Ғарышқа ұшу және ғарыш кеңістігіндегі саяхаттар

Кіріспе

Ғарышқа ұшу (немесе ғарышқа саяхат) – ғарышқа немесе ғарыш кеңістігіне, әдетте ғарыш кемелерімен, адамдармен немесе адамдарсыз ұшу. Ғарышқа ұшудың көп бөлігі ұшқышсыз болып келеді және негізінен Жер орбитасындағы спутниктік аппараттар арқылы жүзеге асырылады, сондай-ақ Жер орбитасынан тысқары сапарлар үшін ғарыш зондтары да қолданылады. Мұндай ғарышқа ұшулар телероботтық немесе автономды басқару арқылы жүзеге асырылады. Алғашқы орбиталық спутниктерден кейін жақын арада адамдардың ғарышқа ұшуы қолға алынып, Айға сәтті сапар жасалды және ғарыш станцияларын пайдалану арқылы Жер төңірегіндегі ғарышта адамдардың тұрақты болуына қол жеткізілді. Адамдарды ғарышқа жіберу бағдарламаларына «Союз», «Шэньчжоу», өткен ғасырлардағы «Аполлон» Айға қондыру және «Шаттл» бағдарламалары жатады. Қазіргі кездегі ғарышқа ұшулар Халықаралық ғарыш станциясына және Қытайдың «Тяньгун» ғарыш станциясына жүзеге асырылуда. Ғарышқа ұшу Жер орбитасына байланыс спутниктерін, барлау спутниктерін, Жерді қадағалау спутниктерін орналастыру үшін, сондай-ақ ғарыш обсерваториялары мен ғарыш зондтары сияқты ғарыш зерттеулері үшін, тіпті ғарыш туризмі үшін де пайдаланылады. Ғарышқа ұшу әртүрлі типтегі ұшыру жүйелері арқылы жүзеге асырылуы мүмкін, дәстүрлі түрде ракеталардың көмегімен, олар ауырлық күшінің әсерін жеңіп, ғарыш кемесін Жер бетінен ұшыру үшін қажетті бастапқы итермелеуді қамтамасыз етеді. Ғарыш кеңістігіндегі ғарыш кемесінің қозғалысы – итеркіш күші болған кезде де, болмаған кезде де – астродинамика саласының зерттеу пәні болып табылады. Кейбір ғарыш кемелері іс жүзінде шексіз уақытқа дейін ғарышта қалып, ғарыш ластануының – жарық ластануы мен ғарыш қиқымдарының – проблемасын тудырады, бұл ғарышқа ұшу үшін қауіпті. Әйтпесе, ғарыш кемелері атмосфераға қайта кіру арқылы жойылады, олар ыдырайды, немесе егер олар ыдырамаса, олардың қайта кіруі қауіпсіз қону немесе соқтығысу арқылы бақыланады, көбінесе олар мұхиттың түбіне, ғарыш кемелерінің «көмелігіне» жіберіледі. Осылайша, ғарыш кемелері ғарыш трафигін басқару мәселесіне де қатысты.

Flight into or through outer space

Spaceflight (or space flight) is an application of astronautics to fly objects, usually spacecraft, into or through outer space, either with or without humans on board. Most spaceflight is uncrewed and conducted mainly with spacecraft such as satellites in orbit around Earth, but also includes space probes for flights beyond Earth orbit. Such spaceflight operate either by telerobotic or autonomous control. The more complex human spaceflight has been pursued soon after the first orbital satellites and has reached the Moon and permanent human presence in space around Earth, particularly with the use of space stations. Human spaceflight programs include the Soyuz, Shenzhou, the past Apollo Moon landing and the Space Shuttle programs. Other current spaceflight are conducted to the International Space Station and to China's Tiangong Space Station. Spaceflight is used for placing in Earth's orbit communications satellites, reconnaissance satellites, Earth observation satellites, but also for space exploration such as space observatories and space probes, or even for space tourism. Spaceflight can be achieved with different types of launch systems, conventionally by rocket launching, which provide the initial thrust to overcome the force of gravity and propel a spacecraft from the surface of the Earth. Once in space, the motion of a spacecraft—both when unpropelled and when under propulsion—is covered by the area of study called astrodynamics. Some spacecraft remain in space practically indefinitely, which has created the problem of space pollution in the form of light pollution and space junk, which is a hazard to spaceflight. Otherwise spacecraft are terminated by atmospheric reentry, in which they disintegrate, or if they do not, their reentry is mostly controlled to safely reach a surface by landing or impacting, often being dumped into the oceanic spacecraft cemetery. Spacecraft have thus been the subject of some space traffic management.

Терминология

Ғарыш кеңістігіне немесе одан өтуге қатысты бірнеше термин бар. Ғарыш миссиясы – белгілі бір мақсатқа жету үшін жоспарланған ғарышқа ұшу. Ғарыш миссияларының мақсаттары ғарышты зерттеу, ғарыштық зерттеулер және ғарышқа ұшудағы ұлттық жетістіктерді қамтуы мүмкін. Ғарыш көлігі – адамдарды немесе жүктерді ғарыш кеңістігіне немесе одан өту үшін ғарыш кемелерін пайдалану. Оған адамды ғарышқа ұшу және жүк тасымалдауға арналған ғарыш кемелерінің ұшулары кіруі мүмкін.

