... разъясните пожалуйста понятие "стартового окна".
imkas уже ответил, но весьма частично и с рядом неточностей. Кроме того, к вопросу о "стартовом окне" примыкают еще 2 вопроса, по которым также широко распространены принципиальные заблуждения - это вопросы о преимуществах размещения космодромов ближе к экватору и о т.н. гравитационном маневре ...
...
В принципе можно стартовать когда угодно и куда угодно - проблема в энергетике. ...
... конкретные причины, определяющие "стартовое окно" для полета к орбитальной станции и для полета к другой планете существенно различаются. Поэтому для удобства восприятия материала разобью его на 2 части.
Часть 2. Стартовое окно при межпланетном перелете и гравитационные маневры
imkas в общем правильно написал:
... нужно, чтобы планета-цель в конце движения КА ... оказалась бы в нужное время в нужном месте.
Только дело не только и не столько в том, что
КА в межпланетных перелетах разгоняют гравитационными полями других планет...
imkas имел ввиду т.н. "гравитационный маневр" (подробнее см. ниже), Однако
стартовое окно для межпланетных перелетов существует и без этого маневра (который стал всерьез применяться только с середины 70х - в связи с началом полетов к дальним планетам), а гравитационный маневр дает значительный выигрыш в энергетике перелета за счет радикального усложнения баллистики перелета в целом и радикального усложнения выбора "стартового окна" в частности.
Энергетически оптимальная баллистическая траектория межпланетного перелета, совершаемого без гравитационного маневра, - это эллипс, касательный к орбитам обеих планет (т.н. гомановская траектория, или гомановский эллипс, - по имени автора этой идеи). В этом случае КА достигает цели в точке, диаметрально противоположной точке старта относительно Солнца.
Возможность перелета по такой траектории повторяется с определенной периодичностью - примерно (но не с точно) с такой же, как противостояния. Для Марса - примерно раз в 2 года, для Меркурия - несколько раз в год (уточнять лениво), а для остальных планет эти периоды порядка 1 года.
Продолжительность полета по оптимальной траектории (в один конец!) к Марсу - 8...9 месяцев (варьируется из-за значительной эллиптичности орбиты Марса), к Венере - 5 месяцев, к дальним планетам - многие годы.
Полная "ширина" стартового окна для такого перелета, очевидно, во много-много раз меньше периода повторения этого окна, пропорциональна имеющемуся запасу по энергетике РН и обычно, ИМХО,
порядка недели.
А в пределах каждых суток - лишь "окошко" в несколько минут, ограниченное тем, что при вращении Земли поворачивается плоскость промежуточной околоземной орбиты, с которой еще надо перейти на межпланетную траекторию, всегда проходящую близко к плоскости эклиптики.
На практике часто используют траектории, умеренно неоптимальные энергетически: эллипсы, пересекающие орбиты Земли и/или цели под не слишком большим углом. При небольшой величине этого угла, НЯЗ, продолжительность перелета сокращается с ростом угла быстрее, чем растут затраты энергии, и увеличивается полная "ширина" окна (очевидно, в сторону даты запуска по оптимальной траектории). Так, реальные полеты к Венере обычно продолжались не 5, а 4 месяца.
И перед обсуждением гравитационных маневров - некоторые, ИМХО,
полезные общие замечания о межпланетных траекториях.
1) Условная граница "сферы влияния" планеты на другое небесное тело (в т.ч., на КА) находится на таком расстоянии от этой планеты, на котором ее притяжение становится сильнее, чем притяжение Солнца. У Земли, Марса и Венеры это происходит на расстоянии в сотни тысяч км, а у планет-гигантов - на расстоянии порядка 10 млн. км.
2) Все планеты вращаются вокруг Солнца по орбитам, близким к круговым, близким к плоскости эклиптики и в одну и ту же сторону. Поэтому скорость КА, подлетающего к планете по траектории, более-менее близкой к энергетически оптимальной, на границе "сферы влияния" внутренней планеты умеренно превышает орбитальную скорость этой планеты (КА "обгоняет" планету), а на границе "сферы влияния" внешней планеты - умеренно меньше ее орбитальной скорости (КА "отстает" от планеты).
3) Важно понимать, что относительные скорости планет и их спутников (естественных и искусственных), а также планет и большинства КА, подлетающих к ним или пролетающих мимо них (за исключением КА с сильно вытянутыми орбитами), во много раз меньше, чем орбитальные скорости этих планет (30 км/сек у Земли, 13 км/сек у Юпитера и т.п.). Поэтому траектории планеты, ее спутников и КА совершенно по-разному выглядят в системе отсчета, свзанной с планетой, и в "солнечной" системе отсчета
Например, мы привыкли к тому, что Луна вращается вокруг Земли по почти круговой орбите. Но в Солнечной системе Луна движется вокруг Солнца синхронно с Землей, по орбите, почти совпадающей с орбитой Земли и лишь чуть "виляющей" по радиусу (с амплитудой менее 0,25%). Т.е., в солнечной системе отсчета спутник планеты выглядит как спутник Солнца, орбитальное движение которого вокруг Солнца жестко синхронизовано с движением планеты. Аналог этого в теории колебаний и в соответствующих областях техники - взаимная фазовая синхронизация двух связанных осцилляторов или автогенераторов.
Теперь про
суть гравитационного маневра. В результате пролета КА через "сферу влияния" планеты, под действием ее притяжения происходит
поворот вектора скорости КА. В системе отсчета этой планеты величина скорости КА после удаления от планеты, очевидно, такая же, как до сближения. Однако
векторы скорости КА до и после пролета направлены под разным углом к вектору орбитальной скорости планеты, и потому величина скорости КА в солнечной системе отсчета изменяется после пролета.
