Чтобы ответить на этот вопрос, нужно понимать, что вообще представляет собой космический полёт. Международная космическая станция находится на почти круговой орбите со средней высотой около 410 километров над уровнем моря. Она летит с первой космической скоростью, примерно 7,6 километра в секунду, совершая один оборот вокруг Земли за 90 минут. Ракеты-носители выводят космические корабли на опорную орбиту с высотой в 200 километров. Чтобы преодолеть эти 200 километров разницы, кораблю нужно дополнительно разогнаться на 100 метров в секунду. Но всё не так просто.
История вопроса
Запущенный 14 октября 2020 года космический корабль «Союз МС-17» побил абсолютный рекорд скорости полёта к Международной космической станции, пристыковавшись к ней всего через 3 часа 3 минуты после старта ракеты с космодрома. Американский корабль Crew Dragon в свой второй полёт в ноябре 2020 года достиг МКС за 17 часов после старта (в последующих время сближения было схожим).
Сближение в космосе космических аппаратов, МКС в том числе, впервые на практике было достигнуто давно — в августе 1962 года. Его осуществили экипажи пилотируемых космических кораблей «Восток-3» и «Восток-4». Минимальная дистанция между кораблями в ходе совместного полёта достигала 6,5 километра, что в современных условиях позволило бы опытным космонавтам «доманеврировать» и окончательно сблизить космические корабли.
Но на космических аппаратах серии «Восток» двигательные установки не позволяли это сделать. Сближение состоялось сразу — через 12 минут после старта — после выведения «Востока-4» на орбиту, вслед за «Востоком-3», примерно через сутки после его старта. А самая быстрая стыковка в истории и вовсе заняла всего 46 минут. Произошло это в 1967 году. Правда, беспилотные прототипы кораблей «Союз», как и «Восток-3» с «Востоком-4», после выведения были очень близко друг к другу.
Современное состояние
Что же мешает состыковать корабль со станцией сейчас, спустя столько лет? Ответ — небесная механика и особенности выбора орбиты полёта МКС.
Орбита «Востоков» в ходе совместного полёта была низкой, как и орбита выведения современных кораблей, от 180 до 240 километров в перигее и апогее — наиболее низкой и высокой точках над уровнем моря.
Помимо апогея и перигея есть наклонение орбиты, то есть угол между плоскостью орбиты и плоскостью экватора.
Фото:
Основные параметры любой околоземной орбиты
С космодромов, расположенных севернее и южнее экватора, ракета-носитель может эффективно вывести полезную нагрузку на орбиту с таким наклонением, которое не превышает географическую широту космодрома. К примеру, знаменитый Байконур находится на широте около 46 градусов, американский космодром на мысе Канаверал — на широте около 28 градусов.
МКС располагается на орбите с классическим для СССР и РФ наклонением в 51,6 градуса, и как минимум полётные трассы на такие орбиты для пуска с мыса Канаверал не являются стандартными.
Но копнём ещё глубже.
Попасть в окно
На момент пуска космический аппарат — и космодром, с которого его запускают — должен обязательно находиться в плоскости станции. Ведь планета тоже вращается вокруг своей оси. Нужно попасть в так называемое пусковое окно.
Для полёта на МКС по сверхкороткой двухвитковой схеме, по которой пару лет назад слетал «Союз МС-17», необходимо, чтобы фазовый угол — угол между космодромом во время пуска и станцией в орбитальной плоскости станции — составлял около пяти градусов.
Более короткие схемы полёта подразумевают ожидание на так называемой орбите фазирования, где корабль выжидает необходимых условий — фазового угла — для зажигания двигателей и сближения со станцией. Чем ниже орбита, тем выше скорость полёта космического корабля, а значит, его угловая скорость будет выше угловой скорости станции, и он будет её «обгонять».
Для сверхбыстрого полёта важны не точность выведения корабля на орбиту ракетой, не географическая широта космодрома, а пусковые окна.
Кратко говоря, пусковое окно — это когда космодром находится в плоскости вращения станции. Идеальное для нашей отечественной трёхчасовой схемы пусковое окно — когда станция пролетает прямо над космодромом.
Для «длинных» схем полёта пусковых окон больше, ведь космический аппарат может подождать необходимых условий на орбите фазирования. «Союз МС-17» достиг станции двумя зажиганиями двигателя, «прыгнув» с 200 на 400 километров, без каких-либо орбит фазирования.
Кажется, дождь начинается…
Вы спросите: почему американские коллеги не могут сделать так же? Им… мешает неблагоприятная для стартов погода. От сложности в спасении экипажа при срабатывании системы аварийного спасения (корабли падают в воду, в шторм спасательные операции производить сложновато) до ветров в атмосфере, которые могут негативно повлиять на саму ракету.
Выждать нужное пусковое окно можно, но, когда вероятность пуска не равна 100 %, как это зачастую случается с русскими ракетами, лучше летать «по старинке».
Недавно, 23 марта 2024 года, состоялся запуск транспортного пилотируемого корабля «Союз МС-25», который должен был состояться на два дня раньше — 21 марта. Если бы ракета стартовала в нужное время, экипаж достиг бы станции за три часа, но из-за неполадок с аккумуляторами пуск перенесли и не попали в нужное окно, и экипаж летел до станции 48 часов.
Но русские ракеты взлетают в любую погоду и даже спокойно выдерживают удар молнии — как произошло в 2019 году с «Союзом-2.1б» через 10 секунд после старта. Впрочем, это отдельная тема.
На вопрос ответил старший научный сотрудник Политехнического музея Павел Гайдук. У вас тоже есть вопрос, связанный с устройством мира или человека, с историей науки и техники? Задайте его в комментариях или пришлите на почту question@polytech.one