← Laboratorium

Kosmos · Astronautyka

Rakieta — jak dostać się na orbitę

Orbita to nie „wysoko”, tylko szybko: trzeba lecieć bokiem tak prędko, żeby Ziemia cały czas uciekała spod spadającej rakiety. Wystartuj z obracającej się Ziemi, przetrwaj Max Q, odrzuć stopień i wejdź na orbitę — a potem przeskocz na orbitę geostacjonarną.

T− 00:00:00
Gotowa do startu

Wyzwania

Wykonaj je w symulatorze — zaliczą się same.

    Dziennik lotu

    Najważniejsze chwile misji (czas misji od zapłonu).

    1. Czekamy na zapłon…

    Wzór Ciołkowskiego — ile prędkości daje paliwo?

    Rakieta nie odpycha się od powietrza: wyrzuca gazy do tyłu, więc sama leci do przodu (zasada zachowania pędu). Przyrost prędkości Δv zależy tylko od prędkości wylotu gazów ve i od tego, ile razy rakieta z paliwem jest cięższa od pustej.

    Δv = ve · ln m0mk     m0 — masa z paliwem, mk — masa po spaleniu
    3,05 km/s
    400 t
    50 t
    6,70 km/s

    Dlaczego rakiety mają stopnie?

    Pusty zbiornik to martwy balast. Gdy stopień się wypali, rakieta go odrzuca i dalej rozpędza już tylko to, co jeszcze potrzebne. Porównaj rakiety o tej samej masie startowej, tym samym paliwie (ve z kalkulatora obok) i tym samym udziale konstrukcji.

    Liczba stopni
    2 %
    8 %

    Stopnie dobrane optymalnie (każdy ma ten sam stosunek mas). Złota kreska: ok. 9,4 km/s — tyle trzeba na niską orbitę razem ze stratami na grawitację i opór.

    Prędkości kosmiczne

    Im wyżej krąży satelita, tym wolniej leci i tym dłużej trwa jedno okrążenie. Liczby poniżej wynikają z tego samego modelu co symulator.

    I prędkość kosmiczna
    7,9 km/s

    Orbita kołowa tuż nad powierzchnią (gdyby nie było powietrza): v = √(GM/R).

    II prędkość kosmiczna
    11,2 km/s

    Prędkość ucieczki z powierzchni: energia ruchu równa energii wiązania. To √2 razy więcej niż I prędkość.

    III prędkość kosmiczna
    16,7 km/s

    Tyle trzeba nadać przy Ziemi, żeby uciec z Układu Słonecznego, wykorzystując ruch Ziemi wokół Słońca.

    400 km
    Prędkość na orbicie7,67 km/s
    Okres obiegu92,4 min
    Prędkość ucieczki tam10,85 km/s
    Grawitacja (część ziemskiej)89 %

    Trzecie prawo Keplera: T² ∝ r³. Orbita geostacjonarna trwa tyle, ile jeden obrót Ziemi względem gwiazd (23 h 56 min), więc satelita „wisi” nad jednym punktem równika.

    Jak to działa?

    Kilka wzorów wystarczy, żeby zrozumieć każdy lot w symulatorze.

    1. Orbita to ciągłe spadanie

    Grawitacja słabnie z kwadratem odległości od środka Ziemi. Rakieta na orbicie cały czas spada, ale leci bokiem tak szybko, że powierzchnia „zakrzywia się” pod nią w tym samym tempie.

    g(r) = GMr²    vkoł = √GMr    T = 2π √r³GM

    GM = 3,986 · 10¹⁴ m³/s², R = 6 371 km. Na 400 km: v ≈ 7,67 km/s, T ≈ 92,4 min.

    2. Energia decyduje o kształcie orbity

    Z położenia i prędkości symulator w każdej chwili liczy elipsę (stożkową), po której leciałaby rakieta z wyłączonym silnikiem. Stąd biorą się apocentrum i perycentrum.

    v² = GM (2r − 1a)    ε = v²2 − GMr

    ε < 0 — orbita zamknięta (elipsa), ε ≥ 0 — ucieczka. Stąd prędkość ucieczki vuc = √2 · vkoł.