Тарих

Ғарышқа зымыранмен ұшудың алғашқы теориялық ұсынысын шотланд астрономы және математигі Уильям Лейч 1861 жылы "Ғарышқа саяхат" атты эссесінде жариялады. Көбірек танымал (бірақ Ресейден тыс жерлерде кеңінен таралмаған) – Константин Циолковскийдің 1903 жылы жарық көрген "Исследование мировых пространств реактивными приборами" (Реакциялық құрылғылар арқылы ғарыш кеңістігін зерттеу) еңбегі. Ғарышқа ұшу инженерлік тұрғыдан мүмкін болып, 1919 жылы Роберт Г. Годдардтың "Ерекше биіктіктерге жету әдісі" атты жұмысы арқасында іске асты. Оның сұйық отынмен жұмыс істейтін ракеталарға де Лаваль соплосын қолдануы, планетааралық сапарлар үшін тиімділікті арттырып, мүмкіндік жасады. Сонымен қатар, ол зертханада ракеталардың ғарыш кеңістігінде жұмыс істейтінін дәлелдеді, алайда оның еңбегі көпшілік тарапынан бағаланбады. Бірінші дүниежүзілік соғыста ракеталық қару жасау бойынша келісімшарт жасауға тырысымы, 1918 жылғы 11 қарашада Германиямен жасалған келісіммен сәтсіз аяқталды. Жеке қаржылық қолдаумен жұмыс істеп, ол 1926 жылы сұйық отынмен жұмыс істейтін алғашқы зымыранды ұшырды. Годдардтың жұмыстары халықаралық деңгейде өз саласында зор ықпалға ие болды. Екінші дүниежүзілік соғыс кезінде алғашқы басқарылатын ракеталар – V-2, нацистік Германияда қару ретінде әзірленіп, қолданылды. 1944 жылғы маусымдағы сынақ ұшу кезінде осындай зымыранның бірі рекордтық биіктікке көтеріліп, адамзат тарихында алғаш рет ғарышқа ұшты. Екінші дүниежүзілік соғыс аяқталғаннан кейін V-2 ракета командасының көп бөлігі, оның төрағасы Вернер фон Браунмен бірге, АҚШ-қа бағынды және Армияның баллистикалық зымыран агенттігінде американдық зымырандарды жасауға кірісті, соның ішінде Juno I және Atlas зымырандарын жасады. Сол кезде Кеңес Одағы, Иосиф Сталиннің басшылығымен, АҚШ-тың бомбалаушы ұшақтарына қарсы шара ретінде ядролық қару тасымалдайтын құрлықтар аралық баллистикалық зымырандарды әзірледі. Циолковскийдің ықпалымен Сергей Королев бас зымыран конструкторы болды, оның R-7 Семиорка зымырандарының модификациялары әлемдегі алғашқы жасанды Жер серігін – Sputnik 1-ді 1957 жылғы 4 қазанда және кейіннен 1961 жылғы 12 сәуірде Юрий Гагаринды Vostok 1 кемесімен Жер орбитасына алғашқы рет жіберу үшін пайдаланылды. АҚШ-тың алғашқы спутнигі Explorer 1 1958 жылғы 1 ақпанда ұшырылды, ал орбитаға шыққан алғашқы американдық Джон Гленн 1962 жылғы 20 ақпанда Friendship 7 кемесімен ұшты. Маршалл ғарыш ұшу орталығының директоры ретінде фон Браун Сатурн деп аталатын, үлкен кластағы ракетаны әзірлеуді қадағалады, бұл АҚШ-қа алғашқы екі адамды – Нил Армстронг пен Базз Олдринді Айға жіберіп, 1969 жылғы шілдеде Аполлон 11 ғарыш кемесімен қайтаруға мүмкіндік берді. Сол уақытта Кеңес Одағы құпия түрде, бірақ сәтсіз, Айға адамдарды қондыруға арналған N1 зымыранын жасады. Содан бері ғарышқа ұшу кеңінен Жер орбитасына спутниктерді орналастыру, Айдан тыс кеңістікті зерттеу үшін ұшқышсыз ғарыш кемелерін жіберу және Салют бағдарламасынан бастап Халықаралық ғарыш станциясына дейінгі ғарыш станцияларымен үздіксіз адам қатысуын қамтамасыз ету үшін қолданылып келеді.

