טיסה מסלולית

טיסת חלל מסלולית היא טיסת חלל בה חללית מוצבת במסלול סביב גרם שמימי בו היא יכולה להישאר בחלל ולהשלים לפחות הקפה אחת סביב הגרם.

במקרה הספציפי של כדור הארץ, על פריגיאת מסלול החללית להיות מעל ל-100 ק"מ (הגובה בו מתחיל החלל לפי ה-FAI). במידה והפריגיאה אכן בגובה זה, על מהירות החללית להיות כ-7.8 ק"מ לשנייה (כ-28,000 קמ"ש) כדי להישאר במסלול ולא "ליפול" לכדור הארץ. ככל שגובה הפריגיאה עולה, ניתן להפחית את המהירות המסלולית (אנ') (פירוט בהמשך).

המונח "טיסה מסלולית" משמש על מנת להבדיל מטיסה תת-מסלולית - בה אפוגיאת מסלול החללית היא מעל ל-100 ק"מ אך הפריגיאה מתחת לה - כך שהחללית לא משלימה אפילו הקפה אחת.

טיסות מסלוליות מכדור הארץ שוגרו נכון להיום רק על גבי משגרים מונעים במנועים רקטיים. רוב השיגורים מבוצעים ישירות מהקרקע, אך ישנם משגרים (כגון הפגאסוס) הנישאים לגובה מסוים על ידי "מטוס אם" ורק אז משוגרים. על מנת להכניס גוף למסלול, על המשגר להקנות לגוף דלתא V של כ-9.3 עד 10 ק"מ לשנייה. הדלתא V דרוש בעיקר לשם ההאצה האופקית הדרושה לשם כניסה למסלול. על מנת להיכנס למסלול צריכה המהירות להיות אופקית למישור גרם השמיים (משיקה לו) ולא אנכית לו. אומנם רוב השיגורים לחלל מבוצעים אנכית (המשגר עומד על כן השיגור), אך תוך כדי השיגור נוטה המשגר לאט לאט עד שרוב המהירות שהוא מקנה לגוף היא אופקית ולא אנכית. על מנת לחסוך בכוח - כלומר על מנת להשתמש במשגרים חלשים (וזולים) יותר - רוב השיגורים למסלול מבוצעים קרוב ככל הניתן לקו המשווה של כדור הארץ, זאת על מנת להיעזר ככל הניתן במהירות הסיבוב של כדור הארץ סביב עצמו. כמובן שלשם כך השיגור מבוצע ממערב למזרח - כיוון הסיבוב של כדור הארץ (מדינת ישראל משגרת את לווייניה ממזרח למערב, כדי שאם השיגור יכשל, לא ייפול המטען על אזורים מיושבים או עוינים - אלא בים התיכון).

ניתן גם לשגר גופים לא ישירות ממערב למזרח אלא לדוגמה לצפון-מזרח. בצורה זו מעניקים לגוף נטיית מסלול כך שבמקום להקיף את גרם השמיים מעל לאותו קו רוחב, הוא יחצה במסלולו מספר קווי רוחב. מכאן שניתן לשגר גוף מדרום לצפון (או להפך), כך שנטיית המסלול שלו תהיה 90°. מסלול שכזה נקרא מסלול קוטבי, מכיוון שגוף המשוגר למסלול זה יחלוף בכל הקפה מעל (או בסמוך) לקוטבי גרם השמיים. גוף במסלול קוטבי יחלוף בכל הקפה שלו מעל קווי אורך שונים, זאת מכיוון שגרם השמיים מסתובב סביב עצמו (בהנחה שגרם שמיים אכן מסתובב סביב עצמו).

במקרה של מערכת סגורה בין גרם שמים וגוף המקיף אותו בתנועה מעגלית קצובה, אם משווים את נוסחת הכבידה של ניוטון

${\displaystyle F={{GMm} \over R^{2}}}$

(F - כוח הכבידה, G - קבוע הכבידה האוניברסלי, M - מסת גרם השמים, m - מסת הגוף המקיף, R - המרחק בין מרכזי המסות)

ואת נוסחת החוק השני של ניוטון (בתנועה מעגלית קצובה)

${\displaystyle F_{r}={\frac {m\cdot v^{2}}{R}}}$

(F - הכוח הצנטריפטלי, m - מסת הגוף המקיף, v - מהירות הגוף, R - המרחק בין מרכזי מסות הגוף המוקף והמקיף.)

יוצא כי

${\displaystyle {\frac {m\cdot v^{2}}{R}}={{GMm} \over R^{2}}}$

לאחר צמצום ובידוד מתקבל כי

${\displaystyle v={\sqrt {GM \over R}}}$

מכיוון ש-${\displaystyle G}$ ו-${\displaystyle M}$ קבועים, ככל ש-${\displaystyle R}$ גדל, ${\displaystyle v}$ קטן, ולהפך (יחס הפוך). כלומר ככל שמסלול הגוף גבוה יותר, מהירותו קטנה יותר.

גוף הנמצא במסלול סביב כדור הארץ בגובה של פחות מ-200 ק"מ נחשב לבעל מסלול לא יציב, זאת בגלל הגרר אותו מפעילה אטמוספירת כדור הארץ (שאומנם דלילה בגובה זה אך עדיין קיימת) על הגוף, הגורמת לגוף לאבד גובה (איבוד הגובה מכונה "דעיכת מסלול" - Orbital decay). הגובה בו מסלול הגוף נחשב ליציב הוא 350 ק"מ.

