Суборбитальная траектория

Суборбитальная траектория — это траектория движения летательного аппарата (ракеты, космического корабля, баллистической ракеты), которая пересекает условную границу космоса (линию Кармана, 100 км над уровнем моря), но не достигает первой космической скорости (около 7,9 км/с), необходимой для выхода на стабильную орбиту вокруг Земли. В отличие от орбитального полёта, при суборбитальном полёте аппарат движется по баллистической траектории, поднимаясь на высоту более 100 км, а затем возвращается на Землю, не совершив полного витка вокруг планеты. Продолжительность такого полёта обычно составляет от нескольких минут до нескольких десятков минут.

История

Ранние эксперименты

Первые суборбитальные полёты были осуществлены в ходе разработки баллистических ракет. 3 октября 1942 года немецкая ракета «Фау-2» (A-4) впервые достигла высоты 84,5 км, что считается первым в истории полётом в верхние слои атмосферы, близким к суборбитальному. После Второй мировой войны трофейные «Фау-2» и их модификации использовались США и СССР для научных исследований верхних слоёв атмосферы и космического пространства.

Начало космической эры

Первым человеком, совершившим суборбитальный полёт, стал американский астронавт Алан Шепард. 5 мая 1961 года на корабле «Меркурий-Редстоун-3» (Freedom 7) он поднялся на высоту 186,5 км и приводнился в Атлантическом океане через 15 минут 28 секунд. Вторым суборбитальным полётом человека стал полёт Вирджила Гриссома 21 июля 1961 года на корабле «Меркурий-Редстоун-4» (Liberty Bell 7). В СССР суборбитальные полёты человека не проводились — все полёты советских космонавтов, начиная с Юрия Гагарина 12 апреля 1961 года, были орбитальными.

Развитие в XX веке

В 1960-е — 1970-е годы суборбитальные траектории активно использовались для испытаний ракетных систем, в том числе в рамках советской программы «Восток» и американской программы «Аполлон» (испытания аварийно-спасательных систем). В 1990-е годы интерес к суборбитальным полётам возродился в контексте развития частной космонавтики и туризма.

Современный этап (XXI век)

В 2004 году компания Scaled Composites (США) осуществила суборбитальный полёт аппарата SpaceShipOne, который дважды поднимался выше 100 км (первый — 21 июня 2004 года, второй — 4 октября 2004 года), выиграв Ansari X Prize. В 2010-е — 2020-е годы компания Blue Origin (США) начала коммерческие суборбитальные полёты на ракете New Shepard, а компания Virgin Galactic (США) — на SpaceShipTwo. В России суборбитальные полёты в рамках частных проектов (например, «КосмоКурс») не были реализованы.

Физические основы

Движение по баллистической траектории

Суборбитальный полёт подчиняется законам небесной механики. Аппарат движется по эллиптической траектории, один из фокусов которой совпадает с центром Земли. При этом апогей (наивысшая точка) траектории находится выше 100 км, а перигей (низшая точка) — внутри Земли (то есть траектория пересекает поверхность планеты). Скорость аппарата в апогее меньше первой космической, поэтому он не может удержаться на орбите.

Параметры траектории

Основные параметры суборбитальной траектории:

• Высота апогея — максимальная высота подъёма (обычно от 100 до 200 км, реже до 1000 км).
• Дальность полёта — расстояние по поверхности Земли от точки старта до точки посадки (может составлять от нескольких сотен до нескольких тысяч километров).
• Время полёта — от нескольких минут до часа (для высот более 1000 км).
• Максимальная скорость — достигается в конце активного участка траектории (обычно 2–4 км/с, что значительно ниже орбитальной скорости).

Отличие от орбитального полёта

Ключевое отличие суборбитального полёта от орбитального — недостаточная скорость для выхода на круговую орбиту. При орбитальном полёте аппарат движется со скоростью не менее 7,9 км/с и совершает полный оборот вокруг Земли. Суборбитальный аппарат, даже достигнув космического пространства, возвращается на Землю под действием гравитации.

Классификация

По назначению

• Научные суборбитальные полёты — используются для исследования верхних слоёв атмосферы, ионосферы, космических лучей, микрогравитации, астрономических наблюдений. Примеры: ракеты «Геофизика» (СССР/Россия), Black Brant (Канада/США).
• Технологические испытания — проверка систем космических аппаратов, аварийно-спасательных систем, теплозащиты, навигации. Примеры: испытания корабля «Орион» (США) в 2014 году.
• Коммерческие и туристические полёты — кратковременные полёты с экипажем на высоту более 100 км для получения статуса астронавта. Примеры: New Shepard (Blue Origin), SpaceShipTwo (Virgin Galactic).
• Военные баллистические ракеты — межконтинентальные баллистические ракеты (МБР) и баллистические ракеты средней дальности (БРСД) движутся по суборбитальным траекториям, достигая высот 1000–1500 км.