The first theoretical proposal of space travel using rockets was published by Scottish astronomer and mathematician William Leitch, in an 1861 essay "A Journey Through Space". More well known (though not widely outside Russia) is Konstantin Tsiolkovsky's work, "Исследование мировых пространств реактивными приборами" (The Exploration of Cosmic Space by Means of Reaction Devices), published in 1903. Spaceflight became an engineering possibility with the work of Robert H. Goddard's publication in 1919 of his paper A Method of Reaching Extreme Altitudes. His application of the de Laval nozzle to liquid fuel rockets improved efficiency enough for interplanetary travel to become possible. He also proved in the laboratory that rockets would work in the vacuum of space; nonetheless, his work was not taken seriously by the public. His attempt to secure an Army contract for a rocket propelled weapon in the first World War was defeated by the November 11, 1918 armistice with Germany. Working with private financial support, he was the first to launch a liquid fueled rocket in 1926. Goddard's papers were highly influential internationally in his field. In the course of World War II the first guided rockets, the V 2 were developed and employed as weapons by Nazi Germany. At a test flight in June 1944 one such rocket reached space at an altitude of , becoming the first object in human history to do so. At the end of World War II, most of the V 2 rocket team including its head Wernher von Braun surrendered to the United States, and were expatriated to work on American missiles at what became the Army Ballistic Missile Agency, producing missiles such as Juno I and Atlas. At that time the Soviet Union under Joseph Stalin was developing intercontinental ballistic missiles to carry nuclear weapons as a counter measure to United States bomber planes. The Tsiolkovsky influenced Sergey Korolev became the chief rocket designer, derivatives of his R 7 Semyorka missiles were used to launch the world's first artificial Earth satellite, Sputnik 1, on October 4, 1957, and later the first human to orbit the Earth, Yuri Gagarin in Vostok 1, on April 12, 1961. The first US satellite was Explorer 1, launched on February 1, 1958, and the first American in orbit became John Glenn in Friendship 7 on February 20, 1962. As director of the Marshall Space Flight Center, Von Braun oversaw development of a larger class of rocket called Saturn, which allowed the US to send the first two humans, Neil Armstrong and Buzz Aldrin, to the Moon and back on Apollo 11 in July 1969. At the same time, the Soviet Union secretly tried but failed to develop the N1 rocket, meant to give them the capability to land humans on the Moon. Ever since spaceflight has been widely employed for placing satellites into orbit around Earth for a broad range of purposes, for sending uncrewed spacecraft exploring space beyond the Moon and having continuous crewed human presence in space with a series of space stations, from the Salyut program to the International Space Station.

Іске қосу

Ракеталар қазіргі уақытта орбитаға жетуге немесе одан әрі ұшуға қабілетті жалғыз құрал. Басқа зымыран емес ғарышқа ұшыру технологиялары әлі құрылмаған немесе орбиталық жылдамдыққа жетпейді. Ғарышқа ұшу үшін зымыран ұшыру әдетте космодромнан басталады, онда тік зымырандарды ұшыруға арналған ұшыру кешендері мен алаңдары, сондай-ақ тасымалдаушы ұшақтар мен қанатты ғарыш кемелерінің ұшып көтерілуі мен қонуына арналған ұшу-қону жолақтары болуы мүмкін. Космодромдар шу мен қауіпсіздік талаптарын ескере отырып, адам тұрағынан қашық жерлерде орналасқан. Баллистикалық ракеталарда (МБР) арнайы ұшыру құрылғылары бар. Ұшыру көбінесе белгілі бір уақыт аралығымен шектеледі. Бұл аралықтар аспан денелерінің және ұшыру алаңына қатысты орбиталардың орналасуына байланысты. Ең үлкен әсерді көбінесе Жердің өзінің айналуы тигізеді. Ұшырылғаннан кейін орбиталар әдетте Жер осіне қатысты белгілі бір бұрышта орналасқан, салыстырмалы түрде тұрақты жазық жазықтықта болады, ал Жер осы орбитаның ішінде айналады. Ұшыру алаңы – әуедегі аппараттарды ұшыруға арналған бекітілген құрылым. Ол әдетте ұшыру мұнарасынан және жалынды тоқтату орқасынан тұрады. Айналасында ұшыру машиналарын құрастыру, отынмен толтыру және күтіп ұстауға қажетті жабдықтар орналасқан. Ұшыру алдында ракетаның салмағы жүздеген тоннаға жетеді. "СТС-1" миссиясындағы "Колумбия" ғарыш кемесінің ұшып көтерілгендегі салмағы төмендеді.

Ғарышқа жету

Сыртқы кеңістіктің ең көп қолданылатын анықтамасы – Жер бетінен жоғарыдағы Карман сызығынан тысқары барлық кеңістік. АҚШ кейде сыртқы кеңістікті 50 миль (80 км) биіктіктен жоғарыдағы барлық кеңістік деп анықтайды. Қазіргі таңда ғарышқа жетудің жалғыз тиімді құралы – ракеталық қозғалтқыштар. Құрамында оттегі болмауының салдарынан, дәстүрлі ұшақ қозғалтқыштары ғарышқа жете алмайды. Ракеталық қозғалтқыштар, орбитаға жету үшін қажетті жылдамдық өзгеруін (дельта v) қамтамасыз ететін итергіш күшті шығару арқылы жұмыс істейді. Адамдарды тасымалдайтын ұшыру жүйелеріне, төтенше жағдайларда ғарышкерлердің қауіпсіздігін қамтамасыз ету үшін, ұшырудан құтылу жүйелері орнатылады.

Баламалар

Ғарышқа ұшақ қозғалтқыштарынан өзге де көптеген жолдар ұсынылған. Ғарыш лифтісі, ротоваторлар немесе скайхуктар сияқты импульс алмасу тізбектері қазіргі кезде белгілі кез келген материалдан әлдеқайда мықты жаңа материалдарды талап етеді. Электромагниттік ұшырғыштар, мысалы, ұшыру тізбектері қазіргі технологиямен іске асырылуы мүмкін. Басқа идеяларға реакциялық қозғалтқыштармен жабдықталған ұшақтар/ғарыш ұшақтары, мысалы Reaction Engines Skylon (қазіргі уақытта дамудың алғашқы кезеңінде), скрамджетпен жабдықталған ғарыш ұшақтары және RBCC қозғалтқыштарымен жабдықталған ғарыш ұшақтары кіреді. Жүктерді тасымалдау үшін зеңбірекпен ұшыру ұсынылған.

