Сверхнизкие орбиты открывают перспективы, которых нет у других космических высот

НаукаНаука

Сверхнизкие орбиты: уникальные возможности и интрига освоения

Очень низкие орбиты открывают перспективы, которых нет у других космических высот. Для их освоения придется решать трудные задачи, но игра заведомо стоит свеч, а успех может обновить околоземную космонавтику.

Николай Цыгикало

Cпутник SOAR Discoverer для исследования орбитальной аэродинамики. discoverer.space

Космонавтика — это орбиты. Интерес к ним неиссякаем, особенно к практическим шагам. Продолжая наши орбитальные темы, заглянем в еще одну крайне перспективную область.

В бесконечном многообразии космических полетов можно выделить самый низкий диапазон. Он ограничен снизу формальной границей атмосферы (высота 100 км) или высотой схода с орбиты из‑за торможения атмосферой Земли (высота около 120 км). Верхняя граница условна, ее проводят на высоте 400, 350 или 300 км; мы подразумеваем высоты 150–250 км, как самую характерную часть.

Этот диапазон называют «очень низкими околоземными орбитами», с мемовой аббревиатурой VLEO (Very Low Earth Orbit). Иногда звучит название «сверхнизкая околоземная орбита», или SLEO (Super Low Earth Orbit). Есть и еще одно привычное название: низкие опорные орбиты, или НОО. Для них в США часто берут высоту 185 км (круглые 100 миль), в России круглые 200 км. Опорные орбиты нужны временно и ненадолго. Обычно космический аппарат или ступень ракеты с нагрузкой «доезжают» по опорной колее до нужного района Земли, не делая полного витка. Там они включат двигатель и покинут опорную орбиту. Это и отличает VLEO от НОО: будучи физически одной и той же орбитой, низкая опорная не успевает подействовать на аппарат в такой степени, как долгий полет по ней в месяцы и годы. В котором происходит много интересного, пробуждающего мысль практиков.

Что за физика (немножко), где проложена дорожка

Атмосфера на этой высоте сильно отличается от нашей. Например, температура составляет сотни и тысячи градусов Цельсия. Не удивляйтесь — МКС на высоте 415 км летит в среде с температурой 1000–1700°С, жарче любой духовки и даже доменной печи. Поэтому часть атмосферы с 90 до 700 км высоты назвали термосферой. Температура на одной высоте может возрастать в разы, отзываясь на изменения активности Солнца. Так накаляет ситуацию поглощение местным газом ультрафиолетового излучения светила. Здесь это атомарный кислород. Энергия ультрафиолета ионизирует и разгоняет атомы кислорода, их скорость переходит в температуру. Но среда не жжет в силу своей почти бесплотности. Кубометр нашего воздуха содержит 1,23 кг газа, а на высоте 200 км его меньше в 10 000 000 000 раз, лишь одна десятимиллионная доля грамма. Из‑за ничтожности вещества столь же мал и нагрев от него, ведь тепло газовой среды переносит ее вещество. Тепловой поток (порция тепла за секунду) тоже ничтожен, поэтому ощутимого газодинамического нагрева нет даже на орбитальных скоростях. Возможно, передняя часть конструкции теплее на градус-два, но и только. Такой нагрев не создает проблем (Солнце греет в сто раз больше) не только своим уровнем, но и тем, что не накапливается.

В отличие от другого действия среды — газодинамического сопротивления движению. Оно столь же слабое, как и нагрев, и по той же причине призрачности здешней атмосферы. Встречные атомы кислорода отдают свой импульс аппарату, тормозя его. Свободный пробег атомов между их столкновениями больше размеров спутника, поэтому такую среду уже нельзя считать сплошной, как наш привычный воздух. Есть спецразделы аэродинамики по движению в особо разреженных средах, они дают более точную картину специфичного космического обтекания. Силы вязкости, важные для сплошной среды, исчезают, и привычная в аэродинамике гладкая обтекаемая форма тела не нужна. Главным становится площадь наибольшего поперечного силуэта: именно им космический аппарат принимает удары встречных атомов газа. Сила торможения всего лишь граммы для мелких спутников и десятки граммов для более крупных. Она замедляет аппарат очень понемногу, но непрерывно; и это действие накапливается. Потеря скорости опускает орбиту в более плотные слои, усиливающие торможение. Такой замкнутый круг плавно нарастает и переходит в падение в атмосферу; близкие к нему орбиты называют неустойчивыми. Потеря устойчивости (приближение к началу падения) зависит от степени создаваемого здесь торможения.

