Naveta Spaţială (IV): Drumul spre orbită

Orbita este o traiectorie închisă în jurul unui element. În cazul de faţă este vorba despre Pământ. De ce este o obită de interes pentru naveta spaţială? Pentru a înţelege mai bine acest lucru, să revedem puţin ce înseamnă o orbită creată de forţa gravitatională.

Imaginaţi-vă un munte extrem de înalt şi în vârful acestuia, un tun imens. Imaginaţi-vă acum că puteţi varia puterea acestui tun. Un proiectil ipotetic care ar părăsi gura tunului, va avea o traictorie care depinde de viteza cu care acesta iese din tun. La o viteză mică, proiectilul va cădea aproape de baza muntelui. La o viteză mai mare, acesta vă cădea evident, mai departe. Imaginaţi-vă că sunteţi pe proiectil şi priviţi în jos. În cazurile descrise mai sus, traiectoria proiectilului se curbează mai repede decât o face Pământul, astfel că ajungeţi de fiecare dată pe suprafaţa acestuia. Dar ce se întâmplă dacă proiectilul are o astfel de viteză încât să îi imprime o traiectorie care să se curbeze mai lent decât suprafaţa Pământului, privind mişcarea de pe proiectil? Viteza minimă pentru care acest lucru se întămplă pe Pământ este de 11.2 km/s, o viteză mare, dar nu imposibil de atins. În acest caz, veţi continua să cădeţi mereu în jurul Pământului, fără a mai ajunge pe suprafaţa acestuia. Asta deoarece gravitaţia acestuia acţionează atractiv asupra proiectilului, dar deoarece viteza (tangeţială) a acestuia este mare, căderea are loc mereu în gol. Se spune acum că proiectilul orbitează Pământul, aflându-se într-o mişcare circulară în jurul acestuia, fără a fi nevoie de mijloace de propulsie pentru a întreţine mişcarea, generată acum doar de atracţia gravitaţională, aşa cum Pământul se roteşte în jurul Soarelui sau Luna în jurul Pământului, fără a fi nevoie de motoare (au fost nevoie de motoare pentru a ajunge pe orbită, dar o dată ajunşi pe această traiectorie, acestea nu mai sunt necesare pentru a întreţine mişcarea).

Atâta timp cât asupra unui corp aflat pe orbită nu acţionează alte forţe, acesta va continua să orbiteze corpul central. Însă interacţiunea cu straturile superioare ale atmosferei sau diverse coliziuini pot modifica parametrii orbitei, până la degenerarea acesteia şi revenirea la o traiectorie care va intersecta Pământul.

Rareori o orbită este perfect circulară. De cele mai multe ori, orbitele sunt de fapt elipse. Cercul este doar un caz special de elipsă. Pentru definirea formei orbitei, se foloseşte excentricitatea (e). Pentru o orbită perfect circulară, e = 0. Pentru o orbită eliptică, 0 < e < 1. Dacă e > 1 avem o traiectorie hiperbolică, o orbită degenerată. Cazul e = 1 reprezintă o orbită parabolică. Orbita este o elipsă, deci mişcarea are loc într-un plan. Acest plan poate fi orientat diferit, în funcţie de planul ecuatorial (planul ce conţine ecuatorul Pământului), motiv pentru care este necesară definirea unui parametru numit înclinarea orbitei (faţă de un plan de referinţă). Spre exemplu, planul orbitei Staţiei Spaţiale Internaţionale este la 42 de grade (de planul ecuatorial al Pământului). Pentru ca naveta spaţială să poată andoca cu ISS, planul orbitei acesteia trebuie să fie similar cu planul orbital al ISS. Modificarea planului orbital este posibilă şi dacă nava este deja pe orbită, însă cu un consum enorm de combustubil. Din acest motiv, naveta spaţială execută o manevră denumită „roll program” la câteva secunde de la lansare, pentru a-şi pregăti alinierea planului orbital cu cel al ISS cât mai din timp, economisind astfel combustibil preţios.

Nefiind circulară, orbita mai are o semiaxă mare şi o semiaxă mic, elemente caracteristice elipselor. Astfel, avem un punct în care distanţa dintre navetă şi Pământ este minimă, punct de pe orbită numit periheliu (aici viteza orbitală este maximă) şi un punct în care distanţa navetă-Pământ este maximă (viteza minimă), denumit afeliu.