Орбитадан шығып жатырмыз

Айға және планетаралық сапарлар үшін жабық орбитаға шығу міндетті емес. Алғашқы советтік ғарыш кемелері орбитаға түспей-ақ, өте жоғары биіктікке сәтті ұшты. NASA Аполлон миссияларын тікелей Ай траекториясына жіберуді қарастырды, бірақ алдымен уақытша тұрақ орбитасына кіру стратегиясын қабылдады, содан кейін Ай траекториясына бірнеше орбитадан кейін бөлек күйдіруді жасады. Тұрақ орбитасына кіру тәсілі Аполлон миссиясын жоспарлауды бірнеше маңызды жағынан қатты жеңілдетті. Ол "уақыт резерві" ретінде қызмет етіп, рұқсат етілген ұшыру терезесін едәуір кеңейтті. Тұрақ орбитасы экипажға және басқарушыларға Айға ұзақ сапарға шығар алдында, ұшырудың салдарынан ғарыш кемесін мұқият тексеруге бірнеше сағат уақыт берді. Роботтық миссияларға тоқтату мүмкіндігі немесе радиацияны азайту қажет емес, ал қазіргі заманғы ұшырғыштар әдетте "бірден" ұшыру терезесін орындай алатындықтан, Айға және басқа планеталарға жіберілетін ғарыш зондтары көбінесе өнімділікті арттыру үшін тікелей инъекцияны қолданады. Ұшыру кезегінде кейбіреулері қысқа уақытқа тоқтаса да, олар Жерден қашу траекториясына жіберу үшін күйдіруден бұрын бір немесе бірнеше толық тұрақ орбитасын аяқтамайды. Аспан денесінен қашу жылдамдығы сол дененің үстінен биікке көтерілген сайын төмендейді. Дегенмен, ғарыш кемесі үшін отынды жерге мүмкіндігінше жақын жағу отынды тиімдірек пайдалану болып табылады; Oberth әсеріне және сілтемеге қараңыз. Бұл тұрақ орбитасының қауіпсіз перигейін орнатумен байланысты өнімділіктің төмендеуін түсіндірудің тағы бір жолы.

Астродинамика

Астродинамика – ғарыш кемелерінің траекторияларын, әсіресе гравитациялық және қозғалту күштерінің оларға тигізетін әсерін зерттейтін ғылым. Астродинамика ғарыш кемесінің артық жанармай жұмсамай, қажетті уақытта мезетіне жетуіне мүмкіндік береді. Орбитаны сақтау немесе өзгерту үшін орбиталық маневрлеу жүйесі қажет болуы мүмкін. Ракеталық емес орбиталық қозғалту әдістеріне күн желкендері, магниттік желкендер, плазмалық көпіршік магниттік жүйелері және гравитациялық серпім эффекттерін пайдалану жатады.

Көшіру энергиясы

"Трансфер энергиясы" термині – зымыран сатысының пайдалы жүктемесіне берген энергиясының жалпы көлемі. Бұл ұшыру құралының бірінші сатысы жоғарғы саты мен пайдалы жүктемеге, немесе жоғарғы сатының немесе ғарыш кемесінің қозғалтқышының ғарыш кемесіне берген энергиясы болуы мүмкін.

Ғарыш стансасына жету

Ғарыш стансасына жету үшін ғарыш кемесі сол орбитаға келіп, өте жақын қашықтыққа (мысалы, көзбен көру қашықтығына) жақындауы керек. Бұл орбиталық маневрлер жиынтығы арқылы іске асырылады, бұл процеске ғарыш кездесуі деп аталады. Ғарыш стансасымен кездескеннен кейін ғарыш кемесі стансаға түйіседі немесе бекітіледі. Түйісу – екі жеке, еркін ұшатын ғарыш аппаратының бірігуі, ал бекітілу – робот қолды пайдаланып, басқа ғарыш аппаратының қосылатын интерфейсіне инерциясыз көлікті орналастыру операцияларын білдіреді. 2020 жылғы мәліметтер бойынша, адамды ғарышқа жүйелі түрде тасымалдайтын ғарыш кемелері – «Союз», «Шэньчжоу» және «Crew Dragon». АҚШ ғарыш шаттлдары 1981 жылдың сәуірінен 2011 жылдың шілдесіне дейін пайдаланылды. «SpaceShipOne» екі рет адаммен бірге орбиталық емес ғарышқа ұшуды жүзеге асырды.

Суборбитальды

Суборбитальдық ғарыш ұшуы кезінде ғарыш кемесі ғарышқа жетеді, содан кейін (негізінен) баллистикалық траекториямен атмосфераға қайта оралады. Бұл әдетте жеткіліксіз орбиталық энергияның салдарынан болады, мұндай жағдайда суборбитальдық ұшу бірнеше минутқа созылады, бірақ орбитаға жететін энергиясы бар объектінің траекториясы Жер атмосферасын қиып өтуі мүмкін, кейде бірнеше сағаттан кейін. "Пионер-1" – НАСА-ның Айға жетуді көздеген алғашқы ғарыш зонды. Жарым-жартылай сәтсіздік салдарынан ол Жер атмосферасына қайта кірмес бұрын, 43 сағаттан кейін 43 метр биіктікке дейін суборбитальдық траекторияны орындауға мәжбүр болды. Ғарыш кеңістігінің ең қабылданған шекарасы – теңіз деңгейінен артық орналасқан Карман сызығы. (НАСА ғарышкерді теңіз деңгейінен артық ұшқан адам деп анықтайды.) Көпшілікке белгісіз, Карман сызығынан өтуге қажетті потенциалдық энергияның артуы, ең төменгі Жер орбитасы үшін қажетті орбиталық энергияның (потенциалдық және кинетикалық энергияның қосындысы) шамамен 3% құрайды (Карман сызығының үстінен өтетін дөңгелек орбита). Яғни, ғарышқа жету, онда қалудан әлдеқайда оңай. 2004 жылдың 17 мамырында "Civilian Space Exploration Team" ұжымы GoFast зымыранын суборбитальдық ұшуға ұшырды, бұл алғашқы әуесқой ғарыш ұшуы болды. 2004 жылдың 21 маусымында SpaceShipOne жеке қаржыландырылған алғашқы адамды ғарышқа ұшыру үшін пайдаланылды.

