إطلاق فضائي

لا يوجد حد فاصل واضح بين الغلاف الجوي للأرض والفضاء، إذ تتناقص كثافة الغلاف الجوي تدريجيًا مع ازدياد الارتفاع. وهناك عدة تسميات معيارية للحدود الفاصلة، وهي:

• حدد الاتحاد الدولي للملاحة الجوية خط كارمان عند ارتفاع 100 كيلومتر (62 ميلاً) كتعريف عملي للحدود الفاصلة بين الملاحة الجوية والملاحة الفضائية. ويُستخدم هذا الخط لأنه عند ارتفاع حوالي 100 كيلومتر (62 ميلاً) ، كما حسب ثيودور فون كارمان ، سيتعين على المركبة أن تسافر بسرعة تفوق سرعة المدار لتوليد قوة رفع ديناميكية هوائية كافية من الغلاف الجوي لدعم نفسها. ^{[ 4 ] : ​​84 [ 5 ]}    
• حتى عام 2021، كانت الولايات المتحدة تُطلق لقب رواد فضاء على الأشخاص الذين يسافرون على ارتفاع يزيد عن 80 كيلومترًا (50 ميلًا) . ^{[ 6 ] : 16} أما الآن، فلا تُمنح أجنحة رواد الفضاء إلا لأفراد طاقم المركبات الفضائية الذين "أظهروا أنشطة أثناء الرحلة كانت ضرورية للسلامة العامة، أو ساهمت في سلامة رحلات الفضاء البشرية". ^{[ 7 ]}  
• مكوك الفضاء التابع لناسا400,000  قدم ، أو 75.76 ميل (120 كم) ، كارتفاع إعادة دخولها (يُطلق عليه واجهة الدخول)، والذي يُحدد تقريبًا الحد الذي يصبح عنده السحب الجوي ملحوظًا، وبالتالي تبدأ عملية التحول من التوجيه باستخدام الدوافع إلى المناورة باستخدام أسطح التحكم الديناميكية الهوائية. ^{[ 8 ]} 

في عام 2009، نشر العلماء قياساتٍ دقيقة باستخدام جهاز تصوير الأيونات فوق الحرارية (وهو جهاز يقيس اتجاه وسرعة الأيونات)، مما مكّنهم من تحديد حدٍّ فاصل على ارتفاع 118 كيلومترًا (73.3 ميلًا) فوق سطح الأرض. يُمثّل هذا الحدّ نقطة المنتصف لانتقالٍ تدريجيٍّ على امتداد عشرات الكيلومترات من رياح الغلاف الجويّ الهادئة نسبيًا إلى تدفّقات الجسيمات المشحونة الأكثر عنفًا في الفضاء، والتي قد تصل سرعتها إلى أكثر من 268 مترًا في الثانية (880 قدمًا في الثانية) . ^{[ 9 ] [ 10 ]}    

بحسب تعريف الرحلات الفضائية، يتطلب حدوثها ارتفاعًا كافيًا. وهذا يعني ضرورة التغلب على حد أدنى من طاقة الوضع التثاقلية  : بالنسبة لخط كارمان، تبلغ هذه الطاقة حوالي 1 ميغا جول/كيلوغرام. W = mgh، حيث m = 1 كيلوغرام، g = 9.82  م/ث² ^، h = 10⁵ ^م . W = 1 × 9.82 × 10⁵ ≈ ^10⁶ جول /كيلوغرام = ¹ ميغا جول/كيلوغرام.

من الناحية العملية، يلزم إنفاق طاقة أعلى من ذلك بسبب الخسائر مثل مقاومة الهواء، وكفاءة الدفع، وكفاءة دورة المحركات المستخدمة، ومقاومة الجاذبية .

على مدى الخمسين عامًا الماضية، كان السفر إلى الفضاء يعني عادةً البقاء في الفضاء لفترة زمنية محددة، بدلاً من الصعود والهبوط الفوري إلى الأرض. وهذا يستلزم وجود مدار، وهو في الغالب مسألة سرعة وليس ارتفاعًا، مع أن هذا لا يعني إهمال مقاومة الهواء والارتفاعات المرتبطة بها وبالمدار. عند ارتفاعات أعلى بكثير من العديد من المدارات التي تحافظ عليها الأقمار الصناعية، يصبح الارتفاع عاملاً أكثر أهمية والسرعة أقل أهمية. أما عند الارتفاعات المنخفضة، ونظرًا للسرعة العالية المطلوبة للبقاء في المدار، تُعدّ مقاومة الهواء عاملاً هامًا يؤثر على الأقمار الصناعية، أكثر بكثير مما هو شائع في الصورة النمطية للفضاء. عند ارتفاعات أدنى، يمكن للبالونات، التي لا تمتلك سرعة أمامية، أن تؤدي العديد من الأدوار التي تؤديها الأقمار الصناعية.

تتمتع العديد من الشحنات، وخاصة البشر، بحدود قصوى لقوة التسارع التي يمكنهم تحملها. بالنسبة للبشر، تتراوح هذه القوة بين 3 و6 أضعاف قوة الجاذبية الأرضية. بعض منصات الإطلاق، مثل منصات إطلاق الأسلحة النارية، تُحدث تسارعًا يصل إلى مئات أو آلاف أضعاف قوة الجاذبية الأرضية، وبالتالي فهي غير مناسبة تمامًا.

تختلف منصات الإطلاق من حيث موثوقيتها في إنجاز المهمة.

السلامة تعني احتمال التسبب في إصابة أو فقدان للأرواح. لا تُعتبر منصات الإطلاق غير الموثوقة غير آمنة بالضرورة، بينما تكون منصات الإطلاق الموثوقة آمنة في الغالب، ولكن ليس دائمًا.

