вращения (угловая скорость), но поскольку вы преодолеваете за один оборот большее расстояние, то движетесь быстрее.
Теперь подумаем масштабнее: представьте, что вы сидите в ракете на стартовой площадке в Байконуре, а ваш друг – на северном космодроме Плесецк, и расстояние, которое он преодолевает за один оборот планеты, значительно меньше, чем у вас. Соответственно, линейная скорость вашего друга тоже будет меньше. В тот момент, когда ваш космический аппарат оторвется от Земли, она составит 323 м/с, а у ракеты в Плесецке – всего 212 м/с.
Давайте теперь посчитаем деньги. Запуск на орбиту одного килограмма с помощью ракеты «Союз-2» стоит от 4 до 11 тысяч долларов. Цена складывается из стоимости строительства одноразовой ракеты-носителя, подготовки к запуску и общего количества груза, который она сможет поднять в космос.
При равных условиях «Союз-2», запущенный с космодрома «Восточный», может доставить на геостационарную орбиту 2 тонны груза. Но та же самая ракета, стартующая с космодрома Куру в Гвиане, сможет взять на борт уже 3,2 тонны. Ощущаете экономический эффект?
«Союз» у экватора
Еще в 2002 году правительства России и Французской Гвианы договорились о долгосрочном сотрудничестве, которое принесло плоды девять лет спустя. Компании «Роскосмос» и Arianespace впервые запустили российскую ракету со стартовой площадки Гвианского космического центра. Следующие 10 лет с побережья Атлантического океана ежегодно совершались по 2–4 запуска российских «Союз-2» и «Союз-СТ».
Расположение Куру всего в 500 км от экватора давало 60-процентное преимущество по полезной нагрузке в сравнении с космодромом Восточный, и 40-процентное – с Байконуром. Конечно, без трудностей не обошлось, и в экваториальном климате российские специалисты столкнулись с погодными проблемами, не характерными для отечественных космодромов. Например, в 2020 году старт ракеты приходилось переносить из-за сильного градиентного ветра, который с изменением высоты менял свои направление и скорость.
Второй проблемой региона стали ливни, идущие без перерыва по несколько дней. Поэтому французские специалисты установили на стартовом комплексе «Союзов» уникальную башню обслуживания, которую теперь используют и на российском Восточном.
Взгляд под углом
Сегодня около Земли, по разным данным, находится от 5465 до 11 330 искусственных спутников. Они вращаются на низкой, средней и высоких орбитах как параллельно линии экватора, так и под углом к ней.
Самая востребованная на данный момент орбита – геостационарная, она проходит ровно над экватором на высоте 36 тыс. километров. Находящиеся на ней спутники двигаются с угловой скоростью, совпадающей с вращением Земли, то есть после запуска они «нависают» над одной и той же точкой на карте. Эта орбита используется, в основном, для телекоммуникаций: находящаяся на Земле антенна, однажды направленная на спутник, сможет постоянно поддерживать с ним связь.
Чтобы вывести спутник на геостационарную орбиту, необходимо запустить его таким образом, чтобы он вращался в итоге именно вдоль экватора. А эта задача не так проста, как выглядит на первый взгляд. Для начала следует понимать, что любая орбита может пролегать только через центр массы Земли, то есть запустить космический аппарат так, чтобы он обращался параллельно экватору, но на другой широте, невозможно без постоянной траты топлива. Поэтому все орбиты пересекаются с плоскостью вращения Земли под тем или иным углом.
И для того, чтобы вывести орбиту космического аппарата на геостационарную, необходимо «повернуть» ее и свести угол наклона к нулю. Для этого спутник должен совершить орбитальный маневр, то есть запустить реактивный двигатель и потратить топливо. Причем довольно много. Например, чтобы изменить угол обращения на 45 градусов, придется использовать примерно столько же топлива, сколько потребовалось для вывода спутника на орбиту.
Поэтому, если мы планируем оказаться на геостационарной орбите, очевидно, нужно сразу запускать аппарат под наименьшим углом. Но тут вступает в силу правило, очень обидное для нашей северной страны: угол орбиты к экватору после старта космического аппарата не может быть меньше широты, с которой производился запуск.
Чтобы понять причину, достаточно посмотреть, как орбита спутника выглядит на карте.