    3. Silnik i wzór Ciołkowskiego

    Ciąg to strumień masy razy prędkość wylotu gazów. Impuls właściwy Isp mówi, jak „oszczędne” jest paliwo; w próżni silnik ma większy Isp niż przy ziemi.

    F = ṁ · ve    ve = Isp · g0    Δv = ve ln m0mk

    Rakieta w symulatorze: I stopień 7,6 MN, Isp 282 s (przy ziemi) / 311 s (próżnia); II stopień 0,98 MN, 345 s.

    4. Atmosfera, opór i Max Q

    Powietrze rzednie wykładniczo. Opór rośnie z kwadratem prędkości, więc najgorszy moment przychodzi w połowie drogi: rakieta jest już szybka, a powietrze jeszcze gęste — to Max Q, szczyt ciśnienia dynamicznego.

    ρ = ρ0 e−h/H    q = ½ ρ v²    FD = q · CD · A

    ρ0 = 1,225 kg/m³, H = 8,5 km. Dlatego rakieta leci najpierw pionowo, a potem wykonuje zakręt grawitacyjny: lekko się pochyla i pozwala grawitacji stopniowo kłaść tor lotu, zawsze nosem wzdłuż prędkości.

    5. Transfer Hohmanna

    Najtańszy sposób przejścia między orbitami kołowymi: zapłon prograde wydłuża orbitę w elipsę, której apocentrum sięga orbity docelowej. Po pół obiegu drugi zapłon „zaokrągla” orbitę.

    Δv1 = √GMr1 (√2r2r1+r2 − 1)    Δv2 = √GMr2 (1 − √2r1r1+r2)

    Z 400 km na GEO: Δv1 ≈ 2,40 km/s, Δv2 ≈ 1,46 km/s, przelot ≈ 5 h 17 min.

    6. Przeciążenie

    Przeciążenie to przyspieszenie, które czuje załoga: od ciągu i oporu, bez grawitacji (w swobodnym spadku — także na orbicie — wynosi 0 g). Program lotu dławi silnik, żeby nie przekroczyć 4 g.

    n = |Fciąg + FD|m · g0    g0 = 9,806 65 m/s²

    Na stanowisku startowym ziemia podpiera rakietę, dlatego przeciążenie wynosi wtedy 1 g.

    Uproszczenia modelu

    • Lot w dwóch wymiarach, w płaszczyźnie równika; Ziemia to jednorodna kula o promieniu 6 371 km, obracająca się raz na dobę gwiazdową (start z równika na wschód).
    • Atmosfera wykładnicza bez wiatru, stały współczynnik oporu; powyżej 140 km opór pomijamy, więc orbity nie opadają.
    • Rakieta jest fikcyjna (parametry zbliżone do współczesnych rakiet średniej klasy); silnik II stopnia można włączać dowolnie wiele razy, a ciąg dławić od 0 do 100 %.
    • Program lotu to prosta automatyka (pion, odchylenie o 8°, zakręt grawitacyjny, potem utrzymywanie wysokości ok. 190 km), a nie prawdziwe naprowadzanie rakiety.
    • Wysokość GEO (35 786 km) liczy się naprawdę od równika (promień 6 378 km); na naszej kulistej Ziemi okres wychodzi o ok. 20 s krótszy niż doba gwiazdowa.

    Czy wiesz, że…?

    Na ISS grawitacja wcale nie znika

    Na wysokości 400 km przyciąganie Ziemi ma jeszcze prawie 90 % siły z powierzchni. Astronauci unoszą się, bo razem ze stacją nieustannie spadają — tylko ciągle „chybiają” Ziemię.

    Obrót Ziemi to darmowe 465 m/s

    Punkt na równiku pędzi na wschód z prędkością ok. 465 m/s. Dlatego rakiety startują na wschód, a europejski kosmodrom leży w Kourou w Gujanie Francuskiej, zaledwie 5° od równika.

    Teoria wyprzedziła rakiety

    Konstanty Ciołkowski — syn Polaka — ogłosił swój wzór w 1903 roku, a Walter Hohmann opisał transfer między orbitami w 1925 roku. Pierwsza rakieta sięgnęła kosmosu dopiero w 1944 roku.