Нысаннан нүктеге

Нүктеден нүктеге немесе Жерден Жерге тасымалдау – бұл суборбитальдық ғарыш ұшуының бір түрі, онда ғарыш кемесі екі құрлықтағы нүкте арасында жылдам тасымалдауды қамтамасыз етеді. Лондон мен Сидней арасындағы әдеттегі әуежол бағыты, қалыпты жағдайда жиырма сағаттан асатын ұшу, бір сағаттан кем уақытта жүрілуі мүмкін. Бүгінде ешбір компания мұндай тасымалдау қызметін ұсынбаса да, SpaceX 2020 жылдары Starship көмегімен оны іске асыру жоспарларын жариялады. Континенттер аралық қашықтықтағы суборбитальдық ғарышқа ұшу үшін, Жердің төменгі орбитасына жетуге қажетті жылдамдықтан аздап төмен жылдамдық қажет. Егер зымырандар қолданылса, зымыранның өлшемі, пайдалы жүктемеге шаққанда, құрлықтар аралық баллистикалық зымыранға (ICBM) ұқсас болады. Кез келген континенттер аралық ғарышқа ұшу, атмосфераға қайта кірген кезде орбиталық ғарышқа ұшу кезіндегідей қиын жылу мәселелерін шешуге міндетті.

Орбиталық

Минималды орбиталық ғарыш ұшуы минималды суборбиталық ұшуға қарағанда әлдеқайда жоғары жылдамдықты қажет етеді, демек оны жүзеге асыру технологиялық тұрғыдан күрделірек. Орбиталық ғарышқа ұшу үшін Жерді айналатын жанама жылдамдық, биіктіктей маңызды. Ғарышта тұрақты және ұзаққа созылатын ұшуды жүзеге асыру үшін ғарыш кемесі жабық орбитаға қол жеткізу үшін қажетті минималды орбиталық жылдамдыққа ие болуы керек.

Планетааралық

Планетааралық ғарыш саяхаты – бір планета жүйесіндегі планеталар арасындағы ұшу. Көбінесе бұл термин Күн жүйесі планеталары арасындағы саяхаттарға қатысты қолданылады. Болашақтағы адамдармен бірге жүзеге асырылатын ғарыш саяхаттарының жоспарларында көбінесе Жер орбитасында ғарыш көлігін соңғы құрастыру қарастырылады, мысалы, NASA-ның Constellation бағдарламасы және Ресейдің Kliper/Parom тандемі сияқты.

Жұлдыз аралық

"Жаңа көкжиектер" – Күн жүйесінен шығу траекториясына жіберілген бесінші ғарыш кемесі. "Вояджер-1", "Вояджер-2", "Пионер-10", "Пионер-11" – одан бұрынғылары. Күннен ең алыс "Вояджер-1" кемесі, қазір 100 а.б. қашықтықта және жылдамдығы жылына 3,6 а.б. құрайды. Салыстыру үшін, Күннен басқа ең жақын жұлдыз – Проксима Центавр 267 000 а.б. қашықтықта орналасқан. "Вояджер-1" кемесі осы қашықтыққа жетуіне 74 мың жылдан астам уақыт керек болады. Ядролық импульстік қозғалтқыш сияқты басқа технологияларды қолданатын аппараттар, ең жақын жұлдызға айтарлықтай жылдам жете алады. Адамды жұлдызаралық кеңістікке сапарға шығаруға мүмкіндік беретін тағы бір мүмкіндік – уақыттың өзгеруін (дилатациясын) пайдалану. Бұл, жылдам қозғалатын аппараттағы жолаушыларға, өте аз қартая отырып, болашаққа қарай ұзақ саяхаттауға мүмкіндік береді, себебі олардың жоғары жылдамдығы кемедегі уақыттың ағысын баяулатады. Дегенмен, мұндай жоғары жылдамдыққа жету үшін жаңа, жетілдірілген қозғалтқыш әдісін пайдалану қажет болады. Сондай-ақ, жұлдызаралық кеңістікте саяхаттау үшін динамикалық серпіліс әдісі де ұсынылған.

Галактикааралық

Галактикааралық сапарлар – галактикалар арасындағы ғарышқа ұшуды білдіреді және жұлдызаралық сапарлардан да әлдеқайда қиын технологиялық талаптарға ие. Қазіргі инженерлік ережелер бойынша бұл ғылыми фантастика саналады. Дегенмен, теориялық тұрғыдан алғанда, галактикааралық сапарлардың мүмкін еместігін нақты көрсететін ешқандай дәлел жоқ. Күні бүгінге дейін бірнеше ғалымдар осы мәселені жан-жақты зерттеуде.

