Введение
Самый ранний этап полёта, достигающего космоса. Космический запуск — это начальная фаза полёта, достигающего космоса. Космический запуск включает в себя взлёт, когда ракета или другое средство космического запуска покидает землю, плавучую платформу или воздушное судно в начале полёта. Взлёт бывает двух основных типов: ракетный запуск (современный общепринятый метод) и неракетный космический запуск (где используются другие виды двигательных установок, включая воздушно-реактивные двигатели).
Space launch is the earliest part of a flight that reaches space. Space launch involves liftoff, when a rocket or other space launch vehicle leaves the ground, floating ship or midair aircraft at the start of a flight. Liftoff is of two main types: rocket launch (the current conventional method), and non rocket spacelaunch (where other forms of propulsion are employed, including airbreathing jet engines).
Определение космического пространства
Нет четкой границы между атмосферой Земли и космосом, так как плотность атмосферы постепенно уменьшается с увеличением высоты. Существует несколько стандартных обозначений границ, а именно:
Международная федерация аэронавтики установила линию Кармана на высоте в качестве рабочего определения границы между аэронавтикой и космонавтикой. Это используется, потому что на высоте около , как подсчитал Теодор фон Карман, транспортному средству придется двигаться быстрее орбитальной скорости, чтобы получить достаточную аэродинамическую подъемную силу из атмосферы для поддержания себя. До 2021 года Соединенные Штаты определяли людей, которые поднимались на высоту более 80 км, как астронавтов. В настоящее время знаки астронавта вручаются только членам экипажа космических кораблей, которые "продемонстрировали во время полета действия, необходимые для общественной безопасности или способствующие безопасности пилотируемых космических полетов". Космический челнок НАСА использовал высоту 400 000 футов, или 75,76 миль (122 км), в качестве высоты входа в атмосферу (обозначаемой как "интерфейс входа"), которая приблизительно отмечает границу, где атмосферное сопротивление становится заметным, и начинается переход от управления с помощью двигателей к маневрированию с использованием аэродинамических рулей. В 2009 году ученые сообщили о детальных измерениях, полученных с помощью Supra Thermal Ion Imager (прибора для измерения направления и скорости ионов), что позволило им установить границу на высоте над Землей. Эта граница представляет собой середину постепенного перехода на протяжении десятков километров от относительно спокойных ветров земной атмосферы к более бурным потокам заряженных частиц в космосе, которые могут достигать скоростей, превышающих .
The Fédération Aéronautique Internationale has established the Kármán line at an altitude of as a working definition for the boundary between aeronautics and astronautics. This is used because at an altitude of about , as Theodore von Kármán calculated, a vehicle would have to travel faster than orbital velocity to derive sufficient aerodynamic lift from the atmosphere to support itself. Up until 2021, the United States designated people who travel above an altitude of 50 mile (80 km) as astronauts. Astronaut wings are now only awarded to spacecraft crew members that "demonstrated activities during flight that were essential to public safety, or contributed to human space flight safety". NASA's Space Shuttle used 400000, or 75.76 mile (122 km), as its re entry altitude (termed the Entry Interface), which roughly marks the boundary where atmospheric drag becomes noticeable, thus beginning the process of switching from steering with thrusters to maneuvering with aerodynamic control surfaces. In 2009, scientists reported detailed measurements with a Supra Thermal Ion Imager (an instrument that measures the direction and speed of ions), which allowed them to establish a boundary at above Earth. The boundary represents the midpoint of a gradual transition over tens of kilometers from the relatively gentle winds of the Earth's atmosphere to the more violent flows of charged particles in space, which can reach speeds well over .
Энергия
Поэтому, по определению, для осуществления космического полёта необходима достаточная высота. Это подразумевает необходимость преодоления минимальной потенциальной энергии гравитации: для линии Кармана это приблизительно 1 МДж/кг. W=mgh, m=1 кг, g=9,82 м/с², h=105 м. W=1*9.82*105≈106 Дж/кг=1 МДж/кг.
На практике, для преодоления потерь, таких как аэродинамическое сопротивление, эффективность двигательной установки, циклический КПД используемых двигателей и гравитационное торможение, требуется большая энергия. В последние пятьдесят лет космический полёт обычно подразумевает пребывание в космосе в течение определённого времени, а не взлёт и немедленное возвращение на Землю. Это предполагает нахождение на орбите, которая в основном определяется скоростью, а не высотой, хотя это не означает, что аэродинамическое сопротивление и соответствующие высоты, связанные с орбитой, не требуют учёта. На гораздо больших высотах, чем большинство орбитальных высот спутников, высота начинает играть всё более важную роль, а скорость – менее важную. На меньших высотах, из-за высокой скорости, необходимой для поддержания орбиты, аэродинамическое сопротивление является очень важным фактором, влияющим на спутники, гораздо более значимым, чем принято считать. На ещё меньших высотах воздушные шары, не имеющие горизонтальной скорости, могут выполнять многие функции спутников.
Силы G
Многие грузы, особенно люди, имеют предел переносимого ускорения. Для человека это примерно 3-6 g. Некоторые пусковые установки, такие как электромагнитные пушки, создают ускорения в сотни или тысячи g и, следовательно, совершенно непригодны для использования.
Надежность
Запускающие устройства различаются по надежности достижения поставленной задачи.
Безопасность
Безопасность – это вероятность причинения травм или гибели людей. Ненадежные ракеты-носители не обязательно небезопасны, в то время как надежные ракеты-носители обычно, но не всегда, безопасны. Помимо катастрофического отказа самой ракеты-носителя, к другим опасностям относятся разгерметизация и радиационные пояса Ван Аллена, которые делают невозможными орбиты, проводящие длительное время внутри них.
Выбросы углерода
Многие ракеты используют ископаемое топливо. Например, ракета SpaceX Falcon Heavy сжигает 400 тонн керосина и выбрасывает больше углекислого газа за несколько минут, чем средний автомобиль за более чем два столетия. Поскольку в ближайшие годы ожидается значительное увеличение числа запусков ракет, воздействие на Землю от вывода на орбиту, вероятно, усилится. Некоторые производители ракет (например, Orbex и ArianeGroup) используют альтернативные виды ракетного топлива (такие как биопропан и метан, полученный из биомассы).
Суборбитальный запуск
Суборбитальный космический полет – это любой космический запуск, достигающий космоса, но не совершающий полного оборота вокруг планеты. Для достижения космоса требуется максимальная скорость около 1 км/с, а для более дальних перелетов, таких как межконтинентальный космический полет, – до 7 км/с. Примерами суборбитальных полетов могут служить баллистические ракеты, а также планируемые туристические полеты, например, Virgin Galactic, или межконтинентальные транспортные полеты, такие как SpaceLiner. Любой космический запуск, не включающий коррекцию для выхода на стабильную орбиту, приведет к суборбитальному полету, если только не будет обеспечена достаточная тяга для полного преодоления гравитации и ухода с орбиты. (См. Космическая пушка#Выход на орбиту)
Орбитальный запуск
Кроме того, если требуется орбита, необходимо выработать значительно больше энергии, чтобы придать аппарату боковую скорость. Величина этой скорости зависит от высоты орбиты – чем выше орбита, тем меньше требуется скорость. Однако, с учетом дополнительной потенциальной энергии, приобретаемой на большей высоте, в целом для достижения более высоких орбит требуется больше энергии, чем для более низких. Скорость, необходимая для поддержания орбиты вблизи поверхности Земли, составляет около 7,8 км/с (17 400 миль/ч), что соответствует энергии примерно 30 МДж/кг. Это в несколько раз превышает энергию на килограмм практических ракетных топливных смесей. Набор кинетической энергии затруднен из-за сопротивления воздуха, которое замедляет космический аппарат, поэтому ракетные космические аппараты обычно используют компромиссную траекторию, позволяющую как можно раньше покинуть плотные слои атмосферы, а затем, например, перейти на орбиту Гомана для достижения требуемой орбиты. Это минимизирует как сопротивление воздуха, так и время, затрачиваемое аппаратом на поддержание высоты. Сопротивление воздуха является существенной проблемой для практически всех предлагаемых и существующих систем запуска, хотя обычно менее значительной, чем сложность получения достаточной кинетической энергии для выхода на орбиту в принципе.
Скорость взлета
Если для полного преодоления гравитации Земли необходимо, чтобы космический аппарат получил достаточно энергии для выхода за пределы гравитационного потенциального колодца, то, как только это произойдет и энергия не будет рассеяна неконсервативными силами, аппарат покинет зону гравитационного влияния Земли. Глубина потенциального колодца зависит от положения аппарата, а необходимая энергия – от его скорости. Если кинетическая энергия превысит потенциальную, произойдет отрыв от Земли. На поверхности Земли это требует скорости 11,2 км/с, однако на практике из-за сопротивления воздуха необходима значительно более высокая скорость.