Для разных спутников высота потери устойчивости орбиты будет разной. Например, для МКС это примерно 140 км из‑за размаха конструкции. А верхние ступени ракет, стабилизированные носом строго вперед, и поэтому с наименьшим поперечным сечением, делали на той же высоте много витков, летая сутками.

Атомарный кислород очень активен химически. И сам по себе, и с учетом большой энергии столкновения со спутником. Из‑за него поверхности конструкции постепенно окисляются, накапливая коррозию металла и быстро разъедая неметаллические материалы. Нужны покрытия, стойкие к окисляющему действию среды.

Отметим и баллистическую изюминку сверхнизких орбит — быстроту. На высоте 170 км оборот длится 87 минут, на пять минут меньше, чем у МКС. Вроде немного, но сокращение времени витка тоже можно накапливать. Допустим, до целевой точки идти еще 12 витков. По пять минут на каждом витке сложатся в час выигрыша. Оперативность прибытия к заданному району растет. И эта орбитальная скорость не снижает качество снимков и других данных.

И тут пошла шеренга плюсов

Главный плюс — наилучшие условия наблюдения Земли из космоса: с близких расстояний получается более высокое разрешение съемки. Мелкие детали и тусклые объекты видны больше и подробнее и без крутого телескопа. Это уменьшает конструкцию (массу, стоимость, срок производства), позволяя увеличить количество. Так приходит идея сети сверхнизких спутников.

Малая высота приводит к отсутствию космического мусора. Здесь он из орбитального роя переходит в косо падающий дождь. Остатки атмосферы очищают и опустошают VLEO, держа их в относительной безопасности от ударов космического мусора.

Запуск на эти высоты требует меньше всего энергии: самые низкие полеты идут по орбитам с наименьшей энергией. Сюда вывезут спутник даже легкие ракеты-носители, а любой конкретный носитель покажет здесь максимальную грузоподъемность. А значит, и лучшую массовую эффективность, переходящую в экономическую.

Меньше нужна и мощность для передачи данных с малой высоты, а значит, и энергия излучения, и ее источник. Терминалы связи станут легче, а источники питания, включая солнечные панели, меньше и компактнее. Все это снижает затраты на производство и запуск. Важнейшим плюсом идут и меньшие задержки передачи данных. Так улучшается работа спутниковой сети и ее параметры, растет эффективность.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Многоразовый космический корабль Многоразовый космический корабль

Как космический корабль «Буран» опередил свое время

Наука и техника
Точка баланса Точка баланса

Интерьер как фон для произведений искусства

RR Люкс.Личности.Бизнес.
Карл XII: один против всех Карл XII: один против всех

Почему же Швеция проиграла Северную войну?

Дилетант
Реагируют на определенные голоса людей и боятся развевающейся на ветру ткани: 50 интересных фактов о жизни волков Реагируют на определенные голоса людей и боятся развевающейся на ветру ткани: 50 интересных фактов о жизни волков

Увлекательная подборка необычных фактов о волках

ТехИнсайдер
Фиаско Илона Маска Фиаско Илона Маска

Почему не сработала идея вакуумного транспорта – гиперлупа?

ТехИнсайдер
По следам первопроходцев По следам первопроходцев

Следы эпохи Великих географических открытий – во всей нашей жизни

Вокруг света
Наталья Архангельская: «Тамара Макарова наклонилась к Герасимову и сказала, указывая на меня: «Посмотри, твоя Дуняша пришла» Наталья Архангельская: «Тамара Макарова наклонилась к Герасимову и сказала, указывая на меня: «Посмотри, твоя Дуняша пришла»

«Наташа, ты артистка первого дубля, не тяни время, сразу выкладывайся по полной»

Коллекция. Караван историй
Сам себе профайлер Сам себе профайлер

Об основных психотипах и о том, как научиться их распознавать

Grazia
«Мы пытаемся найти героя поколения» «Мы пытаемся найти героя поколения»

Сергей Жуков — из тех людей, кого так просто и не представишь

OK!
Крадут градус Крадут градус

Там, где встречаются большие деньги и плохо охраняемые склады, жди беды

Правила жизни
Надежда Румянцева. Звезда, которая вовремя покинула экран Надежда Румянцева. Звезда, которая вовремя покинула экран