Ғарыш кемесі

Ғарыш кемелері – ғарышта жұмыс істеу үшін жасалған көлік құралдары. Алғашқы "шынайы ғарыш кемесі" деп кейде Аполлон Ай модулін атайды, себебі бұл ғарышта жұмыс істеуге және ғарышта ғана пайдаланылған жалғыз экипажды көлік құралы болды; сондай-ақ, оның аэродинамикалық емес пішінімен ерекшеленеді.

Қозғалтқыш

Бүгінгі күні ғарыш кемелері көбінесе қозғалу үшін ракеталарды пайдаланады, бірақ иондық жетегі сияқты басқа да қозғалу технологиялары жиі қолданыла бастады, әсіресе ұшқышсыз аппараттар үшін, және бұл аппараттың массасын едәуір төмендетіп, оның жылдамдық өзгеруін (дельта v) арттыруға мүмкіндік береді.

Ұшыру жүйелері

Ұшыру жүйелері Жер бетінен ғарышқа жүк тасымалдау үшін қолданылады.

Шығаратын

Қазіргі уақытта ғарышқа ұшудың басым бөлігі ғарышқа жету үшін көп сатылы, бір рет пайдаланылатын ұшыру жүйелерін қолданады.

Қайта қолдануға жарамды

Бірінші қайта пайдалануға болатын ғарыш кемесі X-15 1963 жылғы 19 шілдеде суборбитальды траекториямен ұшырылды. Бірінші жартылай қайта пайдалануға болатын орбитальды ғарыш кемесі – ғарыш шаттлы, АҚШ-та Юрий Гагариннің ұшуының 20 жылдығына арналып 1981 жылғы 12 сәуірде ұшырылды. Шаттл дәуірінде алты орбитальды аппарат салынды, олардың барлығы атмосферада ұшты, ал бесеуі ғарышқа ұшты. "Энтерпрайз" тек қана Boeing 747 ұшағының артынан ұшып, Калифорния штатындағы Эдвардс әуе базасында қону және ұшу сынақтары үшін пайдаланылды. Ғарышқа алғаш ұшқан ғарыш кемесі "Колумбия" болды, одан кейін "Челленджер", "Дискавери", "Атлантис" және "Эндевор" ұшты. "Эндевор" 1986 жылғы қаңтарда жоғалған "Челленджер" кемесінің орнын толтыру үшін салынды. 2003 жылғы ақпан айында "Колумбия" кемесі қайтадан атмосфераға кіргенде ыдырады. Бірінші автоматты жартылай қайта пайдалануға болатын ғарыш кемесі – "Буран" (Қарлы боран), ол КСРО-да 1988 жылғы 15 қарашада ұшырылды, бірақ ол тек бір рет ұшты. Бұл ғарыш кемесі экипажға арналған және АҚШ ғарыш шаттлына өте ұқсас болды, бірақ оның түсіру бустерлері сұйық отынды пайдаланды, ал негізгі қозғалтқыштары американдық шаттлдағы сыртқы бак орнында орналасқан. Қаржы тапшылығы, КСРО-ның тарауымен күрделі болды, "Буранның" одан әрі ұшуына кедергі келтірді. 2011 жылы ғарыш шаттлы негізінен ескіргендіктен қызметтен шығарылды. Шаттлдың адам тасымалы қызметін 2020 жылдары SpaceX Dragon 2 және CST 100 алмастыруы тиіс. Шаттлдың ауыр жүк тасымалы қызметі қазір коммерциялық ұшыру машиналарымен жүзеге асырылады. Scaled Composites SpaceShipOne – 2004 жылы ұшқыштар Майк Мелвилл мен Брайан Бинниді бір-бірінен кейін ұшырып, Ansari X жүлдесін жеңіп алған қайта пайдалануға болатын суборбитальды ғарыш кемесі. "Ақпараттық кемелер" компаниясы SpaceShipTwo-нің мұрагері болып табылады. Virgin Galactic компаниясы басқаратын SpaceShipTwo паркі 2008 жылы жолаушыларды (ғарыш туристерін) тасымалдайтын қайта пайдалануға болатын жеке ғарыш ұшуын бастауды жоспарлаған, бірақ бұл қозғалтқыш дамуындағы апатқа байланысты кейінге шегерілді. SpaceX 2015 жылғы 21 желтоқсанда 11 Orbcomm OG 2 коммерциялық спутнигін Жердің төменгі орбитасына жеткізгеннен кейін қайта пайдалануға болатын орбитальды зымыран сатысының алғашқы тік және жұмсақ қонуын жүзеге асырды. Falcon 9 екінші ұшуы 2017 жылғы 30 наурызда болды. SpaceX қазір алғашқы сатыларын қайта қалпына келтіріп, қайта пайдаланады, сонымен қатар каверлерді де қайта пайдалануды жоспарлап отыр. SpaceX қазір Starship деп аталатын толыққанды қайта пайдалануға болатын, аса ауыр жүк көтеретін зымыранды жасап жатыр, ол толыққанды қайта пайдалануға болатындықтан ғарыш зерттеулерінің құнын күрт төмендетуге үміттеніп отыр.

