Почему космические зонды должны вращаться вокруг Земли, прежде чем их запустят на другие планеты?

Все межпланетные зонды, о которых я знаю, были запущены на парковочную орбиту, а затем выжидали некоторое время на этой орбите, прежде чем перезапускать ступень или запускать другую ступень для выхода на желаемую исходящую асимптоту. Это сделано для удобства, чтобы позволить длинные окна запуска в дни периода запуска. Возможен и несколько более эффективен запуск прямо со стартовой площадки на межпланетную траекторию, но у вас будет окно мгновенного запуска, и ваша стартовая площадка должна пересечь плоскость исходящей траектории, чтобы получить такую ​​эффективность. Мгновенные окна запуска рискованны, поскольку, если есть проблема, например, лодка там, где ее быть не должно, вы не запускаете в этот день. С более длительным окном, предлагаемым первым на парковочной орбите, часто час или более, у вас есть время исправить проблему и все же запустить.

(Кроме того, я работал над проектом, который позже был отменен, в котором предполагалось использовать Ariane 5 для запуска на Марс. Проблема заключалась в том, что его верхняя ступень в то время не имела квалифицированной возможности перезапуска. В результате , мы должны были планировать ввод непосредственно со стартовой площадки без парковочной орбиты.Хотя стартовая площадка во Французской Гвиане была случайно близко к тому месту, где мы хотели бы, чтобы это было возможно, это было не совсем правильно, поэтому нам пришлось пойти на некоторую неэффективность с маневр «собачья нога», чтобы двигаться в правильном направлении.)

В большинстве случаев ожидание на парковочной орбите измеряется десятками минут. Вы часто перезапускаете вторую ступень с ограниченным временем автономной работы, поэтому не хотите ждать больше, чем орбиту. Чтобы иметь двухнедельный или более длительный период запуска, вам нужно принять некоторую неэффективность более высоких энергий впрыска до и после оптимального дня.

Индия делает что-то немного другое, что сопряжено с некоторым риском, но предлагает более высокую эффективность. У них фиксированный день вылета с околоземной орбиты с наименьшей энергией инжекции. Всякий раз, когда они запускаются, они ждут на околоземной орбите до того благословенного дня, а затем отправляются в путь. Это означает, что им нужна верхняя ступень с более длительным сроком службы. С положительной стороны, разбивка впрыска на несколько частей, выполняемых в каждом перигее, позволяет двигателю быть намного меньше и легче, чем типичный двигатель верхней ступени, который пытается выпустить все топливо за одно включение вблизи Земли.

Как отмечалось в других ответах, впрыск сгорает независимо от того, делается ли он через 20 минут или через 20 дней, в перигее для максимального изменения энергии на единицу энергии.$\Delta V$. Я добавлю сюда уравнение просто для удовольствия. В базовой физике вы изучаете уравнение кинетической энергии:$K={m v^2\over 2}$. Если отличить это от$v$, Вы получаете$dK=m v\,dv$. Таким образом, ваше изменение энергии пропорционально вашей скорости, умноженной на$\Delta V$. Чем быстрее вы движетесь, тем большее изменение энергии вы получаете за фиксированный$\Delta V$. Ты едешь быстрее всех в перигее. Это известно как эффект Оберта.

Как упомянул @Ame, у ракеты не хватило топлива, чтобы доставить ее туда одним выстрелом, как это делают большинство американских / российских ракет. Однако реальная физика орбитального маневра немного отличается от описанной. Конкретно физика называется эффектом Оберта . Короткое объяснение этого состоит в том, что ракетная тяга более эффективна, если она выполняется в перигее. Запуск ракеты во время последовательных проходов по перигею повысит эффективность, что в конечном итоге позволит добиться максимальной эффективности ракетных очередей. Настоящая помощь гравитации не использует никаких двигателей, но этот эффект существенно увеличивает эффективность тяги.

Есть несколько причин, по которым спутникам необходимо облететь Землю, прежде чем они отправятся в межпланетный полет...

Первая причина: стартовая площадка очень редко находится в нужном месте для начала межпланетного полета. Земля вращается под наклоном, поэтому запуск должен быть рассчитан, когда Космический центр Кеннеди пересекает плоскость эклиптики (плоскость, в которой вращается большинство планет). Кроме того, это должно быть в правильное время года, чтобы, когда зонд выходит на орбиту, он в конечном итоге двигался в правильном направлении, когда покидает SOI Земли. Все это возможно с профилем прямого подъема, просто для этого требуется очень хорошее время, но такие идеальные окна бывают очень редко.

Во-первых, у любого зонда, который движется по эклиптической орбите вокруг Земли, есть окно запуска почти каждые 45 минут, а не пару раз в год.