Majoritatea lansărilor din ultimii ani ale navetei spaţiale au fost destinate contrucţiei Staţiei Spaţiale Internaţionale, datorită posibilităţii navetei de a transporta mari cantităţi de materiale, provizii şi instrumente pe orbită. Singurele excepţii au fost, în ultimii ani, misiunile spre telescopul spaţial Hubble, care se află pe o orbită superioară orbitei ISS (şi într-un alt plan). Înainte de a începe construcţia ISS, naveta spaţială era folosită pentru a pune pe orbită sateliţi de comunicaţii sau militari sau pentru accesul direct la aceştia, practică sistată după accidentul navetei Challenger din 1986. Dar în toate cazurile, procedura de lansare este similară. Misiunea începe cu mult timp înainte, fiind planificată în birourile NASA, cu câţiva ani înainte de lasarea. În săptămâna premergătoare lansării, navetei îi sunt apoi ataşate cele două boostere (SRB) şi rezervorul principal, operaţiuni care au loc în cladirea VAB (vehicle assembly building) de la Centrul Spaţial Kennedy, Florida. În poziţie verticală, ansamblul navetă, rezervor, SRB este transportat pe o platformă mobilă până la rampa de lansare, operaţiune care durează câteva ore. Aici, rezervorul este umplut cu combustibil şi astronauţii urcă la bord, făcându-se ultimele pregătiri. În cazul în care vremea sau ultimele detalii tehnice nu corespund, lansarea este amânată. De reţinut faptul că o lansare nu poate fi efectată oricând, fereastra de lansare depinde de poziţia ţintei misiunii (ISS; Hubble) care trebuie să fie cât mai aproape de rampa de lansare, pentru un consum minim de combustibil din partea navetei.

Dacă totul este în regulă, pornesc motoarele principale ale navetei, urmate de SRB-uri, moment în care naveta se înalţă de pe rampa de lansare. Toate operaţiunile până în acest moment au fost dirijate la sol de la Centrul Spaţial kennedy din Florida. Din momentul în care naveta a părăsit rampa de lansare, aceasta trece în grija Centrului Spaţial Johnson, din Houston, care este responsabil cu zborurile cu echipaj uman. În cazul unei probleme, naveta se poate desprinde de ansamblul SRB, rezervor şi poate plana spre una din pistele Centrului Spaţial Kenedy. Daca vreunul din motoare se defectează şi celelalte nu mai pot compensa urcare pe orbită şi aceasta este prea departe de Centrul Spaţial Kennedy, naveta poate ajunge până la o pista specială din Zaragoza, Spania (din fericire, acest scenariu nu a fost folosit până acum). Dacă totul decurge conform planului, după efectuarea manevrei „roll” descrisă mai sus, la 60 de secunde de la lansare, motoarele principale îşi micşorează puterea timp de aproximativ 15 secunde, pentru a facilita trecerea navetei printr-o zonă care crează presiunea maximă asupra structurii sale, datorită atmosferei. După 75 de secunde de la lansare, motoarele navetei sunt folosite din nou la putere maximă. La două minute după lansare, combustibilul din SRB este deja consumat şi acestea se desprind de navetă, folosind nişte încărcături explozibile de mică putere. Naveta care este acum propulsată doar de motoarele proprii, alimentate din rezervorul încă ataşat. Boosterele SRB cad în ocean, sunt recuperate şi refolosite. La opt minute după lansare, naveta spaţială atinge viteza necesare pentru a intra pe orbită, moment în care motoarele se opresc, rezervorul se desprinde şi cade în ocean iar naveta rămâne pe orbită, într-o mişcare întreţinută doar de gravitaţie. Eventualele corecţii sunt efectuate folosind OMS, motoare care au combustibilul stocat la bord, dar care au o putere mult mai mică.

În episodul următor, vom trece în revistă manevrele orbitale şi aterizarea navetei spaţiale.

5 Comments

  1. Poate n-ar fi stricat sa zici doua vorbe de nenea Kepler si s/elipsa/conica/ ici-colo. Astept cu interes un articol despre tipurile de orbite (LEO, HEO, geosincrona, geostationara, ecuatoriala, polara, Molniya, Tundra, etc).

    /me putin mai pasionat de mecanica si fizica decat de tehnologii specifice

  2. Articolul de faţă a fost scris tot la cererea unui cititor, aşa că o să urmeze unul şi despre tipuri de orbite, dacă zici că ţi-ar place. Nu am mai zis de Kepler pentru că nu doream să intru în teorie prea mult, motiv pentru care am redus la minim ecuaţiile din articol.

  3. Buna, ma intereseaza un articol despre traseul pana pe orbita al navetei spatiale:
    – iese din atmosfera pe la poli (cum am auzit) sau nu
    -ar rezista trecerii prin centura van Allen echipajul navetei?

  4. Nu iese pe la poli. Cel mai aproape de acest lucru ar fi ca naveta să aibă o orbită polară, însă asta e imposibil dacă dacă lansarea are loc de la Kennedy Space Center, așa cum s-a întâmplat de fiecare dată. Au fost planuri pentru lansări de la baza militară Vandenberg, de unde naveta s-ar fi putut înscrie pe o orbită polară, dar nu s-au mai concretizat.

    Centurile van Allen încep de la altitudini de 1000 km. Naveta spațială nu e depășit niciodată altitudinea de 800 de kilometri, pentru că nu a fost proiectată pentru așa ceva. Așadar, centurile van Allen nu au pus niciodată probleme echipajului.

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *