Usando um foguete. Descobertas científicas que nos levaram ao espaço: Foguetes

O princípio da propulsão a jato é amplamente utilizado uso pratico na aviação e astronáutica. Não existe nenhum meio no espaço sideral com o qual um corpo possa interagir e, assim, mudar a direção e a magnitude de sua velocidade. Portanto, apenas aviões a jato podem ser usados ​​para voos espaciais, ou seja, foguetes.

Quem inventou o foguete?

O foguete é conhecido há muito tempo. Obviamente, apareceu há muitos séculos no Oriente, talvez em China antiga- o berço da pólvora. Foguetes (veja abaixo) foram usados ​​durante festivais folclóricos, fogos de artifício foram exibidos, chuvas de fogo, fontes e rodas foram acesas no céu.

Foguete chinês antigo:

1 - guia do cano;

2 - carga de pólvora;

3 - maço;

4 - foguete;

5 - carga de pólvora de foguete.

Foguetes foram usados ​​em assuntos militares. Durante muito tempo, o foguete foi ao mesmo tempo uma arma e um brinquedo. Sob Pedro I, um sinalizador de uma libra do modelo 1717 foi criado e usado (veja abaixo), que permaneceu em serviço até final do século XIX século. Ele atingiu uma altura de até \(1\) quilômetro.

Alguns inventores propuseram o uso do foguete para a aeronáutica. Tendo aprendido a escalar balões, as pessoas estavam indefesas no ar. A primeira pessoa a propor o uso de um foguete como meio de transporte foi o inventor russo, o revolucionário Nikolai Ivanovich Kibalchich, que foi condenado à execução por atentado contra a vida do czar.

Dez dias antes de sua morte na Fortaleza de Pedro e Paulo, ele concluiu os trabalhos de sua invenção e entregou ao advogado não um pedido de perdão ou reclamação, mas o “Projeto de Instrumento Aeronáutico” (desenhos e cálculos matemáticos do foguete). Ele acreditava que seria o foguete que abriria o caminho para o céu para o homem.

Sobre seu aparelho (veja acima), ele escreveu: “Se o cilindro for colocado com a parte inferior fechada para cima, então a uma pressão de gás conhecida... o cilindro deve subir até o topo”.

Que força é aplicável à aeronáutica? - NI faz a pergunta. Kibalchich responde. - Tal força, na minha opinião, são explosivos de queima lenta... É possível aplicar a energia dos gases formados durante a ignição de explosivos a qualquer trabalho de longo prazo apenas sob a condição de que a enorme energia que é gerada durante a combustão de explosivos não se formará imediatamente, mas durante um período de tempo mais ou menos longo. Se pegarmos meio quilo de pólvora granulada, que se inflama instantaneamente quando acesa, e comprimi-la sob alta pressão na forma de um cilindro, veremos que a combustão não engolirá imediatamente o cilindro, mas se espalhará lentamente de uma extremidade. para o outro e com uma certa velocidade... Nisto O projeto de mísseis de combate é baseado nas propriedades da pólvora prensada.

O inventor aqui significa antigo (primeiro metade do século XIX século) foguetes que lançaram bombas de 50 quilogramas por \(2-3\) quilômetros com uma carga de \(20\) kg. N.I. Kibalchich imaginou de forma bastante clara e correta o mecanismo de ação do foguete.

O projeto de um foguete espacial com motor a jato líquido foi proposto pela primeira vez em \(1903\) pelo cientista russo Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky.

Ele desenvolveu uma teoria do movimento dos foguetes espaciais e derivou uma fórmula para calcular sua velocidade.

Consideremos a questão do projeto e lançamento dos chamados veículos lançadores, ou seja, foguetes projetados para lançar satélites artificiais da Terra, espaçonaves, estações interplanetárias automáticas e outras cargas úteis para o espaço.

Qualquer foguete, independente de seu design, sempre possui casco e combustível com oxidante. A carcaça do foguete inclui a carga útil (neste caso, uma espaçonave), o compartimento de instrumentos e o motor (câmara de combustão, bombas, etc.).

A massa principal do foguete é combustível com oxidante (o oxidante é necessário para manter a combustão do combustível, já que não há oxigênio no espaço).

O combustível e o oxidante são fornecidos à câmara de combustão por meio de bombas. Quando o combustível queima, ele se transforma em gás de alta temperatura e alta pressão, que sai em um jato poderoso através de um encaixe de formato especial chamado bocal. A finalidade do bico é aumentar a velocidade do jato.

Qual é o propósito de aumentar a velocidade de saída do fluxo de gás? O fato é que a velocidade do foguete depende dessa velocidade. Isso pode ser mostrado usando a lei da conservação do momento.

Como antes do lançamento o momento do foguete era igual a zero, então, de acordo com a lei da conservação, o impulso total da concha em movimento e do gás ejetado dela também deveria ser igual a zero. Segue-se que o impulso do projétil e o impulso do jato de gás direcionado oposto a ele devem ser iguais em magnitude:

p casca = p gás

m casca v casca = m gás v gás.

v casca = m gás v gás m casca.

Isso significa que quanto mais rápido o gás escapar do bico ou quanto menor for a massa do projétil do foguete, maior será a velocidade do projétil do foguete.

Na prática de voos espaciais, costumam ser utilizados foguetes de vários estágios, desenvolvendo muito altas velocidades e projetado para voos mais longos do que os de estágio único.

É difícil imaginar como o nosso mundo mudará se lançamentos espaciais baratos chegarem até ele. Bases em outros planetas e satélites, turismo espacial, fábricas orbitais e muito mais se tornarão não apenas uma realidade, mas também um lugar-comum. Reduzir o custo do transporte de carga além do nosso berço é agora o objetivo principal de toda astronáutica. Chamo a sua atenção para uma visão geral dos projetos mais populares de lançamento de cargas usando métodos que não sejam foguetes.

Elevador espacial

Deve ser o método mais popular e amplamente replicado na mídia. Um elevador espacial é um cabo esticado desde a superfície da Terra e que se estende a partir dela por 144.000 km no espaço.
Baseé um local na superfície do planeta onde o cabo é preso e começa o levantamento da carga. Pode ser móvel (por exemplo, colocado em navio oceânico) e não móvel. A vantagem de uma base móvel é bastante óbvia - é possível evitar furacões e tempestades que podem danificar o cabo.

CaboÉ um fio muito fino (em relação ao seu comprimento, claro) feito de material ultrarresistente, passado além da órbita geoestacionária e mantido nesta posição devido à força centrífuga. Atualmente, não é possível criar tal material, mas, segundo a teoria, os nanotubos de carbono poderiam se tornar tal material. Infelizmente, sua produção em escala industrial ainda está muito distante. A resistência da corda espacial deve ser da ordem de 65-120 gigapascais, dependendo da altura (para comparação, a resistência do aço não excede 1 GPa).

Contrapeso serve para garantir que o cabo esteja sempre em estado de tensão. Eles podem servir como qualquer objeto massivo, seja um asteróide ou uma base espacial (o que é mais atraente). O contrapeso está localizado significativamente acima da órbita geoestacionária, portanto, se o cabo quebrar, ele poderá voar para a órbita quase solar. Portanto, se pretendem servir como estação espacial, deve ser equipada com sistema de propulsão próprio.