The first reusable spacecraft, the X 15, was air launched on a suborbital trajectory on 19 July 1963. The first partially reusable orbital spacecraft, the Space Shuttle, was launched by the USA on the 20th anniversary of Yuri Gagarin's flight, on 12 April 1981. During the Shuttle era, six orbiters were built, all of which flown in the atmosphere and five of which flown in space. The Enterprise was used only for approach and landing tests, launching from the back of a Boeing 747 and gliding to deadstick landings at Edwards AFB, California. The first Space Shuttle to fly into space was the Columbia, followed by the Challenger, Discovery, Atlantis, and Endeavour. The Endeavour was built to replace the Challenger, which was lost in January 1986. The Columbia broke up during reentry in February 2003. The first automatic partially reusable spacecraft was the Buran (Snowstorm), launched by the USSR on 15 November 1988, although it made only one flight. This spaceplane was designed for a crew and strongly resembled the US Space Shuttle, although its drop off boosters used liquid propellants and its main engines were located at the base of what would be the external tank in the American Shuttle. Lack of funding, complicated by the dissolution of the USSR, prevented any further flights of Buran. The Space Shuttle was retired in 2011 due mainly to its old age. The Shuttle's human transport role is to be replaced by the SpaceX Dragon 2 and CST 100 in the 2020s. The Shuttle's heavy cargo transport role is now done by commercial launch vehicles. Scaled Composites SpaceShipOne was a reusable suborbital spaceplane that carried pilots Mike Melvill and Brian Binnie on consecutive flights in 2004 to win the Ansari X Prize. The Spaceship Company has built its successor SpaceShipTwo. A fleet of SpaceShipTwos operated by Virgin Galactic planned to begin reusable private spaceflight carrying paying passengers (space tourists) in 2008, but this was delayed due to an accident in the propulsion development. SpaceX achieved the first vertical soft landing of a re usable orbital rocket stage on December 21, 2015, after delivering 11 Orbcomm OG 2 commercial satellites into low Earth orbit. The first Falcon 9 second flight occurred on 30 March 2017. SpaceX now routinely recovers and reuses their first stages, with the intent of reusing fairings as well. SpaceX is now developing a fully reusable super heavy lift rocket known as Starship, hoped to drastically reduce the price of space exploration due to being fully reusable.

Қауіпсіздік

Барлық ұшыру құралдарында орбитаға жеткізу үшін қажетті үлкен мөлшерде энергия жиналған. Сондықтан, бұл энергия мерзімінен бұрын және күрт босап, маңызды салдарларға әкелу қаупі бар. 1997 жылдың 17 қаңтарында "Дельта II" ракетасы ұшырылғаннан кейін 13 секунд өткен соң жарылып, жарылыстан 16 шақырым қашықтықтағы дүкендердің терезелері сыныпты. Ғарыш салыстырмалы түрде болжамды орта, бірақ кездейсоқ қысымның төмендеуі және жабдықтардың істен шығу мүмкіндігі де бар, олардың кейбіреулері жаңа ғана жасалған болуы мүмкін. 2004 жылдың сәуір айында Нидерландыда ғарыш жүйелерінің қауіпсіздігі саласындағы халықаралық ынтымақтастық пен ғылыми жетістіктерді дамыту мақсатында Халықаралық Ғарыш қауіпсіздігін дамыту қауымдастығы құрылды.

Салмақтылығы жоқ

Жер орбитасындағы ғарыш кемесі сияқты микрогравитация ортасында адамдар "салмақсыздық" сезімін басынан өткереді. Микрогравитацияға қысқа мерзімді әсер ету вестибулярлық жүйенің жұмысындағы бұзылыстарға байланысты, өзінен-өзі шектелетін ауруға, яғни ғарышқа бейімделу синдромына алып келеді. Ұзақ мерзімді әсер ету көптеген денсаулық проблемаларын тудырады. Ең маңыздысы – сүйек тінінің жоғалуы, оның бір бөлігі қайтымсыз, бірақ микрогравитация бұлшықет және жүрек-қан тамырлары тіндерінің де айтарлықтай әлсіреуіне себеп болады.

Сәулелену

Атмосферадан жоғары көтерілгеннен кейін, Ван Аллен белдеулерінен, күн сәулесінен және ғарыш сәулесінен туындаған радиация мәселелері пайда болып, күшейе түседі. Жерден алшақтаған сайын, күннің жарқырауы бірнеше минут ішінде өлімге әкелетін демеуге болатын радиация дозасын беруі мүмкін, ал ғарыш сәулесінен туындаған денсаулық қатері он жыл немесе одан да ұзақ уақыт бойы қатерлі ісікке шалдығу ықтималдығын едәуір арттырады.

Өмірді қолдау

Адамды ғарышқа ұшыруда тіршілік қамтамасыз ету жүйесі – ғарыш кеңістігінде адамның тірі қалуына мүмкіндік беретін құрылғылар жиынтығы. NASA адамды ғарышқа ұшу миссияларында осы жүйелерді сипаттағанда көбінесе "Қоршаған ортаны бақылау және тіршілік қамтамасыз ету жүйесі" немесе ECLSS деген қысқартуды қолданады. Тіршілік қамтамасыз ету жүйесі ауа, су және тамақпен қамтамасыз ете алады. Одан бөлек, ол дұрыс дене температурасын сақтап, денеге қалыпты қысымды ұстап тұруы және организмнің қалдықтарын жоюы тиіс. Сондай-ақ, радиация және микрометеориттер сияқты зиянды сыртқы факторлардан қорғану да қажет болуы мүмкін. Тіршілік қамтамасыз ету жүйесінің компоненттері өмірлік маңызы бар, сондықтан олар қауіпсіздік инженерлік тәсілдерді пайдалана отырып жобаланып және құрастырылады.

