Почему быстро нельзя летать всегда?

Данный текст был написан для соцсетей Мемориального музея космонавтики в конце 2020 года. Ниже будет современная его адаптация.

Почему одни корабли на МКС летают быстро, а вторые летают медленно?

Сразу перейдём к делу — запущенный 14 октября 2020 года космический корабль "Союз МС-17" побил абсолютный рекорд скорости полёта к Международной космической станции, пристыковавшись к ней 3 часа 3 минуты после старта ракеты с космодрома.

Достижение весомое, особенно на фоне полётов американского корабля Crew Dragon, который в свой второй полёт достиг МКС за 17 часов после старта (в последующих время сближения было схожим). Назревает вопрос — неужто мы всех обогнали, как в былые времена?

На самом деле, сближение космических аппаратов в космосе впервые на практике было достигнуто давно — в августе 1962 года, пилотируемыми космическими кораблями "Восток-3" и "Восток-4." Минимальная дистанция между кораблями в ходе совместного полёта достигала 6,5 километров, 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 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, правда, корабли (беспилотные прототипы кораблей "Союз", 1967 год), как и "Восток-3" с "Востоком-4" после выведения были очень близко друг к другу.

Однако, что же мешает состыковать корабль с станцией сейчас, спустя столько лет? Ответ — небесная механика и особенности выбора орбиты полёта МКС.

Орбита "Востоков" в ходе совместного полёта была низкой, от 180 до 240 км в перигее и апогее (наиболее низкой и высокой точками над уровнем моря). Орбита же МКС составляет около 400-420 километров над уровнем моря и является практически круговой. Её меняют, периодически поднимают или опускают для формирования нужных условий для пусков космических кораблей.

А такая высота аж в два раза выше, чем орбита выведения космических кораблей в космос, которую часто называют опорной (~200 км). Значит, надо маневрировать, зажигать двигатели и так далее. Тут и возникают проблемы.

Помимо апогея и перигея есть весьма важный аргумент орбиты, называемый наклонением, что есть угол между плоскостью орбиты и плоскостью экватора. Вся терминология в картинке ниже (и в картинке в заголовке статьи).

В силу некоторых особенностей, 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 располагается на широте около 46 градусов, американский космодром на мысе Канаверал располагается на широте около 28 градусов.

МКС располагается на орбите с классическим для СССР и РФ наклонением в 51.7 градусов, и, как минимум, полётные трассы на такие орбиты для пуска с мыса Канаверал не являются стандартными.

Но мы копнём еще глубже.

На момент пуска КА (и космодром, с которого КА запускают) должен обязательно находиться в плоскости станции. Ведь планета тоже вращается вокруг своей оси. Запускать КА нужно в так называемое «пусковое окно». Пример сложного совместного относительного движения планеты и КА можно увидеть на видео:

Так вот, 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 5 градусов. Теперь пересмотрите видео и попробуйте посчитать, сколько раз МКС пролетела над космодромом.

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 быстрее скорость полёта космического корабля, а значит, что его угловая скорость будет быстрее угловой скорости станции и он будет её «обгонять».

Так вот, к чему я это — 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 трёхчасовой схемы пусковое окно — когда станция пролетает прямо над космодромом.

Для «длинных» схем полёта пусковых окон больше, ведь КА может подождать необходимых условий на орбите фазирования. "Союз МС-17" достиг станции двумя зажиганиями двигателя, "прыгнув" с 200 км на 400 км, без каких-либо орбит фазирования.

Но вы спросите — почему наши американские коллеги не могут сделать так же?

Отвечу картинкой:

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, летающими в любую погоду и спокойно выносящими удар молнии, лучше летать «по старинке».

И я ничего не говорю о том, что под конкретную схему полёта надо переучивать центр управления полётами.

Скорость — это хорошо. Но сложно. Основной усложняющий фактор я попытался объяснить вам в этой статье, но, повторюсь, их гораздо больше, чем может показаться на первый взгляд.