As cargas são colocadas em órbita por um elevador especial (ou talvez até mais de um) e, de acordo com os cálculos dos cientistas, a viagem de ponta a ponta deve durar cerca de 7 dias. Não é rápido, claro, mas é muito barato. Afinal, isso é muito mais rápido do que o lançamento de foguetes, cuja preparação leva muitos meses. É claro que um projecto desta escala deve ser internacional, porque nenhum Estado pode administrá-lo sozinho. E isto, por sua vez, levanta uma série de problemas e questões. Em primeiro lugar, em que território deveria ser colocada tal estrutura? Com efeito, devido ao seu tamanho gigantesco, é impossível evitar a violação do espaço aéreo de vários estados. Em segundo lugar, o elevador espacial deve ser protegido contra ataques terroristas e conflitos militares.

Prós:

• Baixo custo relativo de entrega de carga em órbita geoestacionária
• Economias de custos significativas ao lançar espaçonaves interplanetárias
• Possibilidade de implementar excursões espaciais baratas
• Ao contrário dos foguetes, nenhuma substância tóxica é liberada na atmosfera

Desvantagens:

• Complexidade de implementação
• Altos custos de construção
• A necessidade de resolver muitas questões legais e regulatórias

E o cabo deve ser feito de um material super resistente, que, infelizmente, não está disponível no momento.

O material mais adequado e mais próximo da criação são os nanotubos de carbono, mas o progresso na sua produção deixa muito a desejar. Além disso, isso não é o mais Atalho entrar em órbita.

Elevador inflável para enviar ao espaço

A empresa canadense Thoth Technology decidiu seguir um caminho menos ambicioso. A altura da torre, cuja patente foi emitida nos Estados Unidos em 21 de julho de 2015, será de 20 quilômetros e o diâmetro será de cerca de 230 metros.

A torre será equipada com um ou mais decks de onde poderão ser lançados satélites com cargas úteis. 20 quilômetros podem não parecer tão impressionantes quanto 36 mil quilômetros, mas a Torre Thoth ainda seria 20 vezes mais alta do que qualquer outra estrutura feita pelo homem atualmente existente na Terra. Além disso, será suficientemente elevado para reduzir o custo dos lançamentos espaciais em cerca de um terço.

Engenheiros canadenses propõem fazer uma torre com seções infláveis ​​​​reforçadas com elevador interno.

A torre inflável gigante não deve balançar com o vento, mas a estrutura em si será alta demais para usar cordas de sustentação. Por isso, os especialistas sugerem a utilização de um sistema de volantes que proporcionará estabilidade dinâmica e atuarão como compressores da estrutura. Os volantes serão capazes de regular a pressão e a rotação, compensar qualquer flexão da torre e mantê-la sempre fixa.

A patente também pressupõe que o elevador não se moverá sobre cabos (um cabo de vinte quilômetros não seria capaz de suportar seu próprio peso sem deformação). As cargas serão entregues ascendentemente através de um tubo pneumático, graças à pressão injetada, ou do exterior através de dispositivos semelhantes a aranhas mecânicas.

O principal objetivo da torre Thoth será lançar espaçonaves do topo da torre. Ele atuará como plataforma de lançamento e substituirá o primeiro estágio do veículo lançador. Também pode ser usado para pouso e reabastecimento.

Skyhook é um satélite giratório que está em órbita baixa da Terra e dois cabos bastante longos que divergem dele em lados opostos. O satélite deve girar no plano de sua órbita de modo que os cabos entrem em contato com os limites superiores da atmosfera a cada revolução.

A velocidade de rotação da estrutura compensará parcial ou totalmente a velocidade orbital. No geral, Skyhook se assemelha a uma roda gigante com dois raios nas laterais que rola ao longo da superfície da Terra em velocidade orbital. O cabo Skyhook pode ser usado para suspender cargas de aeronaves hipersônicas ou balões estratosféricos. Ao mesmo tempo, toda a estrutura do Skyhook funciona como um volante gigante - um acumulador de torque e energia cinética.

Iniciar ciclo

Um loop de lançamento ou loop de Lofstrom é um projeto para um sistema de transporte por cabo projetado para lançar carga na órbita baixa da Terra. O projeto é baseado em um cabo que se move continuamente a uma velocidade enorme (12-14 km/s) dentro de um tubo de vácuo. Para garantir que o cabo não entre em contato com as paredes do tubo, elas são separadas umas das outras por uma suspensão magnética.

Seção do acelerador do loop espacial (cabo de retorno não mostrado).

Em geral, este dispositivo é uma estrutura enorme com cerca de 2.000 km de comprimento, e o próprio loop deve atingir uma altura de até 80 km e ser mantido ali devido ao momento de inércia do cabo giratório. A rotação do cabo transfere essencialmente o peso de toda a estrutura para o par de rolamentos magnéticos que o sustentam, um em cada extremidade. A vantagem deste sistema é que ele pode suportar lançamentos turísticos espaciais, ao mesmo tempo que fornece um nível de força G relativamente suave de 3g.

Vantagens

Espera-se que o circuito de lançamento forneça uma alta taxa de lançamentos (vários lançamentos por hora, independentemente do clima), e este sistema é praticamente não poluente ambiente. Os lançamentos de foguetes produzem poluentes na forma de nitratos devido à alta temperatura dos gases de exaustão e, dependendo do tipo de combustível, podem ser liberados gases de efeito estufa. A malha de partida, como uma espécie de usina elétrica, é ecologicamente correta, podendo operar a partir de qualquer fonte de energia: geotérmica, nuclear, solar, eólica ou qualquer outra, mesmo do tipo intermitente, já que o sistema possui um enorme armazenamento de energia embutido dispositivo.

Diferente elevador espacial, que deve passar pelo cinturão de radiação ao longo de vários dias, os passageiros do circuito de lançamento podem ser lançados na órbita baixa da Terra, que fica abaixo do cinturão de radiação, ou através dele em poucas horas. Esta situação é semelhante à enfrentada pelos astronautas da Apollo, para quem as doses de radiação eram 200 vezes inferiores às que o elevador espacial poderia fornecer.

Ao contrário de um elevador espacial, que corre o risco de colidir com detritos espaciais e meteoritos ao longo de toda a sua extensão, o circuito de lançamento está localizado em altitudes onde as órbitas são instáveis ​​devido à resistência do ar. Os detritos espaciais não permanecem lá por muito tempo; a chance de colidir com a instalação é muito pequena. Embora a vida útil de um elevador espacial seja da ordem de vários anos, danos ou destruição do circuito de lançamento são relativamente raros. Além disso, o loop de disparo em si não é uma fonte significativa detritos espaciais, mesmo em caso de acidente. Todos os seus fragmentos possíveis terão um perigeu, cruzando-se com a atmosfera, ou suas velocidades serão inferiores à primeira velocidade cósmica.

O loop de lançamento é voltado para o transporte de pessoas porque tem uma aceleração máxima de 3g que é segura e que a grande maioria das pessoas aguenta. Além disso, fornece uma maneira muito mais rápida de chegar ao espaço sideral do que o elevador espacial.

O circuito de lançamento operará silenciosamente e, ao contrário dos foguetes, não produzirá nenhum impacto sonoro.

Finalmente, o baixo custo de lançar uma carga útil em órbita torna-a adequada até mesmo para a colonização espacial.

Dificuldades

O loop não torcido armazenará uma enorme quantidade de energia na forma de impulso. Como o sistema maglev terá muita redundância, uma falha em uma área pequena não afetará a funcionalidade do sistema. Mas se ocorrer uma destruição significativa da estrutura, toda a energia armazenada (1,5 petajoules) será liberada, o que equivale à explosão de uma bomba atômica com potência de 350 quilotons (embora sem emissão de radiação). Embora se trate de uma enorme quantidade de energia, é improvável que toda a estrutura seja destruída devido ao seu grande tamanho e também porque se for detectada uma falha o máximo de a energia será direcionada para um local especialmente designado. Pode ser necessário tomar medidas para baixar o cabo de uma altura de 80 km com danos mínimos, por exemplo, fornecer pára-quedas. Portanto, por razões astrodinâmicas e de segurança, o circuito de lançamento precisará ser instalado sobre o oceano, perto do equador, longe de áreas povoadas.

O projeto do circuito de lançamento publicado requer controle eletrônico de levitação magnética para minimizar a dissipação de energia e estabilizar a atenuação do cabo causada por outras causas. A instabilidade ocorrerá principalmente nas seções rotativas, bem como no cabo.

As seções rotativas são potencialmente instáveis ​​porque afastar o rotor dos ímãs resulta em uma diminuição na atração magnética, enquanto mover-se em direção aos ímãs cria um aumento na atração. Em qualquer caso, surge a instabilidade. Este problema é resolvido usando sistemas de servocontrole que controlam a força dos ímãs. Embora a confiabilidade dos servos seja baixa alta velocidade a rotação do rotor é objeto de pesquisa; para restringir o rotor em caso de falha do sistema, muitas seções servo seriais serão perdidas.

Seções de cabo também compartilharão esse destino potencial, embora a força seja muito menor. No entanto, existe outra instabilidade potencial, que é a de que o cabo/bainha/rotor pode sofrer meandros (como um circuito Lariat), e a amplitude deste processo pode aumentar sem limitação (ressonância). Lofstrom acredita que essa instabilidade também poderia ser controlada em tempo real por meio de servomecanismos, embora ninguém tenha feito isso ainda.

Para manter o vácuo no sistema em um nível aceitável, você precisará de muitas bombas de vácuo distribuídas uniformemente ao longo do comprimento (ou seja, a uma altitude de 80 quilômetros também) trabalhando constantemente para bombear para compensar vazamentos.

A dificuldade está em obter a energia elétrica necessária no meio do oceano.

Problemas

• Os voos espaciais suborbitais começam a uma altitude de aproximadamente 100 km, enquanto já a uma altitude de 30 km, uma diminuição na densidade do ar anula as vantagens aerodinâmicas da asa e é necessária tecnologia de foguete para aumentar ainda mais a altitude.
• A escalabilidade é difícil - foguetes que lançam pelo menos 2 toneladas em órbita pesam de 100 a 200 toneladas, o que está próximo do limite de capacidade de elevação das aeronaves existentes: o An-124 levanta 120 toneladas, o An-225 - 247 toneladas.
• Problemas de resistência estrutural da carga útil e do veículo lançador - os satélites são frequentemente projetados para suportar apenas sobrecargas axiais, e mesmo a montagem horizontal (quando o satélite está “de lado”) é inaceitável para eles.
• A necessidade de desenvolver motores hipersônicos potentes. Como um porta-aviões eficaz é um porta-aviões rápido, os motores turbojato convencionais são pouco adequados.

Com o atual nível de desenvolvimento tecnológico, os sistemas aeroespaciais podem se tornar um meio eficaz de colocar carga em órbita, mas somente se essas cargas forem pequenas (na região de cinco toneladas) e o transportador for hipersônico.

StarTram, canhão orbital (canhão Gauss), catapulta eletromagnética e trenó-foguete.

Todas essas ideias são semelhantes à ideia de lançar objetos disparando de uma arma enorme, que foi considerada por escritores de ficção científica no século XIX. Com o tempo, o conceito foi refinado e hoje ainda é considerado pelos teóricos como um possível método de entrega em órbita. A essência deste método de lançamento não-foguete é “disparar” o dispositivo através da aceleração eletromagnética, dando-lhe velocidade suficiente, e ao atingir a órbita utiliza um mínimo de combustível transportado, podendo transportar um máximo de carga.

O StarTram propõe acelerar uma nave não tripulada com sobrecarga de 30 g através de um túnel de 130 km de extensão, ao final do qual existe uma janela de plasma que impede a entrada de ar no túnel. Idealmente, a janela deve estar localizada em Pico da montanha altitude 6.000 km, onde o lançamento será realizado em um ângulo de 10 graus com velocidade de 8,78 km/s. Você também pode obter um bônus da rotação da Terra na forma de velocidade adicional se “atirar” para o leste, o que compensa as perdas com a passagem da atmosfera.

O design em si se assemelhará a uma enorme arma de artilharia, cujo comprimento do cano pode atingir vários quilômetros, ou estar localizado profundamente na superfície, de acordo com o princípio de um silo de mísseis.

Teoricamente, tal desenho permitirá que o projétil seja acelerado até a primeira velocidade cósmica (cerca de 8 km/s) necessária para inserção em uma órbita estacionária; no entanto, as sobrecargas alcançadas com tal aceleração serão enormes, da ordem de 100g, e a resistência do ar nas camadas mais baixas da atmosfera exigirá materiais resistentes ao calor para o projétil do projétil, portanto seria razoável usar este método de lançamento exclusivamente para carga.

A arma espacial em si não é adequada para lançar carga em uma órbita estável ao redor da Terra. As leis da física não permitem alcançar uma órbita estável sem correção de voo após o lançamento. A trajetória de lançamento pode ser parabólica, hiperbólica ou elíptica (ao atingir a primeira velocidade de escape).

Este último termina na superfície da Terra no ponto de lançamento (mais ou menos a rotação do planeta e a resistência atmosférica). Isso significa que sem ajuste, a trajetória balística sempre terminará em queda até o planeta dentro da primeira órbita, desde que o lançamento seja feito na primeira velocidade de escape. Ao ser lançado na segunda velocidade de escape, o projétil entra em uma órbita ao redor do Sol, que cruza com a órbita da Terra, porém, esta órbita, devido a perturbações de outros planetas, pode mudar e não cruzar mais com a órbita da Terra. Portanto, o lançamento de uma arma espacial só é possível para dispositivos equipados com motores próprios para correção, e eles também precisam de proteção térmica séria para passar pela atmosfera.

Mas, por exemplo, na Lua, onde não há atmosfera, um desenho de canhão pode ser ideal.

Sistemas de propulsão a laser

Laser sistemas de propulsão pode transmitir o impulso da espaçonave com dois jeitos diferentes. A primeira maneira é usar a pressão do fóton, transmitindo impulso semelhante às velas solares e a laser. O segundo método utiliza um laser para aquecer o fluido de trabalho da espaçonave, como em um foguete convencional.

Por exemplo, para lançar um satélite de 100 kg, é necessário um laser com potência de pelo menos 1 MW. Foi agora estabelecido que um laser gás-dinâmico pode ser utilizado de forma mais eficaz para os fins acima mencionados. Neste caso, a tecnologia laser cruza-se significativamente com a tecnologia de criação de foguetes modernos, já bastante desenvolvida nos últimos 50 anos, o que permite realizar tarefas semelhantes. Além disso, o laser deve operar em modo pulso-periódico com alta taxa de repetição de pulsos curtos para eliminar o processo de blindagem da radiação laser recebida pelo plasma gerado durante a operação do motor, bem como para aumentar sua eficiência operacional. De acordo com especialistas nacionais e estrangeiros, esses motores a jato a laser podem ser usados ​​​​como parte de veículos de lançamento baratos de estágio único para nanomicro e minissatélites.

Fonte espacial

Este conceito foi introduzido pela primeira vez pelos esforços conjuntos de Robert L. Forward, Marvin Minsky, John McCarthy, Hans Moravec, Roderick Hyde e Lowell Wood. Muitas informações sobre ela podem ser encontradas no livro de Robert L. Forward, Indistinguishable From Magic.

Ao contrário do projeto original do elevador espacial, a fonte é uma torre extremamente alta porque Torre Alta não consegue suportar o seu peso com materiais tradicionais, está previsto que este peso seja suportado da seguinte forma: o interior da torre será oco, dentro desta cavidade existe uma substância granular especial. Essa substância, após transferir energia cinética para ela, sobe rapidamente da parte inferior da torre e transfere essa energia para sua parte superior, após o que cai novamente sob a influência da gravidade, o que evitará que a torre caia.

A fonte espacial usa um fluxo contínuo de grânulos de metal com aceleração eletromagnética para entregar uma carga a alturas extremas, usando a mesma física básica que uma fonte normal mantém uma bola de plástico sobre um fluxo vertical de água.

Pequenos pellets de metal aos milhões serão lançados em uma estação “defletora” bem acima do solo, que usará um campo magnético para capturar os pellets, enviando-os em uma curva com um acelerador eletromagnético e devolvendo-os de volta ao solo. A estação terrestre, por sua vez, usará uma “concha” magnética para pegar as bolas, lançando-as em curva de volta à estação por um poderoso acelerador eletromagnético, tudo em um ciclo contínuo. A pressão exercida sobre os campos magnéticos da pá e do acelerador curvo por um fluxo contínuo de grânulos manterá toda a estrutura no ar.

A chave para entender a fonte espacial é que ela usa um fluxo contínuo de grânulos para pressionar constantemente a estação e levantá-la. Lembre-se da analogia com uma fonte, é assim que ela pode segurar uma bola suspensa por um fluxo de água por meio da recirculação contínua de água: a água que cai de volta na fonte é sugada para as tomadas de água e devolvida ao fluxo de água e assim no ad infinitum. O mesmo acontece com o “jato” metálico da fonte cósmica.

Além disso, é importante compreender que os pellets e a estação nunca terão contacto físico. Os campos magnéticos da pá e do acelerador curvo atuam como uma espécie de amortecedor, evitando qualquer dano causado pelos pellets que correm em direção à estação a uma velocidade de 4 km/s. No entanto, os grânulos exercem pressão sobre os campos magnéticos à medida que passam através deles, e esta força é, por sua vez, transferida para a estação, mantendo-a no ar.

Usando esta tecnologia, a fonte poderia elevar uma estação espacial totalmente equipada pesando 40 toneladas ou mais a qualquer altura, até mesmo a altura de um elevador espacial (40.000 km). No entanto, quanto maior a altitude, mais energia é necessária (mais sobre isto abaixo). Manter uma fonte cósmica com cerca de 2.000 km de altura requer energia constante comparável ao consumo de uma cidade moderna.

Mas uma das vantagens de uma fonte é que, uma vez iniciado o sistema, a energia necessária para mantê-lo será muito menor do que a energia para iniciá-lo. A perda de momento da gravidade à medida que o fluxo de grânulos decola será exatamente equilibrada pelo ganho de momento da gravidade à medida que o fluxo cai na estação terrestre e o momento geral do sistema nunca muda. A entropia determina que alguma energia será eventualmente perdida ao longo do tempo, mas isto pode ser facilmente compensado por centrais eléctricas auxiliares que fornecem uma pequena porção da energia necessária para iniciar inicialmente o sistema. Assim, mesmo que o fornecimento de energia seja interrompido, a fonte funcionará normalmente por algum tempo. Para estações aéreas com altitude de 1.000 km ou mais, isso pode levar várias horas.

Outra vantagem da fonte espacial é que o sistema pode ser construído do zero. A estação terrestre e o defletor da estação com seus boosters podem ser construídos inteiramente no solo e a estação ficará no topo da estação terrestre com os boosters alinhados. Então, a força do fluxo de grânulos aumentaria lenta mas definitivamente a estação, primeiro em alguns centímetros, depois em várias centenas de metros, e assim por diante, quilômetro após quilômetro. O processo pode ser suspenso em qualquer altitude, de alguns centímetros a vários milhares de metros, por tempo indeterminado, permitindo a realização de calibrações Manutenção, novas construções, etc.

A fonte de energia de sustentação da fonte também pode ser utilizada para sustentar estruturas laterais como elevadores ou paredes ao longo de seu comprimento. Aceleradores/retardadores eletromagnéticos podem ser construídos verticalmente ao longo de um "fluxo" de grânulos, de modo que uma fonte possa se formar lentamente com base na força dos grânulos. Uma vez que as secções da parede (e qualquer estrutura interna) podem sustentar-se no ar pelo fluxo interno que passa através delas, não sofrerão sobrecarga, como aconteceria com edifícios normais com centenas ou milhares de quilómetros de altura.

Assim, as fontes espaciais podem ser usadas para criar edifícios e torres verdadeiramente gigantescos. E, ao contrário de um elevador espacial, uma fonte espacial não requer materiais extremamente caros ou atualmente inexistentes para ser construída. Ligas modernas e materiais compósitos são bastante adequados para a sua construção.

O uso mais óbvio para uma estrutura tão alta, é claro, seria como um lançamento espacial sem foguetes. Aceleradores eletromagnéticos podem ser instalados nas paredes externas para “lançar” cargas em órbita. Uma fonte com cerca de 40 km de altura seria suficiente para lançar passageiros em órbita com menos de 3g de aceleração, e uma fonte de 100 km de altura ou mais poderia simplesmente lançar carga diretamente em órbita sem exceder nem mesmo 1g.

A torre da fonte também pode ser usada como uma arcologia de grande porte, centro de pesquisa, centro industrial, etc. A fonte, com 100 quilómetros de altura e 100 metros de largura, terá um volume de cerca de 7,85 quilómetros cúbicos. Designers e arquitetos podem usar este espaço para o que quiserem. Mas também são possíveis torres mais largas e espaçosas.

Vantagens sobre o elevador espacial

• A fonte espacial pode ser construída usando as tecnologias atualmente disponíveis. Não requer materiais exóticos (como nanotubos), ao contrário de um elevador espacial.
• A fonte espacial pode ser construída a partir da Terra, e não do GEO como é o caso do elevador espacial.
• Uma fonte espacial pode ser construída em qualquer ponto da Terra, não apenas no equador.
• Uma fonte espacial pode ser construída em corpos celestes com velocidade de rotação muito baixa, por exemplo: a Lua, Vênus.
• A Fonte Espacial não tem tanta probabilidade de ser atingida por detritos espaciais devido ao seu tamanho menor do que o Elevador Espacial.

Desvantagens em comparação com o elevador espacial

Sua principal desvantagem é ser uma estrutura ativa e, portanto, requer energia constante.

Assim, vemos que hoje qualquer um dos métodos apresentados é inatingível, o que se deve à insolvência económica e à falta de tecnologias e materiais necessários. Porém, a necessidade de extrair novos recursos, desenvolver planetas e satélites, mais cedo ou mais tarde nos obrigará a considerar os métodos apresentados acima não como invenções de escritores e teóricos de ficção científica, mas como uma alternativa real e necessária ao lançamento de foguetes que existe hoje.

Deixe que os vôos para o espaço sejam uma coisa comum há muito tempo. Mas você sabe tudo sobre veículos lançadores espaciais? Vamos desmontá-los peça por peça e ver em que consistem e como funcionam.

Motores de foguete

Os motores são os mais importantes componente veículo de lançamento. Eles criam a força de tração que impulsiona o foguete para o espaço. Mas quando se trata de motores de foguete, não se deve lembrar daqueles que estão sob o capô de um carro ou, por exemplo, girando as pás do rotor de um helicóptero. Os motores de foguete são completamente diferentes.

A operação dos motores de foguete é baseada na terceira lei de Newton. A formulação histórica desta lei diz que para qualquer ação há sempre uma reação igual e oposta, ou seja, uma reação. É por isso que esses motores são chamados de motores a jato.

Durante a operação, um motor de foguete a jato ejeta uma substância (o chamado fluido de trabalho) em uma direção, enquanto ele próprio se move na direção oposta. Para entender como isso acontece, você não precisa pilotar um foguete sozinho. O exemplo “terrestre” mais próximo é o recuo que ocorre ao disparar uma arma de fogo. O fluido de trabalho aqui são os gases da bala e da pólvora que escapam do cano. Outro exemplo é um balão inflado e liberado. Se você não amarrá-lo, ele voará até sair o ar. O ar aqui é o próprio fluido de trabalho. Simplificando, o fluido de trabalho em um motor de foguete são os produtos da combustão do combustível do foguete.

Modelo do motor de foguete RD-180

Combustível

O combustível do motor de foguete é geralmente de dois componentes e inclui um combustível e um oxidante. O veículo de lançamento Proton usa heptil (dimetilhidrazina assimétrica) como combustível e tetróxido de nitrogênio como oxidante. Ambos os componentes são extremamente tóxicos, mas esta é uma “memória” do propósito original de combate do míssil. O míssil balístico intercontinental UR-500, o progenitor do Proton, com finalidade militar, teve que estar em estado de combate por muito tempo antes do lançamento. E outros tipos de combustível não permitiam o armazenamento a longo prazo. Os foguetes Soyuz-FG e Soyuz-2 utilizam querosene e oxigênio líquido como combustível. Os mesmos componentes de combustível são usados ​​​​na família de veículos de lançamento Angara, no Falcon 9 e no promissor Falcon Heavy de Elon Musk. O par de combustível do veículo de lançamento japonês H-IIB (H-to-bee) é hidrogênio líquido (combustível) e oxigênio líquido (oxidante). Como no foguete da empresa aeroespacial privada Blue Origin, usado para lançar a nave suborbital New Shepard. Mas estes são todos motores de foguetes líquidos.

Motores de foguete de propelente sólido também são utilizados, mas, via de regra, nos estágios de propulsor sólido de foguetes de múltiplos estágios, como o acelerador de partida do veículo lançador Ariane 5, o segundo estágio do veículo lançador Antares e os propulsores laterais do veículo lançador Ariane 5, o segundo estágio do veículo lançador Antares e os propulsores laterais do Nave espacial.

passos

A carga lançada ao espaço representa apenas uma pequena fração da massa do foguete. Os veículos lançadores “transportam” principalmente a si mesmos, ou seja, sua própria estrutura: tanques de combustível e motores, bem como o combustível necessário para operá-los. Os tanques de combustível e os motores do foguete estão localizados em diferentes estágios do foguete e, assim que esgotam o combustível, tornam-se desnecessários. Para não carregar carga extra, eles são separados. Além dos estágios completos, também são utilizados tanques de combustível externos que não são equipados com motores próprios. Durante o vôo eles também são redefinidos.

Primeira etapa do veículo lançador Proton-M

Existem dois esquemas clássicos para a construção de foguetes de vários estágios: com separação transversal e longitudinal de estágios. No primeiro caso, os estágios são colocados um acima do outro e são ligados somente após a separação do estágio anterior, inferior. No segundo caso, vários estágios de foguete idênticos estão localizados ao redor do corpo do segundo estágio, que são ligados e largados simultaneamente. Neste caso, o motor do segundo estágio também pode operar durante a partida. Mas um esquema longitudinal-transversal combinado também é amplamente utilizado.

Opções de layout de mísseis

O veículo de lançamento da classe leve Rokot, lançado em fevereiro deste ano do cosmódromo de Plesetsk, é um foguete de três estágios com separação transversal de estágios. Mas o veículo de lançamento Soyuz-2, lançado do novo cosmódromo de Vostochny em abril deste ano, é de três estágios com divisão longitudinal-transversal.

Um projeto interessante para um foguete de dois estágios separados longitudinalmente é o sistema do Ônibus Espacial. É aqui que reside a diferença entre os ônibus americanos e os Buran. O primeiro estágio do sistema do ônibus espacial são os propulsores laterais de combustível sólido, o segundo é o próprio ônibus espacial (orbitador) com um tanque de combustível externo destacável, que tem o formato de um foguete. Durante a decolagem, os motores do ônibus espacial e do propulsor disparam. No sistema Energia-Buran, o veículo lançador superpesado de dois estágios Energia era um elemento independente e, além de lançar o Buran MTSC ao espaço, poderia ser utilizado para outros fins, por exemplo, para apoiar expedições automáticas e tripuladas ao a Lua e Marte.

Bloco de aceleração

Pode parecer que assim que o foguete for para o espaço, o objetivo será alcançado. Mas nem sempre é o caso. A órbita alvo de uma espaçonave ou carga útil pode ser muito maior do que a linha a partir da qual o espaço começa. Por exemplo, a órbita geoestacionária, que acolhe satélites de telecomunicações, está localizada a uma altitude de 35.786 km acima do nível do mar. É por isso que precisamos de um estágio superior, que, na verdade, é outro estágio do foguete. O espaço começa já a 100 km de altitude, onde começa a ausência de peso, o que é um sério problema para os motores de foguetes convencionais.

Um dos principais “cavalos de batalha” da cosmonáutica russa, o veículo de lançamento Proton emparelhado com o estágio superior Breeze-M garante o lançamento de cargas úteis de até 3,3 toneladas em órbita geoestacionária. Mas inicialmente o lançamento é realizado em uma órbita de baixa referência ( 200km). Embora o estágio superior seja denominado um dos estágios do navio, ele difere do estágio usual em seus motores.

Veículo de lançamento Proton-M com estágio superior Breeze-M em montagem

Para mover uma espaçonave ou veículo para uma órbita alvo ou direcioná-lo para uma trajetória de saída ou interplanetária, o estágio superior deve ser capaz de realizar uma ou mais manobras que alterem a velocidade de vôo. E para isso você precisa ligar o motor todas as vezes. Além disso, nos intervalos entre as manobras, o motor é desligado. Assim, o motor do estágio superior é capaz de ser ligado e desligado repetidamente, ao contrário dos motores dos outros estágios do foguete. As exceções são os reutilizáveis ​​Falcon 9 e New Shepard, cujos motores do primeiro estágio são usados ​​para frenagem no pouso na Terra.

Carga útil

Existem foguetes para lançar algo ao espaço. Em particular, naves espaciais e naves espaciais. Na cosmonáutica doméstica, são os navios de carga de transporte Progress e a espaçonave tripulada Soyuz enviada à ISS. Das espaçonaves deste ano, a nave americana Intelsat DLA2 e a nave francesa Eutelsat 9B, a nave de navegação doméstica Glonass-M No. 53 e, claro, a espaçonave ExoMars-2016, projetada para procurar metano na atmosfera de Marte.

Os foguetes têm diferentes capacidades de lançamento de cargas úteis. O peso da carga útil do veículo de lançamento Rokot da classe leve, destinado ao lançamento de espaçonaves em órbitas baixas da Terra (200 km), é de 1,95 toneladas.O veículo de lançamento Proton-M pertence à classe pesada. Lança 22,4 toneladas em órbita baixa, 6,15 toneladas em órbita geoestacionária e 3,3 toneladas em órbita geoestacionária.A Soyuz-2, dependendo da modificação e do cosmódromo, é capaz de entregar de 7,5 a 8,7 t, para órbita de transferência geoestacionária - de 2,8 até 3 toneladas e para geoestacionário - de 1,3 a 1,5 toneladas O foguete foi projetado para lançamentos de todos os locais da Roscosmos: Vostochny, Plesetsk, Baikonur e Kuru, usado como parte de um projeto conjunto russo-europeu. Usado para lançar espaçonaves de transporte e tripuladas para a ISS, o Soyuz-FG LV tem uma massa de carga útil de 7,2 toneladas (com a espaçonave tripulada Soyuz) a 7,4 toneladas (com a espaçonave de carga Progress). Atualmente, este é o único foguete utilizado para transportar cosmonautas e astronautas até a ISS.