А именно, планета своим орбитальным движением ускоряет КА, если вектор скорости КА после пролета поворачивается в направлении вектора орбитальной скорости планеты, и тормозит КА, если вектор скорости КА поворачивается в противоположном направлении. Отсюда следует, что
для разгона КА он должен пролететь мимо планеты позади нее, и притяжение планеты при максимальном сближении "подгоняет" КА, а для торможения КА он должен пролететь перед планетой, и ее притяжение при максимальном сближении "придерживает" КА.
Важно понимать, что скорость, энергия и работа зависят от системы отсчета. В системе отсчета, связанной с планетой, разгон КА притяжением планеты при их сближении полностью компенсируется торможением КА при его удалении от планеты, т.е., сила притяжения не совершает работы. А в солнечной системе отсчета эта же сила притяжения совершает работу (положительную или отрицательную), подтягивая КА к быстро движущейся планете во время максимального сближения КА с этой планетой.
Величина изменения скорости при конкретном маневре сложным образом зависит от параметров траектории КА, но максимально возможное изменение скорости растет с ростом массы планеты и с ростом ее орбитальной скорости. Формальная причина первой зависимости в том, что с ростом массы растет угол поворота вектора скорости КА, а вторая зависимость обусловлена тем, что именно орбитальное движение планеты преобразует поворот вектора скорости КА в изменение величины его скорости в солнечной системе отсчета.
А вот
специфика гравитационного взаимодействия (притяжение, обратно пропорциональное квадрату расстояния)
тут совершенно не причем. Точно такой же результат дало бы любое взаимодействие, быстро убывающее с ростом расстояния и равноценное по энергии (т.е., взаимодействие с таким же диапазоном изменения потенциальной энергии тела при его перемещении между поверхностью планеты и границей ее "сферы влияния"). Более того,
даже если заменить притяжение отталкиванием, то изменится только то, с какой стороны от планеты должен пролететь КА для разгона или торможения
!
Поскольку результат гравитационного маневра не зависит от конкретных свойств гравитационного взаимодействия (с оговорками, приведенными в предыдущем абзаце), то
абсолютно корректная аналогия гравитационного маневра - косой отскок идеально твердого шарика от идеально упругой и очень тяжелой движущейся теннисной ракетки (или же идеально упругого шарика от идеально твердой ракетки). Очевидно, что движение ракетки навстречу шарику увеличивает его скорость при отскоке, а движение ракетки от шарика - уменьшает его скорость при отскоке.
А вот "праща", столь любимая разными популяризаторами (включая Википедию),
тут и рядом не лежала!
В качестве примера, почти столь же наглядного, но более близкого к космонавтике, рассмотрим гипотетический полет к Юпитеру с гравитационным маневром при пролете мимо Марса. Этот пример я придумал по ходу дела, и я не знаю, реализовывался ли именно такой сценарий полета, но он безупречен теоретически и, ИМХО, достаточно понятен:confused2:. Энергетически оптимальный сценарий такого полета следующий.
1) Баллистический полет к Марсу - по эллипсу, касательному к орбите Земли, пересекающему орбиту Марса и имеющему апогелий за орбитой Марса - но задолго до орбиты Юпитера. Поскольку результат гравитационного маневра очень чувствителен к его начальным условиям, перед пролетом мимо Марса потребуются уточнение фактической траектории и ее коррекция
2) КА пересекает орбиту Марса под умеренным углом, пролетая весьма близко к Марсу со стороны, противоположной направлению его орбитального движения. Притяжение Марса поворачивает вектор скорости КА в направлении орбитального движения Марса, и величина скорости КА возрастает ориентировочно на 3 км/сек (теоретический предел для маневра при пролете мимо Марса равен 3,56 км/сек).
3) В результате пролета вблизи Марса, КА оказывается на новой баллистической траектории - в виде эллипса, почти касательного к орбите Марса и касательного к орбите Юпитера. Поскольку параметры этой траектории очень чувствительны к фактическому минимальному расстоянию между КА и Марсом при пролете КА, наверняка потребуются уточнение и коррекция этой новой траектории.
Этот сценарий предполагает вполне определенное взаимное положение Земли, Марса и Юпитера, которое очень редко повторяется с хорошей точностью. А вот
каждое стартовое окно для такого перелета, ИМХО, примерно такое же, как для полета на Марс по обычной оптимальной траектории без гравитационного маневра - ежесуточные "окошки" по несколько минут в течение 1-2 недель.
Если же исходить из реальных взаимных положений планет, доступных в течение приемлемого срока, то нужно сознательно ухудшать энергетическую эффективность перелета - отказываться от касательности первого эллипса к орбите Земли, увеличивать скорость удаления КА от Земли и т.д.
Или же радикально усложнять баллистику перелета и увеличивать его продолжительность, и
спользуя последовательность гравитационных маневров при пролете мимо разных планет. Так, в выдающемся проекте "Кассини" по пути к Сатурну было аж 4 маневра: 2 пролета мимо Венеры, пролет мимо Земли и пролет мимо Юпитера
.
Как видим,
современные средства и методы навигации и управления КА уже позволяют реализовывать даже такие сложные маневры. Это делает возможными экзотические дальние межпланетные перелеты при разнообразных (хотя и не любых) реальных взаимных положениях планет. ИМХО, придумывание гравитационных маневров (а также эффективных комбинированных маневров с включением маршевого двигателя КА во время пролета мимо используемой планеты) - разновидность инженерного искусства, а вот конкретные расчеты и оптимизация - несомненная наука. Но
для любого конкретного сценария полета существует стартовое окно, и типичное такое окно - это ежесуточные "окошки" по несколько минут в течение 1-2 недель.