Например, если мы произведем запуск строго на восток с космодрома Куру, то угол начальной орбиты составит всего 5 градусов. Для космодрома Восточный он никак не может стать меньше 51 градуса, для космодрома Плесецк – не меньше 62 градусов. Это не повлияет на запуск аппаратов ГЛОНАСС или GPS, которым не требуется геостационарная орбита, но вывод большинства спутников связи будет обходиться дороже, чем в более низких широтах.
Если экватор не идет к космодрому, то космодром идет к экватору
Если территорию страны не пересекает экватор, но запускать космические корабли хочется с более южных точек, то можно либо затевать совместные проекты со странами, обладающими подходящей территорией, как, например, в случае с «Союзами» на Куру, либо арендовать территорию для старта – по примеру Байконура, который, несмотря на то что находится в Казахстане, является российским космодромом.
Но есть и третий путь. В 1995 году компании из США, России, Норвегии и Украины инициировали международный проект Морской старт. Идея заключалась в том, чтобы проводить запуски космических кораблей с экватора прямо в нейтральных водах.
Морской старт начался на севере. 133-метровую нефтяную платформу Океанская одиссея – на тот момент самое большое полупогружное судно в мире – доставили на судостроительный завод в Выборге, где российские специалисты переоборудовали ее в плавучий космодром.
Плавучий космодром Морской старт. Фото: John Murphy, flickr.com
Для проекта были разработаны уникальные технологии, ведь все составляющие космодрома: стартовый стол, монтажно-испытательный комплекс, заправочную систему и все то, что на том же Байконуре занимает огромные территории, – необходимо было разместить в относительно небольшом объеме платформы и судна обеспечения.
Платформу, а также ракету-носитель «Зенит-3SL» переправили в американский Лонг-Бич, а оттуда – к острову Рождества в Тихом океане. В момент запуска платформа была полностью необитаема: вся команда переходила на корабль обслуживания Sea Launch Commander, где располагались все органы запуска.
Пуск проходил удаленно – и это тоже уникальная технология. На борту Launch Commander была установлена такая же техника, как и в наземных пунктах запуска, только вот на обычных космодромах сигналы передавались к стартовому столу по проводам, а Морской старт был дистанционным.
Первый пуск космической ракеты с морской платформы произошел в марте 1999 года, после чего до заморозки проекта в 2014 году Морской старт провел еще 35 коммерческих запусков. Успешными были не все – платформа отметилась тремя авариями, одна из которых произошла прямо на стартовом столе.
Северный космодром
Зачем же России самый северный в мире космодром Плесецк, находящийся в 400 км от Северного Полярного круга? Расположение рядом с экватором и эффект дополнительного импульса от вращения Земли наиболее заметен в том случае, если спутник нужно запустить по орбите с небольшим углом. Однако далеко не каждому спутнику нужна такая траектория.
Если космический аппарат должен выйти на орбиты, перпендикулярные экватору, то ситуация обратная: наиболее выгодным будет расположение стартовой площадки поближе к одному из полюсов: это избавит от необходимости компенсировать тот самый импульс вращения планеты.
Например, МКС имеет наклон орбиты 51 градус, и большая часть спутников на низкой орбите следуют по полярным траекториям, которые захватывают гораздо большую площадь поверхности Земли, что важно, например, для исследовательских или климатических аппаратов.
Большинство таких спутников не должны двигаться на восток относительно поверхности Земли, поэтому их запуску никак не помогает ускорение от вращения планеты. Наоборот, на каком-то этапе они должны компенсировать восточное движение стартовой площадки. И если они запускаются с места, близкого к экватору, например с космодрома Куру, им приходится тратить больше топлива на пространственный маневр.
По этой же причине с северного Плесецка удобно запускать спутники на ретроградную орбиту – то есть направленную против вращения Земли. Такие траектории чаще всего используют для разведывательных аппаратов, которые за сутки больше десятка раз облетают вокруг планеты.
За историю своего существования космодром Плесецк вывел на орбиты 2144 космических аппарата. Сегодня он является вторым после Байконура космодромом мира по количеству пусков. А в 1970–1990-е годы и вовсе удерживал мировое лидерство. Поэтому полюс и экватор, возможно, еще посоперничают за звание точки космического притяжения.
Это новость от журнала ММ «Машины и механизмы». Не знаете такого? Приглашаем прямо сейчас познакомиться с этим удивительным журналом.
