Неорбитальный взлет и посадка?

TL;DR: это неэффективно. Вы должны поиграть в Kerbal Space Program и сами убедиться в эффекте путешествия таким образом.

Предполагая, конечно, что вы на самом деле не хотите выходить на орбиту, а хотите, например, отправиться на Луну или исследовать глубокий космос. Особенно в сочетании с примечанием Википедии о том, что не нужно достигать космической скорости, чтобы хорошо покинуть гравитацию.

«Побег» в том смысле, что вы будете делать, если будете путешествовать со скоростью убегания (и вне атмосферы), означает выход из гравитационной сферы влияния (SOI) тела. Очевидно, что гравитация имеет фактически бесконечный диапазон, но когда вы уедете достаточно далеко от Земли, вы достигнете точки, где гравитационное влияние Солнца намного перевешивает гравитационное влияние Земли. Вы сбежите с Земли и выйдете на гелиоцентрическую орбиту.

Таким образом, для побега требуется расстояние , а не скорость . Если вы двигались со скоростью убегания (и находились вне атмосферы), влияния гравитации тела будет недостаточно, чтобы замедлить вас до относительной остановки и потянуть обратно вниз, так что это один из способов сделать это.

Если вы можете представить себе пару очень далеко разделенных миров, соединенных лестницей . Если вы заберетесь достаточно далеко по этой лестнице, в конце концов вы достигнете точки в пространстве, где гравитационное притяжение мира, с которого вы начали, будет превышено гравитационным притяжением мира, к которому вы поднимаетесь. Вы «сбежите» независимо от того, как быстро вы сможете тянуть себя вперед.

(обратите внимание, что если вы путешествуете на Луну, вам не нужно находиться на траектории отступления, потому что Луна все еще находится в гравитационном поле Земли. Это означает, что вы будете двигаться со скоростью ниже космической, что сэкономит вам немного топлива)

Итак, что же мешает вам продолжать действовать в режиме «легко добраться до космоса» — «ехать быстро, а затем развернуться» вместо того, чтобы пытаться выйти на орбиту?

То, что делает «наведи и выстрели» плохим способом сбежать с планеты, — это эффективность. Ваша ракета будет постоянно подвергаться гравитационному сопротивлению ... в каждой точке вашего побега вам нужно будет запускать двигатели достаточно сильно, чтобы противостоять гравитации планеты на этой высоте, плюс немного больше, чтобы отойти от планеты. Чем больше времени вам понадобится, чтобы добраться до края сферы влияния планеты, тем больше времени вы потратите на противодействие гравитации и тем больше топлива потратите на это.

Если у вас есть действительно мощная ракета, чтобы вы могли быстро добраться до края SOI, отлично... но вы могли бы так же легко направить перпендикулярно гравитационному полю планеты и затем запустить свою ракету, так что полное ускорение ваша ракета увеличивает вашу скорость, а не груз, идущий к противодействующей гравитации. Вы, конечно, не будете делать это в атмосфере, потому что тогда вы потратите гораздо больше времени на борьбу с атмосферным сопротивлением. Итак, вы стреляете более-менее вверх , чтобы очистить атмосферу, а затем более-менее разгоняетесь вбок, чтобы набрать большую скорость и как можно быстрее достичь края SOI.

... и вдруг вы обнаружите, что имитируете довольно обычный профиль запуска ракеты, хотя и с «прямым впрыском», а не в более обычном варианте «выйти на околоземную орбиту, а затем переместиться куда угодно» (прямые впрыски всегда немного более эффективным , но недостаточно, чтобы компенсировать их неудобства в противном случае).

(Есть также нечто, называемое эффектом Оберта , который означает, что использование вашей ракеты глубоко в гравитации как можно ближе к вашему перицентру более эффективно, чем использование ее намного дальше на орбите, но по одной проблеме за раз).

То же и о посадках. Добраться до небесного тела, выйти на орбиту, а потом потерять всю эту орбитальную скорость. Если бы вы путешествовали достаточно медленно и всю дорогу медленно замедлялись, противодействуя гравитации

Очевидно, что если вы едете очень медленно относительно пункта назначения, вам потребуется очень, очень много времени, чтобы добраться туда.

Кроме того, вопрос снова в эффективности. Вероятно, очень нетехнический термин Suicide Burn используется для описания траектории посадки, при которой все ваши торможения выполняются как можно позже, чтобы свести к минимуму количество потраченного впустую топлива.

Расчетное время прибытия : как заметил Неф, траектория прямого снижения, конечно, немного эффективнее, чем выведение себя на орбиту, а затем уход с орбиты, но создает проблемы со временем, если вы хотите приземлиться где-то в конкретном месте, и, конечно же, проблемы с безопасностью, так как это делает катапультирование обратно в орбита несколько сложнее.

Ваш вопрос, насколько я понимаю, указывает на то, что есть два способа попасть с поверхности Земли на поверхность Луны.