A carga útil geralmente está localizada no topo do foguete. Para superar o arrasto aerodinâmico, uma espaçonave ou nave é colocada dentro da carenagem da cabeça do foguete, que é descartada após passar pelas camadas densas da atmosfera.

As palavras de Yuri Gagarin, que ficaram para a história: “Eu vejo a Terra... Que beleza!” foram informados a eles precisamente após o lançamento da carenagem do veículo lançador Vostok.

Instalação da carenagem frontal do veículo lançador Proton-M, carga útil das espaçonaves Express-AT1 e Express-AT2

Sistema de resgate de emergência

Um foguete que lança uma espaçonave com tripulação em órbita quase sempre pode ser distinguido por aparência daquele que lança uma nave cargueira ou espaçonave. Para garantir que a tripulação da espaçonave tripulada permaneça viva em caso de emergência no veículo lançador, é utilizado um sistema de resgate de emergência (ESS). Essencialmente, este é outro foguete (embora pequeno) na frente do veículo de lançamento. Visto de fora, o SAS parece uma torre forma incomum no topo do foguete. Sua tarefa é retirar uma espaçonave tripulada em caso de emergência e retirá-la do local do acidente.

Em caso de explosão do foguete no lançamento ou no início do vôo, os motores principais do sistema de recuperação arrancam a parte do foguete onde a espaçonave tripulada está localizada e a afastam do local do acidente. Depois disso, ocorre uma descida de pára-quedas. Se o vôo prosseguir normalmente, após atingir uma altitude segura, o sistema de resgate de emergência é separado do veículo lançador. Em grandes altitudes, o papel do SAS não é tão importante. Aqui a tripulação já consegue escapar graças à separação do módulo de descida nave espacial de um foguete.

Soyuz LV com SAS no topo do foguete

Uma breve história dos foguetes

O princípio geral do vôo a jato, que formou a base de todos os foguetes, é simples - alguma parte é separada do corpo, colocando todo o resto em movimento.

Não se sabe quem foi o primeiro a implementar este princípio, mas vários palpites e conjecturas trazem a genealogia da ciência dos foguetes de volta a Arquimedes. O que se sabe com certeza sobre as primeiras invenções é que foram ativamente utilizadas pelos chineses, que as carregaram com pólvora e as lançaram ao céu devido à explosão. Assim criaram o primeiro combustível sólido foguetes. Grande interesse aos mísseis apareceu entre os governos europeus no início

Segundo boom de foguete

Os foguetes esperaram nos bastidores e esperaram: na década de 1920, o segundo boom dos foguetes começou, e está associado principalmente a dois nomes.

Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky, um cientista autodidata da província de Ryazan, apesar das dificuldades e obstáculos, ele próprio alcançou muitas descobertas, sem as quais seria impossível até falar sobre o espaço. A ideia de usar combustível líquido, a fórmula de Tsiolkovsky, que calcula a velocidade necessária para o vôo com base na relação entre as massas final e inicial, um foguete de vários estágios - tudo isso é mérito dele. Em grande parte sob a influência de seus trabalhos, a ciência dos foguetes domésticos foi criada e formalizada. Na União Soviética, sociedades e círculos para o estudo da propulsão a jato começaram a surgir espontaneamente, incluindo o GIRD - um grupo para o estudo da propulsão a jato, e em 1933, sob o patrocínio das autoridades, surgiu o Jet Institute.

Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky.
Fonte: Wikimedia.org

O segundo herói da corrida dos foguetes é o físico alemão Wernher von Braun. Brown teve uma excelente educação e uma mente viva, e depois de conhecer outro luminar da ciência mundial de foguetes, Heinrich Oberth, decidiu colocar todos os seus esforços na criação e melhoria de foguetes. Durante a Segunda Guerra Mundial, von Braun tornou-se na verdade o pai da “arma de retaliação” do Reich – o foguete V-2, que os alemães começaram a usar no campo de batalha em 1944. “Horror Alado”, como foi chamado na imprensa, trouxe destruição a muitos Cidades inglesas, mas, felizmente, naquela época o colapso do nazismo já era questão de tempo. Wernher von Braun, juntamente com seu irmão, decidiram se render aos americanos e, como a história mostra, este foi um bilhete de sorte não só e não tanto para os cientistas, mas para os próprios americanos. Desde 1955, Brown trabalha para o governo americano e suas invenções constituem a base do programa espacial dos EUA.

Mas voltemos à década de 1930. Governo soviético apreciou o zelo dos entusiastas no caminho para o espaço e decidiu usá-lo a seu favor. Durante os anos de guerra, o Katyusha, um sistema de lançamento múltiplo de foguetes que disparava foguetes, mostrou seu valor. Foi em muitos aspectos uma arma inovadora: o Katyusha, baseado em um caminhão leve Studebaker, chegou, deu meia-volta, disparou contra o setor e saiu, não permitindo que os alemães recuperassem o juízo.

O fim da guerra apresentou à nossa liderança uma nova tarefa: os americanos mostraram ao mundo todo o seu poder bomba nuclear, e tornou-se bastante óbvio que apenas aqueles que têm algo semelhante podem reivindicar o status de superpotência. Mas havia um problema. O facto é que, além da própria bomba, precisávamos de veículos de entrega que pudessem contornar a defesa aérea dos EUA. Os aviões não eram adequados para isso. E a URSS decidiu confiar em mísseis.

Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky morreu em 1935, mas foi substituído por toda uma geração de jovens cientistas que enviaram o homem ao espaço. Entre esses cientistas estava Sergei Pavlovich Korolev, que estava destinado a se tornar o "trunfo" dos soviéticos na corrida espacial.

A URSS começou a criar seu míssil intercontinental com todo zelo: institutos foram organizados, os melhores cientistas foram reunidos, um instituto de pesquisa de mísseis estava sendo criado em Podlipki, perto de Moscou, e o trabalho estava em pleno andamento.

Somente um esforço colossal de esforço, recursos e mentes permitiu à União Soviética construir seu próprio foguete, chamado R-7, no menor tempo possível. Foram suas modificações que lançaram o Sputnik e Yuri Gagarin ao espaço, e foram Sergei Korolev e seus associados que lançaram a era espacial da humanidade. Mas em que consiste um foguete espacial?

Considerando a experiência uso de combate mísseis de cruzeiro abrangendo seis décadas e meia, podem ser considerados uma tecnologia madura e comprovada. Durante a sua existência, houve um desenvolvimento significativo nas tecnologias utilizadas para a criação de mísseis de cruzeiro, abrangendo fuselagem, motores, meios de superação de defesas aéreas e sistemas de navegação.

Graças às tecnologias de criação de planadores, os foguetes tornaram-se cada vez mais compactos. Agora eles podem ser colocados nos compartimentos internos e externos de aeronaves, lançadores de tubos baseados em navios ou tubos de torpedos de submarinos. Os motores mudaram de simples motores a jato de pulso, passando por motores turbojato e de foguete de combustível líquido ou motores ramjet (motores ramjet) para a combinação atual de motores turbojato para mísseis de cruzeiro táticos subsônicos, turbofans para mísseis de cruzeiro estratégicos subsônicos e motores ramjet ou motores turbojato mistos. /estruturas de mísseis para mísseis de cruzeiro táticos supersônicos.