وبصرف النظر عن الفشل الكارثي لمركبة الإطلاق نفسها، تشمل مخاطر السلامة الأخرى انخفاض الضغط، وأحزمة فان ألين الإشعاعية التي تمنع المدارات التي تقضي فترات طويلة داخلها.

أظهرت عمليات إطلاق المركبات الفضائية، من بين أمور أخرى، زيادة تركيز الألومنيوم ومستويات الرقم الهيدروجيني حول مواقع الإطلاق. ومع ذلك، يمكن للوائح والتدابير المناسبة أن تقلل من الآثار البيئية لعمليات الإطلاق، بل وتزيدها. ^{[ 12 ]}

علاوة على ذلك، فقد أثر السخام والحطام الناتج عن عمليات الإطلاق، وخاصةً عمليات الإطلاق الفاشلة، سلبًا على مساحات واسعة تحت سطح الأرض. ^{[ 13 ]} فعلى سبيل المثال، تُلقى مخلفات عمليات الإطلاق في المحيط في أماكن مثل منطقة المحيط الهادئ التي تُعرف باسم مقبرة المركبات الفضائية .

إلى جانب البيئات الإيكولوجية، تم استعمار الأراضي ومجتمعاتها، ولا سيما الشعوب الأصلية ، لبناء البنية التحتية اللازمة، متجاهلين إياها دون استشارة أو موافقة . ^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]}

تستخدم العديد من الصواريخ الوقود الأحفوري، وتستخدم بعض أنظمة الإطلاق الهيدروجين، بينما يستخدم بعض مصنعي الصواريخ (مثل مجموعة أريان ) أنواعًا مختلفة من وقود الإطلاق (مثل الميثان المنتج من الكتلة الحيوية). ^{[ 17 ]}

غالباً ما تُطلق عمليات الإطلاق بخار الماء، وهو غاز دفيئة قوي، ونادر الحدوث في المرتفعات العالية. كما أن غاز الميثان نفسه، الذي يُستخدم كوقود، هو غاز دفيئة قوي. ^{[ 18 ]}

الرحلات الفضائية شبه المدارية هي أي عملية إطلاق فضائي تصل إلى الفضاء دون إكمال مدار كامل حول الكوكب، وتتطلب سرعة قصوى تبلغ حوالي 1  كم/ث للوصول إلى الفضاء، وتصل إلى 7  كم/ث للمسافات الأطول مثل الرحلات الفضائية العابرة للقارات. ومن أمثلة الرحلات شبه المدارية الصواريخ الباليستية، أو الرحلات السياحية المستقبلية مثل رحلات فيرجن غالاكتيك ، أو رحلات النقل العابرة للقارات مثل رحلات سبيس لاينر . أي عملية إطلاق فضائي لا تتضمن تصحيحًا لتحسين المدار لتحقيق مدار مستقر ستؤدي إلى رحلة فضائية شبه مدارية، ما لم تكن هناك قوة دفع كافية للخروج من المدار تمامًا (انظر: سلاح الفضاء#الوصول إلى المدار ).

بالإضافة إلى ذلك، إذا تطلب الأمر مدارًا، فيجب توليد كمية أكبر بكثير من الطاقة لمنح المركبة سرعة جانبية. وتعتمد السرعة المطلوبة على ارتفاع المدار، حيث تقل الحاجة إلى السرعة عند الارتفاعات العالية. ومع ذلك، بعد احتساب طاقة الوضع الإضافية الناتجة عن الارتفاعات العالية، يُستهلك إجمالي طاقة أكبر للوصول إلى مدارات أعلى مقارنةً بالمدارات الأدنى.

السرعة اللازمة للحفاظ على مدار قريب من سطح الأرض تعادل سرعة جانبية تبلغ حوالي 7.8  كم/ث (17400  ميل/ساعة)، وطاقة تبلغ حوالي 30 ميجا جول/كجم. وهذا يعادل عدة أضعاف الطاقة لكل كيلوغرام من مخاليط وقود الصواريخ العملية .

يُعدّ اكتساب الطاقة الحركية أمرًا صعبًا نظرًا لأن مقاومة الهواء تُبطئ المركبة الفضائية، لذا تسلك المركبات الفضائية التي تعمل بالصواريخ عادةً مسارًا وسطيًا يُغادر الجزء الأكثر كثافة من الغلاف الجوي في وقت مبكر جدًا، ثم يطير في مدار انتقالي، مثل مدار هوهمان ، للوصول إلى المدار المطلوب. يُقلل هذا من مقاومة الهواء ويُقلل أيضًا من الوقت الذي تقضيه المركبة في التحليق. تُشكّل مقاومة الهواء مشكلة كبيرة في جميع أنظمة الإطلاق المقترحة والحالية تقريبًا، وإن كانت عادةً أقل أهمية من صعوبة الحصول على طاقة حركية كافية للوصول إلى المدار.

للتغلب على جاذبية الأرض تمامًا، يجب أن تحصل المركبة الفضائية على طاقة كافية لتجاوز عمق بئر طاقة الوضع الجاذبية. وبمجرد حدوث ذلك، شريطة ألا تُفقد الطاقة بأي شكل غير محافظ، ستفلت المركبة من تأثير الأرض. يعتمد عمق بئر طاقة الوضع على موقع المركبة، بينما تعتمد الطاقة على سرعتها. إذا تجاوزت الطاقة الحركية طاقة الوضع، يحدث الإفلات. على سطح الأرض، يحدث هذا عند سرعة 11.2  كم/ث (25000  ميل/ساعة)، ولكن عمليًا، يلزم سرعة أعلى بكثير بسبب مقاومة الهواء.