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

Биополимеры вошли в госзадание Биополимеры вошли в госзадание

Ученые не первый год работают над созданием биоразлагаемой пленки

Наука
Электрический фантом Электрический фантом

Состоялся мировой дебют электрической Frauscher × Porsche 850 Fantom Air

Y Magazine
Наука и жизнь сто лет назад Наука и жизнь сто лет назад

Устройство телефонной станции, влияние Солнца на кометы и продукты из газов

Наука и жизнь
Марика Коротаева Марика Коротаева

Марика Коротаева превращает Кронштадт в туристический маст-визит страны

Собака.ru
Самоубийство семьи бургомистра Самоубийство семьи бургомистра

«Кризис закончен. Орудия затихли. Кто знал, как нам стоит поступить?»

Дилетант
Юрий Стоянов: «Я непростой человек, но, мне кажется, не мерзавец» Юрий Стоянов: «Я непростой человек, но, мне кажется, не мерзавец»

Я стал знаменитым ради женщин. В профессию пошел, чтобы нравиться им

Коллекция. Караван историй
4 стереотипа о внешности, которые мешают женщинам быть счастливыми 4 стереотипа о внешности, которые мешают женщинам быть счастливыми

О стереотипах и ложных установках, которые мешают чувствовать себя счастливой

Psychologies
20 лучших мультфильмов всех времен (для любой возрастной категории) 20 лучших мультфильмов всех времен (для любой возрастной категории)

Лучшие мультфильмы — от диснеевских нетленок до культовой классики

Правила жизни
Картина Рима Картина Рима

«Творчество художника сродни главной страсти Бога – страсти творить»

Правила жизни
Трагедия, о которой никто не знал: Северо-Курильское цунами 1952 года Трагедия, о которой никто не знал: Северо-Курильское цунами 1952 года

Что произошло 5 ноября 1952 года на Курилах?

ТехИнсайдер
Я — сноб: президент Российской федерации баскетбола Андрей Кириленко Я — сноб: президент Российской федерации баскетбола Андрей Кириленко

Баскетболист Андрей Кириленко о необходимости держать руку на пульсе

СНОБ
«Едем по эскалатору вниз»: как живут родственники людей с инвалидностью «Едем по эскалатору вниз»: как живут родственники людей с инвалидностью

Глаза из сборника «Красные блокноты Кристины» — о хрупкости и уязвимости

Forbes
Сексизм в большом городе: как женщины борются с дискриминацией и домогательствами на рабочем месте Сексизм в большом городе: как женщины борются с дискриминацией и домогательствами на рабочем месте

Несмотря на внимание сексизм все еще не удается полностью искоренить

Inc.
Как телефон убивает отношения Как телефон убивает отношения

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

Здоровье
Экстремальная глажка и вышивка по металлу: 10 самых странных хобби в мире Экстремальная глажка и вышивка по металлу: 10 самых странных хобби в мире

Рассказываем о 10 самых странных увлечениях на свете

ТехИнсайдер
Энергия воды: набирают силу малые станции Энергия воды: набирают силу малые станции

Как в действительности развивалась гидроэнергетика последние десять лет?

Наука и жизнь
«Слишком много на себя беру»: как справиться с перегрузкой социальными ролями «Слишком много на себя беру»: как справиться с перегрузкой социальными ролями

Как найти баланс между ожиданиями окружающих и нашим собственным благополучием

Psychologies
Как вылечить робота Как вылечить робота

На участке окончательной приемки врач пытается реанимировать пациента-андроида.

ТехИнсайдер
Надо ли тебе менять работу Надо ли тебе менять работу

Чувствуешь себя не на своем месте? Своим ли делом ты занимаешься?

Лиза
Насколько важны политические взгляды партнера: мнение россиян Насколько важны политические взгляды партнера: мнение россиян

Большинству россиян крайне важно, чтобы политические взгляды партнеров совпадали

Psychologies
Вместо таблетки Вместо таблетки

10 продуктов, которые лечат не хуже лекарств

Лиза
Сделка с ангелом: где стартапам ранних стадий найти инвестиции Сделка с ангелом: где стартапам ранних стадий найти инвестиции

Где основателям стартапов искать деньги прямо сейчас

Forbes
Опытные охотники с необычным хобби: 50 фантастических фактов о дельфинах ― безумно смышленых и таких ласковых существах Опытные охотники с необычным хобби: 50 фантастических фактов о дельфинах ― безумно смышленых и таких ласковых существах

Эти красавчики ― настоящие гении среди морских обитателей

ТехИнсайдер
Любовный треугольник: почему все стороны мирятся с изменами Любовный треугольник: почему все стороны мирятся с изменами

Как любовный треугольник может быть удобен каждому из участников?

Psychologies
Правда ли, что белок влияет на газообразование Правда ли, что белок влияет на газообразование

Протеин не является основным виновником вздутия и газообразования

ТехИнсайдер
Не стригись: эти продукты помогают, если волосы растут медленно и постоянно ломаются Не стригись: эти продукты помогают, если волосы растут медленно и постоянно ломаются

Как отрастить длинные волосы?

VOICE
5 книг о спорте, которые понравятся даже тем, кто ненавидит спорт 5 книг о спорте, которые понравятся даже тем, кто ненавидит спорт

Книги о спорте, которые тронут душу даже самого неспортивного человека

Maxim
Морское спокойствие Морское спокойствие

Виды на Персидский залив напрямую повлияли на выбор стилистики квартиры

SALON-Interior
Разорвавшие шаблон Разорвавшие шаблон

Идеи этих ученых настолько опережали эпоху, что современники считали их чушью

Вокруг света
Аккуратисты и бардачники: как выжить в одном доме с мужчиной, если у вас разные взгляды на быт? Аккуратисты и бардачники: как выжить в одном доме с мужчиной, если у вас разные взгляды на быт?

Как ужиться в одном доме, если вы по-разному относитесь к порядку?

VOICE
Открыть в приложении