Os meios de superar as defesas aéreas surgiram na década de 1960, quando os sistemas de defesa aérea se tornaram mais eficazes. Estes incluem voo de baixa altitude, seguimento do terreno ou voo de mísseis a uma altitude extremamente baixa acima da superfície do mar para escapar ao radar e, cada vez mais, formas que melhoram a furtividade e materiais absorventes de radar concebidos para reduzir a assinatura do radar. Alguns mísseis de cruzeiro soviéticos também foram equipados com bloqueadores defensivos projetados para impedir a interceptação de sistemas de mísseis antiaéreos.

Finalmente, durante este período, o sistema de navegação de mísseis de cruzeiro desenvolveu-se e diversificou-se significativamente.

Problemas de navegação com mísseis de cruzeiro
A ideia básica por trás de todos os mísseis de cruzeiro é que eles podem ser lançados contra um alvo além do alcance dos sistemas de defesa aérea inimigos sem expor a plataforma de lançamento a ataques retaliatórios. Isto cria desafios de design significativos, o primeiro dos quais é o desafio de fazer com que um míssil de cruzeiro se desloque de forma fiável até mil quilómetros, próximo do alvo pretendido - e, uma vez próximo do alvo, garantir que a ogiva está direcionado com precisão ao alvo para produzir o efeito militar pretendido.

O primeiro míssil de cruzeiro de combate FZG-76/V-1

O primeiro míssil de cruzeiro operacional foi o alemão FZG-76/V-1, dos quais mais de 8.000 foram utilizados, principalmente contra alvos no Reino Unido. A julgar pelos padrões modernos, seu sistema de navegação era bastante primitivo: um piloto automático baseado em giroscópio mantinha o curso e um anemômetro mantinha a distância até o alvo. O míssil foi colocado no curso pretendido antes do lançamento e a distância estimada até o alvo foi definida nele, e assim que o hodômetro indicou que o míssil estava acima do alvo, o piloto automático o levou a um mergulho acentuado. O míssil tinha uma precisão de cerca de um quilômetro e era suficiente para bombardear grandes alvos urbanos como Londres. O objetivo principal O bombardeio visava aterrorizar a população civil e desviar as forças militares britânicas de operações ofensivas e orientá-los para realizar tarefas de defesa aérea.

O primeiro míssil de cruzeiro americano JB-2 é uma cópia do alemão V-1

No período imediato do pós-guerra, os EUA e a URSS recriaram o V-1 e começaram a desenvolver os seus próprios programas de mísseis de cruzeiro. Teatro e tática de primeira geração armas nucleares levou à criação dos mísseis de cruzeiro da série Regulus da Marinha dos EUA, da série Mace/Matador da Força Aérea dos EUA e das séries soviéticas Kometa KS-1 e Kometa-20 e desenvolvimento adicional tecnologias de navegação. Todos esses mísseis usam inicialmente pilotos automáticos baseados em giroscópios precisos, mas também a capacidade de ajustar a trajetória do míssil através de links de rádio para que a ogiva nuclear possa ser lançada com a maior precisão possível. Uma falha de centenas de metros pode ser suficiente para reduzir sobrepressão produzida pela ogiva nuclear estava abaixo do limiar letal para alvos reforçados. Na década de 1950, os primeiros mísseis de cruzeiro táticos convencionais do pós-guerra entraram em serviço, principalmente como armas anti-navio. Enquanto no trecho de cruzeiro da trajetória a orientação continuava com base no giroscópio, e às vezes era corrigida por meio de comunicações de rádio, a precisão da orientação no trecho final da trajetória era garantida pelo buscador com radar curto alcance ação, semiativa nas primeiras versões, mas logo substituída por radares ativos. Os mísseis desta geração costumam voar em altitudes médias e altas, mergulhando ao atacar um alvo.

Míssil de cruzeiro intercontinental Northrop SM-62 Snark

O próximo grande marco na tecnologia de navegação de mísseis de cruzeiro veio com a introdução do míssil de cruzeiro intercontinental Northrop SM-62 Snark, projetado para voar autonomamente sobre as regiões polares para atacar alvos na área com grandes ogivas nucleares. União Soviética. As distâncias intercontinentais apresentaram aos projetistas um novo desafio - criar um míssil capaz de atingir alvos a uma distância dez vezes maior do que as versões anteriores de mísseis de cruzeiro poderiam fazer. O Snark foi equipado com um sistema de navegação inercial adequado usando uma plataforma giroestabilizada e acelerômetros precisos para medir o movimento do foguete no espaço, bem como um computador analógico usado para acumular medições e determinar a posição do foguete no espaço. Porém, logo surgiu um problema: a deriva no sistema inercial era muito grande para o uso operacional do foguete, e os erros no sistema de posicionamento inercial acabaram sendo cumulativos - assim, o erro de posicionamento acumulado a cada hora de voo.

A solução para este problema foi outro dispositivo projetado para realizar medições de precisão localização geográfica mísseis em sua trajetória de vôo e capazes de corrigir ou “ligar” erros gerados no sistema inercial. Esta é uma ideia fundamental e continua a ser central para o design de armas guiadas modernas hoje. Assim, os erros acumulados do sistema inercial são periodicamente reduzidos ao erro do dispositivo de medição de posição.

Míssil de cruzeiro Martin Matador

Para resolver esse problema, foi utilizado um sistema de navegação celestial ou orientação estelar, um dispositivo óptico automatizado que faz medições angulares das posições conhecidas das estrelas e as utiliza para calcular a posição do foguete no espaço. O sistema de navegação celestial revelou-se muito preciso, mas também bastante caro de produzir e difícil de manter. Também foi exigido que os mísseis equipados com este sistema voassem a alta altitude para evitar a influência das nuvens na linha de visão das estrelas.

O que é menos conhecido é que o sucesso dos sistemas de navegação astronómica em todo o mundo deu impulso ao actual desenvolvimento de sistemas de navegação por satélite, como o GPS e o GLONASS. A navegação por satélite é baseada em um conceito semelhante ao da navegação celestial, mas usa satélites artificiais da Terra em órbitas polares em vez de estrelas, sinais artificiais de microondas em vez de luz natural e usa medições de pseudo-alcance em vez de medições angulares. Como resultado, este sistema reduziu significativamente os custos e tornou possível determinar a localização em todas as altitudes e em todas as condições meteorológicas. Embora as tecnologias de navegação por satélite tenham sido inventadas no início da década de 1960, elas só entraram em uso operacional na década de 1980.

A década de 1960 viu melhorias significativas na precisão dos sistemas inerciais, bem como um aumento no custo desses equipamentos. Isso resultou em requisitos conflitantes de precisão e custo. Como resultado surgiu nova tecnologia no campo da navegação de mísseis de cruzeiro com base em um sistema para determinar a localização do míssil comparando a exibição do radar do terreno com um programa de mapeamento de referência. Esta tecnologia entrou em serviço com mísseis de cruzeiro dos EUA na década de 1970 e mísseis soviéticos na década de 1980. A tecnologia TERCOM (um sistema de correlação digital com o terreno de uma unidade de orientação de mísseis de cruzeiro) foi utilizada, tal como o sistema de navegação celestial, para repor os erros cumulativos do sistema inercial.

Míssil de cruzeiro Cometa

A tecnologia TERCOM é relativamente simples em conceito, embora complexa em detalhes. O míssil de cruzeiro mede continuamente a altitude do terreno abaixo de sua trajetória de voo usando um altímetro de radar e compara os resultados dessas medições com o altímetro barométrico. O sistema de navegação TERCOM também armazena mapas digitais de elevação da área sobre a qual irá sobrevoar. Então usando programa de computador o perfil do terreno sobre o qual o foguete voa é comparado com um mapa digital de elevação armazenado na memória para determinar a melhor correspondência. Uma vez que o perfil é compatível com o banco de dados, a posição do foguete no mapa digital pode ser determinada com grande precisão, o que é usado para corrigir erros cumulativos do sistema inercial.