О любимице советских зрителей Надежде Румянцевой — в рассказе ее мужа

Коллекция. Караван историй
Если вы хотите завести питомца: 8 вопросов, которые стоит задать себе Если вы хотите завести питомца: 8 вопросов, которые стоит задать себе

Если вы подумываете о том, чтобы купить или взять из приюта животное, не спешите

Psychologies
«Пыльный котел»: экологическая катастрофа 1930-х годов, которая перевернула жизнь США «Пыльный котел»: экологическая катастрофа 1930-х годов, которая перевернула жизнь США

Одна из масштабных экологических катастроф пронеслась по Америке в 1930-х годах

ТехИнсайдер
Спа среди хвойного леса Спа среди хвойного леса

Превращение неиспользуемой части гаража в домашний спа-комплекс

Идеи Вашего Дома
Хорошая плитка Хорошая плитка

Какими полезными свойствами обладает темный шоколад

Лиза
Лариса Лужина: «Я не встречала вечной любви» Лариса Лужина: «Я не встречала вечной любви»

У меня спрашивают: «Что же ты, не могла замуж выйти?» Почему не могла? Могла!

Коллекция. Караван историй
Как телефон убивает отношения Как телефон убивает отношения

Что-то пошло не так, и гаджеты всё чаще вызывают ссоры и ревность

Здоровье
Игра сёгунов Игра сёгунов

«Сёгун»: ревизия западного взгляда на феодальную Японию

Weekend
Тупики победоносной войны Тупики победоносной войны

Причин для участия в подпольных движениях у португальских колоний было немного

Дилетант
Грибы перестают расти Грибы перестают расти

Рынок культивируемых грибов близок к перепроизводству, но есть возможность роста

Монокль
От мусорщика до лауреата Нобелевской премии. 7 вещей, которые нужно знать о колумбийском писателе Габриэле Маркесе От мусорщика до лауреата Нобелевской премии. 7 вещей, которые нужно знать о колумбийском писателе Габриэле Маркесе

О семи вещах, которые нужно знать об авторе романа «Сто лет одиночества»

СНОБ
12 цитат 98-летнего долгожителя, которые помогут найти себя в жизни 12 цитат 98-летнего долгожителя, которые помогут найти себя в жизни

Мы же решили узнать у 98-летнего жителя, что он думает о счастье и смысле жизни

Psychologies
«Капитал лишним не бывает» «Капитал лишним не бывает»

Почему инфлюенсеры двигают рынками капитала и почему был приобретен Хоум Банк

Деньги
Есть или не есть: лапша быстрого приготовления Есть или не есть: лапша быстрого приготовления

Лапша и картофельное пюре быстрого приготовления — это самая вредная еда?

ТехИнсайдер
Как ученые смогли снять отпечатки пальцев с 2400-летнего трупа! История болотного тела из Толлунда Как ученые смогли снять отпечатки пальцев с 2400-летнего трупа! История болотного тела из Толлунда

Усопший когда-то стал жертвой человеческого жертвоприношения

ТехИнсайдер
Русский «Юнкерс»: как немцы помогали развивать авиацию в СССР Русский «Юнкерс»: как немцы помогали развивать авиацию в СССР

Вначале сотрудничества казалось, что Junkers и Россия созданы друг для друга

ТехИнсайдер
Космические университеты Юрия Гагарина Космические университеты Юрия Гагарина

Каким был вклад Юрия Гагарина в космонавтику

Наука и жизнь
История фразеологизма: разве можно «проглотить аршин», длина которого равна 71 сантиметру? История фразеологизма: разве можно «проглотить аршин», длина которого равна 71 сантиметру?

Как можно проглотить аршин — полуметровую линейку?

ТехИнсайдер
Что добавить в воду, чтобы быстро отмыть плиту: советы профессиональных клинеров Что добавить в воду, чтобы быстро отмыть плиту: советы профессиональных клинеров

Удаление жира с плиты — не самое увлекательное занятие. Что можно сделать?

VOICE
Философия университета: мышление, знания, навыки Философия университета: мышление, знания, навыки

Уже более ста лет пишется и говорится об экономике знания

Наука
Открыть в приложении