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

Третье испытание «Старшипа» Третье испытание «Старшипа»

Очередной и очень ощутимый шаг вперед гигантского гибрида ракеты и звездолета

Наука
Оксана Акиньшина Оксана Акиньшина

В Оксане Акиньшиной сочетаются вещи, казалось бы, несовместные

Собака.ru
Падение Голиафа: каким будет финал Международной космической станции Падение Голиафа: каким будет финал Международной космической станции

Как убрать из космоса самый большой в истории космический аппарат?

Наука
«Когда я боюсь , я иду напролом» «Когда я боюсь , я иду напролом»

Ксения Трейстер — о твердом характере и желании быть во всем первой

OK!
Драма на Артезиане Драма на Артезиане

Как раз в декабре у степных животных начинается важнейший этап в их жизни — гон

Наука и жизнь
Дыши свободно Дыши свободно

Астма: что это за заболевание и как с ней жить

Лиза
Похороны Хрущёва Похороны Хрущёва

Отрывок, описывающий похороны опального политика Никиты Хрущёва

Дилетант
Иван Панфилов: «Дело, которым занимались родители, давалось им не только радостно и легко, но порой мучительно и трудно» Иван Панфилов: «Дело, которым занимались родители, давалось им не только радостно и легко, но порой мучительно и трудно»

Мама взяла за руку: «Ванюша, как же так? Ты поедешь в Гавану один?»

Коллекция. Караван историй
Иван Кашпуров Иван Кашпуров

Кто, кроме земляков, сейчас помнит этого писателя?

Дилетант
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
«Лучшие пропускают искусство через сердце, через эмоции» «Лучшие пропускают искусство через сердце, через эмоции»

Почему кроме коммерческой и художественной ценности на арт-рынке важна любовь

Правила жизни
4 правила секс-безопасности в командировке 4 правила секс-безопасности в командировке

Как сделать так, чтобы секс в командировке принес только яркие впечатления

Psychologies
Нейробика: сделать шаг в будущее Нейробика: сделать шаг в будущее

Как развить навыки, необходимые в высокотехнологичном мире?

Psychologies
Фильм «Герой наших снов»: какие пороки высмеивает трагикомедия с Николасом Кейджем Фильм «Герой наших снов»: какие пороки высмеивает трагикомедия с Николасом Кейджем

«Герой наших снов»: какие насущные проблемы Америки поднимает этот фильм?

Forbes
Дух свободы Дух свободы

Подчеркнуто мужское пространство со своей неповторимой атмосферой и харизмой

SALON-Interior
Регина неугомонная Регина неугомонная

Что пишет в тетрадях желаний Регина Тодоренко? И зачем хочет получить MBA?

OK!
Червяги покормили детенышей «молоком» из клоаки Червяги покормили детенышей «молоком» из клоаки

Самки кольчатых червяг кормят детенышей богатым липидами и углеводами «молоком»

N+1
Из почвы в почву Из почвы в почву

«Калина красная»: как можно вернуться в крестьянский мир

Weekend
Философия университета: мышление, знания, навыки Философия университета: мышление, знания, навыки

Уже более ста лет пишется и говорится об экономике знания

Наука
Хендмейд-косметика Хендмейд-косметика

Так ли безопасна хендмейд-косметика, как может показаться?

Здоровье
УКВЗ зажег первую звезду УКВЗ зажег первую звезду

Новый тип вагонов для низкопольных трамваев «Кастор» от УКВЗ

Монокль
Мадонна Мур Мадонна Мур

Главный редактор Алиса Жидкова встретилась с журналистом Мадонной Мур

Grazia
Прослушка: TumaniYO — об астраханском рэпе, рагге, MiyaGi и Эндшпиле Прослушка: TumaniYO — об астраханском рэпе, рагге, MiyaGi и Эндшпиле

TumaniYO — о том, чем отличается астраханский и владикавказский рэп

Правила жизни
За пределами привычного: нетрадиционные объекты интеллектуальной собственности и их особенности За пределами привычного: нетрадиционные объекты интеллектуальной собственности и их особенности

Виды нетрадиционных объектов интеллектуальной собственности и их значение

Наука и техника
Петля затягивается: чем опасна новая уязвимость для проведения DDoS-атак Петля затягивается: чем опасна новая уязвимость для проведения DDoS-атак

Эксперты обнаружили новый вид атаки типа «отказ в обслуживании» (DDoS)

Forbes
Чарльз Саатчи Чарльз Саатчи

Правила жизни бизнесмена и галериста Чарльза Саатчи

Правила жизни
Кубрик после Кубрика Кубрик после Кубрика

10 наследников Стэнли Кубрика по кривой

Weekend
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
«Они приходят к нам, когда у нас в глазах не видно боли. Но боль пришла» «Они приходят к нам, когда у нас в глазах не видно боли. Но боль пришла»

Собаки и кошки знаменитых поэтов и писателей

Караван историй
Древнейшая овчарка: что нужно знать о породе алабай Древнейшая овчарка: что нужно знать о породе алабай

Что требуется алабаю и какие условия содержания подойдут этой породе?

ТехИнсайдер
Открыть в приложении