O TERCOM tinha uma enorme vantagem sobre os sistemas de navegação celestial: permitia que mísseis de cruzeiro voassem a uma altitude extremamente baixa necessária para superar as defesas aéreas inimigas; revelou-se relativamente barato de produzir e muito preciso (até dez metros). Isto é mais do que suficiente para uma ogiva nuclear de 220 quilotons e suficiente para uma ogiva convencional de 500 quilogramas usada contra muitos tipos de alvos. No entanto, o TERCOM não estava isento de deficiências. O míssil, que tinha que voar sobre terrenos montanhosos únicos com facilidade em comparação com o perfil de altitude dos mapas digitais, tinha excelente precisão. No entanto, o TERCOM provou ser ineficaz em superfícies de água, em terrenos sazonalmente variáveis, como dunas de areia, e em terrenos com diferentes refletividades de radar sazonais, como a tundra siberiana e a taiga, onde a neve pode alterar a elevação do terreno ou obscurecer as características do terreno. A limitada capacidade de memória dos mísseis muitas vezes dificultava o armazenamento de dados cartográficos suficientes.

Míssil de cruzeiro Boeing AGM-86 CALCM

Embora suficiente para o Tomahawk RGM-109A da Marinha e o AGM-86 ALCM da Força Aérea, com armas nucleares, o TERCOM claramente não foi suficiente para a destruição de edifícios ou estruturas individuais com uma ogiva convencional. A este respeito, a Marinha dos EUA equipou o TERCOM dos mísseis de cruzeiro RGM-109C/D Tomahawk sistema adicional baseado na chamada tecnologia de correlacionar a exibição de um objeto com sua imagem digital de referência. Esta tecnologia foi usada na década de 1980 em mísseis balísticos Pershing II, bombas de precisão soviéticas KAB-500/1500Kr e americanas DAMASK/JDAM, bem como nos mais recentes mísseis antinavio guiados chineses. sistemas de mísseis, projetado para combater porta-aviões.

A correlação de exibição de objetos usa uma câmera para capturar a área em frente ao míssil e, em seguida, as informações da câmera são comparadas com uma imagem digital obtida por satélite ou reconhecimento aéreo e armazenada na memória do míssil. Ao medir o ângulo de rotação e o deslocamento necessários para combinar com precisão duas imagens, o dispositivo é capaz de determinar com muita precisão o erro de posição do míssil e usá-lo para corrigir erros nos sistemas de navegação inercial e TERCOM. A unidade de correlação digital do sistema de orientação de mísseis de cruzeiro DSMAC usada em várias unidades de mísseis de cruzeiro Tomahawk era de fato precisa, mas tinha efeitos colaterais operacionais semelhantes ao TERCOM, que teve que ser programado para voar o míssil sobre terreno facilmente reconhecível, especialmente nas proximidades de o alvo. Em 1991, durante a Operação Tempestade no Deserto, isso fez com que vários cruzamentos rodoviários em Bagdá fossem usados ​​como pontos de ancoragem, o que por sua vez permitiu que as forças de defesa aérea de Saddam posicionassem baterias antiaéreas ali e derrubassem vários Tomahawks. Assim como o TERCOM, a unidade de correlação digital do sistema de orientação de mísseis de cruzeiro é sensível às mudanças sazonais no contraste do terreno. Tomahawks equipados com DSMAC também carregavam lanternas para iluminar a área à noite.

Na década de 1980, os primeiros receptores GPS foram integrados aos mísseis de cruzeiro americanos. A tecnologia GPS era atraente porque permitia ao foguete corrigir constantemente seus erros inerciais, independentemente do terreno e condições do tempo, e também agiu da mesma forma tanto acima da água quanto acima da terra.

Esses benefícios foram anulados pelo problema da baixa imunidade ao ruído do GPS, já que o sinal do GPS é inerentemente muito fraco, suscetível a efeitos de "fantasma" (quando o sinal do GPS reflete em terrenos ou edifícios) e variações na precisão dependendo do número de satélites recebidos. e assim por diante, como eles estão distribuídos pelo céu. Todos os mísseis de cruzeiro dos EUA hoje estão equipados com receptores GPS e um pacote de sistema de orientação inercial, com a tecnologia do sistema inercial mecânico sendo substituída pelo sistema de navegação inercial giroscópio a laser de anel mais barato e preciso no final dos anos 1980 e início dos anos 1990.

Míssil de cruzeiro AGM-158 JASSM

Os problemas associados à precisão básica do GPS estão sendo gradualmente resolvidos com a introdução de métodos GPS (Wide Area Differential GPS) de amplo alcance, nos quais os sinais de correção válidos para uma determinada localização geográfica são transmitidos ao receptor GPS via rádio (no caso do GPS americano). mísseis, WAGE -Wide Area GPS Enhancement é usado). As principais fontes de sinais deste sistema são balizas de radionavegação e satélites em órbita geoestacionária. A tecnologia mais precisa desse tipo, desenvolvida nos Estados Unidos na década de 1990, pode corrigir erros de GPS de até vários centímetros em três dimensões e é precisa o suficiente para atingir um míssil através da escotilha aberta de um veículo blindado.

Problemas com imunidade a ruído e “repetição de imagem” revelaram-se os mais difíceis de resolver. Isso levou à introdução da chamada tecnologia de antena "inteligente", normalmente baseada em "formação de feixe digital" em software. A ideia por trás desta tecnologia é simples, mas como sempre, complexa em detalhes. Uma antena GPS convencional recebe sinais de todo o hemisfério superior acima do míssil, incluindo satélites GPS, bem como interferência inimiga. A chamada Antena de Padrão de Recepção Controlada (CRPA) utiliza software para sintetizar feixes estreitos direcionados para a localização pretendida dos satélites GPS, resultando na antena “cega” em todas as outras direções. Os projetos de antenas mais avançados desse tipo produzem os chamados “nulos” no padrão de radiação da antena direcionados às fontes de interferência para suprimir ainda mais sua influência.

Míssil de cruzeiro Tomahawk

A maioria dos problemas bem divulgados no início da produção do míssil de cruzeiro AGM-158 JASSM foram o resultado de problemas com o software do receptor GPS, que fez com que o míssil perdesse satélites GPS e se desviasse de sua trajetória.

Receptores GPS avançados fornecem um alto nível de precisão e imunidade robusta a fontes de interferência GPS terrestres. Eles são menos eficazes contra bloqueadores de GPS sofisticados implantados em satélites, veículos aéreos não tripulados aeronave ou balões.

A última geração de mísseis de cruzeiro americanos usa um sistema de orientação inercial GPS, complementado por uma câmera digital de imagem térmica montada no nariz do míssil, com o objetivo de fornecer capacidades semelhantes às do DSMAC contra alvos estacionários com software apropriado e capacidades de reconhecimento automático de padrões. contra alvos móveis, como mísseis antiaéreos, sistemas de mísseis ou lançadores de mísseis. Os links de dados normalmente se originam da tecnologia JTIDS/Link-16, implementada para fornecer a capacidade de redirecionar armas no caso de um alvo em movimento mudar de localização enquanto o míssil estiver em movimento. O uso deste recurso depende principalmente de os usuários terem inteligência e capacidade de detectar tais movimentos de alvo.

As tendências de longo prazo na navegação com mísseis de cruzeiro levarão a maior inteligência, maior autonomia, maior diversidade de sensores, maior confiabilidade e custos mais baixos.