Ғарыш ауа райы

Ғарыш ауа райы – сыртқы ғарыштағы қоршаған ортаның өзгеруінің түсінігі. Бұл планета атмосферасындағы ауа райынан өзгеше және ғарыштағы плазма, магниттік өрістер, сәулелену және басқа да материямен байланысты құбылыстарды қамтиды (көбінесе Жерге жақын, сондай-ақ планетааралық және кейде жұлдызаралық кеңістікте). "Ғарыш ауа райы – Жерге және оның технологиялық жүйелеріне әсер ететін ғарыштағы жағдайларды сипаттайды. Біздің ғарыш ауа райы Күннің қызметі, Жердің магнит өрісінің сипаттамасы және Күн жүйесіндегі орнымыздың нәтижесі." Ғарыш ауа райы ғарышты зерттеу және дамытумен байланысты көптеген салаларға маңызды әсер етеді. Геомагниттік жағдайлардың өзгеруі атмосфера тығыздығының өзгеруіне алып келуі мүмкін, бұл Жердің төмен орбитасындағы ғарыш аппараттарының биіктігінің жылдам төмендеуіне себеп болады. Күннің белсенділігінің күшеюіне байланысты туындайтын геомагниттік дауылдар ғарыш аппараттарындағы сенсорларды жұмыссыз қылуы немесе борттық электроникаға кедергі келтіруі мүмкін. Ғарыш ортасының жағдайларын түсіну, сонымен қатар экипажды ғарыш кемелері үшін қорғаныш және тіршілік етуді қамтамасыз ету жүйелерін жобалауда да маңызды.

Қоршаған ортаны қорғау

Ракеталардың қоршаған ортаны ластауы отынның жану реакциясынан түзілетін газдарға және олардың шығарылу орнына байланысты. Көбінесе парниктік газдар, ал кейде зиянды заттар шығарылады. Әсіресе атмосфераның жоғары қабаттарында шығарылған газдардың парниктік эффектісі күрт артады.

Бұған қоса, атмосфералық әсерлерден басқа, Жер маңындағы ғарыш кеңістігіне де әсер етеді. Спутниктер мен ұшу аппараттарының бөлінуінен (Кесслер синдромы) туындаған ғарыш қоқысының үрделген өсуі салдарынан орбиталар ұрпақтар бойы қолжетімсіз болуы мүмкін. Сондықтан бүгінгі таңдағы көптеген ракеталар қолданыстан кейін қайтадан атмосфераға енгізілу үшін жасалған.

Реттеу

Ғарыш трафигін басқару немесе жауапкершілік сияқты кең ауқымды мәселелер ғарыш ұшуын реттеу саласындағы мәселелер болып келді. Адамзаттың барлығының ғарышқа қатысуы және өкілдігі ғарыш зерттеуінің бастапқы кезеңдерінен бері халықаралық ғарыш құқығының маңызды мәселесі болып табылады.

Ғарышқа шығу

Ғарышқа шығу – ғарыш кемесін басқаруға қабілетті және белсенді болу. Ол әртүрлі тақырыптар туралы білімді және мамандандырылған дағдыларды дамытуды қамтиды, соның ішінде: аэронавтика; космонавтика; астронавттарды даярлау бағдарламалары; ғарыш ауа-райы және болжамдау; ғарыш кемесін пайдалану; түрлі жабдықтарды қолдану; ғарыш кемесін жобалау және құрастыру; атмосфералық ұшып көтерілу және қайта кіру; орбиталық механика (әрі қарай астродинамика деп те аталады); байланыс; қозғалтқыштар мен зымырандар; сүйреу, микрогравитациялық құрылыс және ғарыш доктау сияқты операцияларды орындау; жүк тасымалдау жабдықтары, қауіпті жүктер және жүк сақтау; ғарышқа шығу; төтенше жағдайлармен күресу; ғарышта аман қалу және алғашқы медициналық көмек көрсету; өрт сөндіру; тіршілік етуді қамтамасыз ету. Бұл салалардағы қажетті білім деңгейі жұмыстың сипатына және қолданылатын кеменің түріне байланысты. "Ғарышқа шығу" теңізге шығумен салыстырылады. Жер-Ай жүйесінен тыс жерде адамдармен жүзеге асырылған миссиялар болған емес. Дегенмен, АҚШ, Ресей, Қытай, Еуропалық ғарыш агенттігі (ЕКА) елдері мен бірнеше корпорациялар мен кәсіпорындар Марсқа саяхаттау жоспарларын әртүрлі кезеңдерде жүзеге асыруда (Марсқа адамдармен жасалатын миссияны қараңыз). Ғарышпен айналысатын ұйымдар – егемен мемлекеттер, мемлекеттер аралық ұйымдар және жеке корпорациялар болуы мүмкін. Ғарышқа қанатын созған елдер – дербес түрде ғарышқа кемелер құрастырып, ұшыра алатын елдер. Жекеменшік кәсіпорындардың саны артып, ғарышқа қанатын созуда.

Жаһандық үйлестіру

Біріккен Ұлттар Ұйымының Ғарыш істері жөніндегі кеңсесі (UNOOSA) ғарыш саласында қызмет ететін және қызмет етпейтін мемлекеттер арасындағы халықаралық байланыс пен ақпарат алмасуды қамтамасыз ететін басты көпжақты ұйым болып табылады.