עם זאת, קביעת יציבות המסלול בצורה מדויקת תלויה בגובה המסלול של הגוף, במקדם הבליסטי שלו, ובמזג האוויר החללי העשוי להשפיע על דלילות האטמוספירה - כלומר על כמות הגרר.

על מנת לשמור על גופים יקרי ערך (כגון תחנת החלל הבינלאומית) במסלול, יש להגביה את מסלולם מפעם לפעם.

אם רוצים לנחות מטיסה מסלולית יש להנמיך את מסלול החללית, עד שהיא חודרת לאטמוספירה ולבסוף נוחתת על הקרקע. כדי להנמיך את מסלולה לקראת החדירה לאטמוספירה, על החללית להאט את מהירותה (על פי המשוואות לעיל). מכיוון שבטיסה מסלולית (אידיאלית) לא מופעל גרר על רכב החלל, לא ניתן להשתמש במעצורי אוויר על מנת להאט ולהנמיך, אלא יש צורך בהפעלת מנועים רקטיים בכיוון המנוגד לתנועת החללית, כך שהחללית תאט ומסלולה ירד. טכניקה נוספת המשמשת להאטת חלליות (אך נכון להיום לא לשם נחיתה ולא בחלליות מאוישות) היא ה"אירוברייק" (aerobraking) על ידי חיכוך מכוון באטמוספירה. את מנועי ההאטה יש להפעיל עד שפריגיאת מסלול החללית נמצאת בתוך האטמוספירה, כך שכשהחללית תגיע לפריגיאה היא תחל בתהליך החדירה לאטמוספירה.

מכיוון שהחללית נעה במסלולה במהירות עצומה (אפילו לאחר הפעלת מנועי ההאטה), כשהיא פוגעת באטמוספירה נוצר חיכוך עצום בין החללית לאטמוספירה, הגורם להיווצרות חום העלול לשרוף את החללית. כדי שהחללית לא תישרף, מצוידים החלליות במגני חום הסופגים את החום ומונעים ממנו לפגוע בחללית (ויושביה). בדרך כלל מעוצבים מגני החום כך שמלבד הגנה מפני החום הם ישמשו כבלם, כך שעם סיום שלב החדירה מהירות החללית תהיה סבירה לנחיתה.

עם סיום שלב החדירה לאטמוספירה נעזרים רוב החלליות במצנחים המאיטים אותן כך שהן יכולות לנחות על הקרקע או בים. ישנם חלליות שלאחר החדירה הופכות למטוס או דאון (מעבורת חלל) ונוחתות על מסלול טיסה מותאם.

רוב מוחלט של הלוויינים המשוגרים למסלול סביב כדור הארץ לא מיועדים לנחות חזרה בכדור הארץ. ללוויינים המשוגרים למסלולים נמוכים ייקחו מספר חודשים עד שנים (תלוי בצפיפות האטמוספירה בגובה המסלול) עד שהם יחדרו וישרפו באטמוספירה (אם בלוויין יש חלקים עמידים בחום הם עשויים לשרוד את החדירה ולפגוע בקרקע). ככל שמסלול הלוויין גבוה יותר כך ייקחו יותר שנים עד שיחדור לאטמוספירה אם בכלל.

תוכניות עם טיסות מסלוליות מאוישות
מדינה	שם	שיגור ראשון	מס' שיגורים מאוישים
ברית המועצות	ווסטוק	1961	6
ארצות הברית	מרקורי	1962	4[1]
ברית המועצות	ווסחוד	1964	2
ארצות הברית	ג'מיני	1965	10
ברית המועצותרוסיה	סויוז	1967	110
ארצות הברית	אפולו	1968	11[2]
ארצות הברית	סקיילאב	1973	3
ברית המועצותארצות הברית	אפולו-סויוז	1975	1
ארצות הברית	מעבורות החלל	1981	135[3]
הרפובליקה העממית של סין	שנג'ואו	2003	3

הגוף המלאכותי הראשון ששוגר לטיסה מסלולית היה הלוויין הסובייטי ספוטניק 1, ששוגר ב-4 באוקטובר 1957. בעל החיים הראשון ששוגר לחלל - הכלבה לייקה - שוגרה ב-3 בנובמבר 1957. רק ב-1 בפברואר 1958 הצליחו סוף סוף האמריקאים לשגר את לוויינם הראשון - אקספלורר 1. האדם הראשון ששוגר לטיסה מסלולית (ולחלל בכלל) היה יורי גגארין, ששוגר ב-12 באפריל 1961. האמריקאי הראשון ששוגר לטיסה מסלולית (והאמריקאי השלישי בחלל) היה ג'ון גלן, ששוגר בחלליתו "פרנדשיפ 7" ב-5 במאי 1961 במסגרת תוכנית מרקורי. אל ברית המועצות וארצות הברית הצטרפה ב-15 באוקטובר 2003 גם סין, ששיגרה את הטייקונאוט הראשון - יאנג ליוויי - בחללית שנג'ואו 5.

• טיסה תת-מסלולית
• מסלול לווייני נמוך
• מסלול קוטבי

• ד"ר אלעד דננברג, מסלולים בחלל – חלק א', באתר מדע גדול, בקטנה, 4 בספטמבר 2019
• ד"ר אלעד דננברג, מסלולים בחלל – חלק ב', באתר מדע גדול, בקטנה, 5 בספטמבר 2019