Вторая причина: количество Delta-V, необходимое для выхода из SOI Земли, довольно велико. Хотя можно построить достаточно большие ракеты, но ограничивающим фактором является эффективность типичного ракетного топлива и ракетных двигателей.

Чтобы вывести зонд с орбиты Земли с помощью ракеты, требуется довольно тяжелая ракета. Эта тяжелая ракета должна быть поднята на низкую околоземную орбиту, для чего нужна массивная ракета.

Один из способов улучшить этот факт — сделать вашу ракету намного более эффективной, но мы уже близки к теоретическому пределу эффективности химической ракеты. Итак, НАСА начало использовать двигатель ION, который намного эффективнее, чем химическая ракета, а также очень слабый, что является третьей причиной...

Третья причина: теперь, когда большинство зондов используют ионный двигатель, у них нет тяги, чтобы просто оттолкнуться от Земли при прямом всплытии — они проводят недели с ионным двигателем, толкающим некоторое время (несколько минут) в ключе. точка на орбите. Каждый раз, когда ионный двигатель делает это, их орбита становится все ближе и ближе к космической скорости Земли.

Как только зонд выйдет за пределы SOI Земли, он может в основном включить ионный двигатель и оставить его там до тех пор, пока он хочет совершать межпланетные маневры. Обычно большинство маневров между планетами представляют собой незначительные корректировки курса, чтобы воспользоваться преимуществом планетарного пролета, чтобы разогнаться до гораздо более высоких скоростей.

ТЛ; ДР? По многим причинам: Сроки — стартовая позиция и орбитальная ориентация означают мало хороших стартовых окон для прямого подъема, выход на орбиту первым дает гораздо больше возможностей. Требуется слишком много топлива. Чтобы вывести зонд с земли, требуется много химического топлива, поэтому вместо него мы используем ионные двигатели. Ионные двигатели слабы - этим высокоэффективным двигателям требуется много времени (недели!) для выполнения своей работы.

В случае с индийской PSLV ракета-носитель недостаточно мощна, чтобы доставить зонд Mars Orbiter Mission прямо на маршрут к Марсу . Напротив , MAVEN будет запущен с использованием гораздо более мощного Atlas V.

Зонд должен использовать гравитацию , чтобы набрать достаточную скорость для полета на Марс. То есть зонд сначала выходит на высокоэллиптическую орбиту и использует специально рассчитанные по времени короткие импульсы для достижения ускорения за счет земного притяжения и движения вокруг Солнца. Особенно помогает движение Земли относительно Солнца и зонда, так как этот импульс добавляется к существующему импульсу зонда. Картинка в статье в Википедии весьма показательна:

Прежде чем вы перейдете ко всем другим преимуществам, давайте начнем с одного, существенного.

Ракета, плавающая на месте (вообще не взлетая, а просто зависая над пусковой площадкой), должна генерировать достаточную тягу, которая в противном случае дала бы ей$9.8 m/s^2$ускорение (1g) в горизонтальном полете. Это совсем немного, и это вся потраченная впустую тяга. Если вы запускаете прямо вверх, гравитационное ускорение Земли — это то, что вы должны постоянно вычитать из своего ускорения. Каждую секунду, независимо от того, на что еще вы тратите свое топливо, вам нужно тратить изрядную дозу только на то, чтобы не упасть.

Теперь ракета, движущаяся по орбите горизонтально, не использует топливо для поддержания высоты. Каждый его грамм используется для увеличения его кинетической энергии. Таким образом, ваша первоочередная задача, как только вы уменьшите трение о воздух до приемлемого уровня, — выйти на орбиту и перестать тратить топливо, пытаясь предотвратить падение. Энергия, которую вы вкладываете в ускорение до орбитальной скорости, по-прежнему пригодна для использования, вы добавите ее к своей скорости в межпланетном путешествии, и теперь она надежно хранится в виде вашей кинетической энергии.

Теперь, оказавшись на орбите, вы можете в свободное время совершать всевозможные полезные маневры, переключаться на двигатели с лучшим удельным импульсом, но меньшей тягой, и не тратить больше топлива.

Зонд «Новые горизонты», если я правильно прочитал статью в Википедии, не оставался на парковочной орбите полный оборот. Менее чем через 45 минут после запуска он уже вышел на траекторию ухода от Солнца. Но он действительно провел время на орбитальном пути, который позволил ему занять правильное положение, чтобы выжечь до космической скорости, в соответствии с другими данными ответами. Но если вы задаетесь вопросом, почему все зонды тратят время на то, чтобы пройти вокруг Земли, прежде чем отправиться в путь, ответ таков: по крайней мере один зонд этого не сделал.