По типу носителя

• Одноступенчатые ракеты — поднимаются на суборбитальную высоту за счёт одной ступени (например, ракета «Восток-Зенит»).
• Многоступенчатые ракеты — используются для достижения больших высот (например, ракета «Атлас»).
• Воздушный старт — запуск с самолёта-носителя (например, SpaceShipTwo стартует с самолёта WhiteKnightTwo).

Характеристики и устройство

Типовые параметры

Для суборбитальных полётов с человеком (туристических) типичны:

• Высота апогея: 100–120 км.
• Длительность невесомости: 3–5 минут.
• Максимальная перегрузка при старте: 3–4 g.
• Максимальная перегрузка при посадке: 5–6 g.
• Экипаж: 4–6 человек (включая пилота).

Конструктивные особенности

Суборбитальные аппараты обычно имеют:

• Герметичную кабину для экипажа (при полётах с человеком).
• Систему аварийного спасения (например, твердотопливный двигатель для отделения кабины).
• Теплозащиту для входа в атмосферу (при возвращении со скоростью более 2 км/с).
• Парашютную или реактивную систему посадки.

Применение

Научные исследования

Суборбитальные ракеты (зонды) используются для:

• Измерения параметров верхней атмосферы (температура, давление, состав).
• Изучения космических лучей и солнечного ветра.
• Астрономических наблюдений в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах (выше поглощающего слоя атмосферы).
• Экспериментов в условиях микрогравитации (например, кристаллизация белков).

Испытания космической техники

Суборбитальные полёты позволяют:

• Проверять работу систем управления, навигации и связи.
• Испытывать теплозащитные экраны при входе в атмосферу.
• Отрабатывать системы аварийного спасения (например, испытания корабля «Союз» в 1970-х годах).

Космический туризм

С 2020-х годов суборбитальные полёты стали доступны для частных лиц. Компании Blue Origin и Virgin Galactic предлагают кратковременные полёты на высоту более 100 км. Стоимость билета составляет от 250 000 до 500 000 долларов США. К 2024 году суборбитальные полёты совершили несколько десятков туристов.

Военное применение

Баллистические ракеты, движущиеся по суборбитальным траекториям, являются основой стратегических ядерных сил. Межконтинентальные баллистические ракеты (МБР) способны доставлять боеголовки на расстояние до 15 000 км, достигая высот 1000–1500 км.

Примеры суборбитальных полётов

Исторические

• 1942 — «Фау-2» (Германия), высота 84,5 км (первый полёт в верхние слои атмосферы).
• 1946 — «Фау-2» (США), высота 187 км (первый снимок Земли из космоса).
• 1961 — «Меркурий-Редстоун-3» (США), высота 186,5 км (первый суборбитальный полёт человека).
• 1961 — «Меркурий-Редстоун-4» (США), высота 190 км (второй суборбитальный полёт человека).
• 2004 — SpaceShipOne (США), высота 112 км (первый частный суборбитальный полёт).

Современные

• 2015 — New Shepard (Blue Origin, США), первая посадка с вертикальным взлётом и посадкой (VTVL).
• 2021 — New Shepard (Blue Origin), полёт с экипажем (первый туристический полёт компании).
• 2021 — SpaceShipTwo (Virgin Galactic), полёт с экипажем (включая основателя компании Ричарда Брэнсона).
• 2023 — New Shepard (Blue Origin), полёт с экипажем (включая первого туриста из России).

Интересные факты

• Линия Кармана (100 км) является международно признанной границей космоса, но не имеет юридической силы. В США границей космоса считается высота 50 миль (80,5 км), поэтому пилоты SpaceShipOne и SpaceShipTwo считаются астронавтами по американской классификации.
• Суборбитальные полёты значительно дешевле орбитальных: стоимость запуска суборбитальной ракеты составляет от 1 до 10 миллионов долларов, в то время как орбитальный запуск — от 50 миллионов долларов.
• В СССР и России суборбитальные полёты человека не проводились, но активно использовались для испытаний ракетной техники и научных исследований (например, ракеты «Геофизика», «Вертикаль»).

Источники

• «Основы теории полёта космических аппаратов» (под ред. В. П. Легостаева, 1997).
• «Космонавтика: энциклопедия» (под ред. В. П. Глушко, 1985).
• «История развития ракетной техники и космонавтики» (А. А. Штернфельд, 1974).
• «Суборбитальные полёты: прошлое, настоящее, будущее» (журнал «Земля и Вселенная», 2020, № 4).
• Документация компании Blue Origin (официальный сайт, 2024).
• Документация компании Virgin Galactic (официальный сайт, 2024).