Способ первый: горите вверх, пока не пройдете через самую плотную часть атмосферы, чтобы избежать аэродинамического сопротивления. Горите боком, чтобы достичь орбитальной скорости и поднять апогей и перигей в космос. С околоземной орбиты двигайтесь вперед, чтобы выйти на транслунную траекторию. В перилуне горите ретроградно, чтобы выйти на лунную орбиту. Горим ретроградно дальше на более низкую орбиту, чтобы пересечь поверхность, а затем горим поверхностно-ретроградно так, чтобы мы получили мягкую посадку.

Способ второй: выяснить, сколько времени займет путешествие с Земли на Луну, если вы будете постоянно запускать двигатели. Направьте ракету туда, где будет тогда Луна. Постоянно ускоряйтесь в этом направлении примерно до половины пути; повернитесь на 180 градусов на полпути и постоянно ускоряйтесь в другом направлении, так что вы достигнете нулевой скорости по достижении поверхности Луны.

Второй метод называется траекторией брахистокроны , и это самый быстрый способ добраться из пункта А в пункт Б. Однако, как это часто бывает с самым быстрым способом, он совсем не экономит топливо. Это имеет смысл только в том случае, если у вас есть чрезвычайно легкий космический корабль, который сжигает топливо очень медленно и очень эффективно. Космический корабль Dawn, например, был бы кандидатом на такую ​​траекторию (хотя, как отмечает комментатор, у него недостаточно тяги, чтобы оторваться от земли!), но у нас нет веской причины хотеть получить из пункта А в пункт Б максимально быстро .

Скорее, мы хотим добраться из пункта А в пункт Б с разумным сочетанием затрат и времени; траектория брахистокрона необычайно дорога, потому что она неэффективна с точки зрения расхода топлива, поэтому это не лучший баланс затрат и времени. Обычный план «взлететь, развернуть, переместить, развернуть, приземлиться» занимает больше времени, но на много порядков более экономичен по топливу и, следовательно, дешевле.

Что касается конкретно полета на Луну, помимо того, что уже было упомянуто, есть еще одна проблема: предположительно, ваша цель, когда вы доберетесь до Луны, состоит в том, чтобы либо облететь ее, либо совершить мягкую посадку на нее (если ваша цель состоит в том, чтобы повернуть себя в облако осколков, разбросанных по большой площади реголита, не стесняйтесь приближаться). То есть: вам нужно стать неподвижным относительно Луны. Поскольку Луна находится на орбите вокруг Земли, это означает, что в конце концов вам нужно выйти на орбиту вокруг Земли, нравится вам это или нет.

Для выхода в глубокий космос вы можете использовать свой подход, если вы не возражаете против ужасной эффективности (такие методы могут работать для запуска вещей, которые намного меньше Земли, где потери эффективности намного меньше), но если вы стремитесь встретиться с чем-то, что находится на орбите вокруг того, с чего вы стартуете, вы обязательно должны попасть на орбиту вокруг того, с чего вы стартуете.

Добраться до небесного тела, выйти на орбиту, а потом потерять всю эту орбитальную скорость. Если бы вы путешествовали достаточно медленно, как сейчас, и медленно тормозили бы всю дорогу, противодействуя гравитации, это, вероятно, заняло бы у вас уйму времени, но, несомненно, должна быть другая причина, по которой это невозможно сделать, иначе почему бы мы не сделай это.

Поскольку другие (особенно Морская звезда Прайм ) уже ответили принципами орбитального движения, теперь я подойду к этому с практической точки зрения.

У меня есть версия Kerbal Space Program для ПК, и я люблю играть с ней. Это игра-симулятор космической программы, которая позволяет вам увидеть практическое значение различных подходов к космическим путешествиям.

То, что вы предлагаете, возможно - я делал это много раз в игре. Просто заход на стоянку на орбиту, потом сход с орбиты дешевле на несколько порядков.

Когда вы взлетаете в космос, ваша траектория — форма вашей орбиты — определяется гравитацией того, с чего вы взлетаете, и вашей скоростью в данный момент. Вы уже знаете, что для обращения вокруг Земли ваша траектория должна быть круговой, а это требует большой горизонтальной скорости.

Вы можете захотеть отправиться на Луну без необходимости сначала совершать круговую орбиту вокруг Земли и без необходимости делать орбитальную парковку на Луне. Для этого просто направьте ракету вверх в нужный момент и вперед. Это тоже работает.

Давайте приступим к основам орбитального движения: когда вы ускоряетесь в том направлении, в котором движетесь (прогресс), форма вашей орбиты растягивается так, что самая удаленная от вас точка становится выше. Также обратите внимание, что когда ваша орбита эллиптическая, чем выше вы поднимаетесь, тем медленнее будет ваша относительная скорость относительно того, вокруг чего вы вращаетесь.

Чтобы добраться до Луны, выполнив пересадку Хоффмана, вам нужно добраться до низкой околоземной орбиты (НОО), а затем припарковаться со скоростью 7,8 км/с. Затем вы разгоняетесь до 10,4 км/с в определенной точке, и это приводит вас к эллиптической траектории, которая пересекается с собственной орбитой Луны, так что вы и Луна встретитесь в одно и то же время и сможете приземлиться. Ваша скорость останется равной 10,4 км/с относительно Земли в точке, где вы ускорились, но уменьшится примерно до 1 км/с на дальнем конце вашей орбиты (без учета ускорения от Луны).

Когда вы приблизитесь к Луне, ваша относительная скорость до самой Луны будет меньше - на расстоянии 60 000 км от нее ваша относительная скорость должна быть близка к 1,1 км/с. Луна ускорит вас к ней, и тогда вам придется сбросить эту скорость. Аполлон-11 подошел к 118 км поверхности Луны со скоростью 1,8 км/с (из-за гравитационного ускорения Луны), затем замедлился до 1,6 км/с, чтобы припарковаться на своей орбите. Посадочному аппарату пришлось сбросить такую ​​скорость, чтобы приземлиться.

Напротив, если вы хотите выбрать траекторию как можно более прямой к Луне, вы можете сделать то же, что и New Horizons. Как только вы преодолеете атмосферу, достигните 16,2 км/с. Вы достигнете Луны менее чем за девять часов (сравните с ~ 3 днями, которые потребовались Аполлону). У вас также будет намного больше скорости - в этом случае ваш апогей находится ДАЛЕКО за Луной, а это значит, что вы потеряете очень мало скорости по пути. Вы практически долетите до Луны с той же скоростью, так что теперь вам нужно сбросить около 16 км/с.

В целом, вы изменяете скорость примерно в 3 раза больше, идя по менее круговому пути. Однако это не означает, что ваши расходы просто умножаются на 3. Цитируя Рэндалла Манро:

Это то, что инженеры называют тиранией уравнения ракеты : по мере того, как величина, на которую вы хотите изменить свою скорость («дельта-v»), увеличивается, требуемое топливо увеличивается в геометрической прогрессии.

Я не разбираюсь в математике, но, судя по моему опыту в KSP, вам может понадобиться Энергия, чтобы посадить очень маленький зонд на Луну, если вы попытаетесь осуществить это в реальной жизни. К сожалению, Энергии слишком дороги и сняты с производства.

Что мешает тебе... разогнаться, а потом подрулить...

Разве это не атмосфера?

Подъем сначала, а затем ускорение делает возможным космический полет. Ни одна ракета не может разогнаться до 20+ махов при давлении в 1 атмосферу, а затем выдержать его на всем пути до космоса.

Ответ полностью потеря гравитации. Когда ракета горит прямо вверх, она постоянно испытывает гравитационные потери, эквивалентные местному ускорению свободного падения (9,8 м/с на поверхности Земли). Ракета, которая горит прямо у поверхности Земли со скоростью 9,8 м/с, точно противодействует гравитационной силе, зависает и летит в никуда. Весь выход ракеты уходит на гравитационные потери. Ракеты, которые горят горизонтально, не испытывают потери гравитации, они вообще не «пытаются» зависнуть.

Это один из способов понять, почему переходная орбита Хомана наиболее эффективна, потому что ракета горит горизонтально как для инжекции, так и для захвата.

Для привода факела эффективность бесполезна, и вы хотите добраться туда быстро, поэтому вы просто указываете на свою цель при движении, сжигаете 1 г, затем переворачиваете и замедляетесь. Но поскольку мы не живем в Пространстве, мы заботимся о том, чтобы такие места, как Луна, получались с наименьшим возможным количеством топлива.

И самый эффективный способ запустить ракету на Луну — это гореть примерно горизонтально по отношению к поверхности. Ракеты горят вверх при запуске, потому что поверхность Земли мешает, потери на сопротивление из-за атмосферы и орбитальные скорости, необходимые для достижения Луны, сожгли бы ракету на уровне моря. Но если убрать поверхность Земли и атмосферу (незначительные проблемы), ракеты будут запускаться горизонтально и делать что-то похожее на передачу Гомана.

Таким образом, ракеты сгорают ровно настолько, чтобы оторваться от Земли и атмосферы, а затем все они переворачиваются, чтобы гореть настолько горизонтально, насколько это возможно.

Есть небольшая сложность, когда что-то вроде траектории прямого подъема не будет проводить столько времени в горизонтальном положении, как использование парковочной орбиты, но это компенсируется за счет сброса большего количества топлива ниже в гравитационном колодце и использования эффекта Оберта, но потери силы тяжести являются основной проблемой. Траектория «прямого подъема» по-прежнему очень горизонтальна, а не «наведи на Луну и вперед», как если бы у тебя был фонарик, и она мало экономит на парковочной орбите, в то время как парковочная орбита позволяет оценить, благополучно покинул Землю и принял решение, прежде чем совершить транслунную инъекцию.