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

Главный экспонат Главный экспонат

Автомобили, на которых люди станут ездить (и даже летать) в ближайшее время

ТехИнсайдер
Психиатр Ирвин Ялом женился второй раз в 92 года: почему он решился на этот шаг? Психиатр Ирвин Ялом женился второй раз в 92 года: почему он решился на этот шаг?

Разбираемся в тонкостях позднего брака — особенно после утраты супруга

Psychologies
«Люди мы русские, имена же наши Карл, Инегельд, Фарлоф...» «Люди мы русские, имена же наши Карл, Инегельд, Фарлоф...»

У сторонников версии о призвании норманнов на Русь есть железный аргумент

Дилетант
Почему дергается глаз Почему дергается глаз

Подергивание глаз: частые и неочевидные причины

Лиза
По тундре, по железной дороге По тундре, по железной дороге

Где и зачем протянутся новые стальные магистрали?

Монокль
Фарфоровый камин и китайский кабинет: как реставраторы работают на деньги меценатов Фарфоровый камин и китайский кабинет: как реставраторы работают на деньги меценатов

О сложных реставрациях-реконструкциях, выполненных на деньги меценатов

Forbes
Принцип экономии в живых системах: посмотрим на метаболиты Принцип экономии в живых системах: посмотрим на метаболиты

Живые организмы развились из сравнительно простых молекулярных структур

Наука и жизнь
Какие парфюмерные ноты подходят блондинкам, а какие — брюнеткам Какие парфюмерные ноты подходят блондинкам, а какие — брюнеткам

Что, если определиться с флаконом, исходя из своего типажа или цвета волос?

VOICE
Что делать перед стиркой, чтобы одежда благоухала свежестью: 9 простых трюков Что делать перед стиркой, чтобы одежда благоухала свежестью: 9 простых трюков

Есть способы сделать одежду благоухающей без специальных средств!

VOICE
Хочу на ручки Хочу на ручки

Психолог Екатерина Приморская — о своём опыте перезагрузки в центре аюрведы

Новый очаг
5 книг, в которых герои пускаются в рискованные авантюры 5 книг, в которых герои пускаются в рискованные авантюры

Интриги и преступления, страсть и предательство — все это найдется в этих книгах

Maxim
5 аббревиатур-диагнозов (ПРЛ, СДВГ, РАС, КПТСР, БАР): как с ними жить и чем лечить 5 аббревиатур-диагнозов (ПРЛ, СДВГ, РАС, КПТСР, БАР): как с ними жить и чем лечить

Самые частые аббревиатуры: что это за расстройства и как с ними жить

Psychologies
Березовый сок: как правильно добывать, чтобы не навредить дереву? И чем на самом деле поили нас в СССР? Березовый сок: как правильно добывать, чтобы не навредить дереву? И чем на самом деле поили нас в СССР?

Когда и как правильно собирать березовый сок, чтобы не навредить дереву

ТехИнсайдер
И никакой боли! И никакой боли!

8 упражнений, которые облегчат боль в спине

Лиза
«Улыбающиеся твари»: что это за игрушки и стоит ли бояться взрослым «Улыбающиеся твари»: что это за игрушки и стоит ли бояться взрослым

Есть ли в Smiling critters опасность для ребенка и что в них привлекательного

Psychologies
Нет любви Нет любви

Наверное, каждая мечтает о настоящих чувствах. В чем проблема, если их нет?

Добрые советы
Американские горки: как эмигрантки строят карьеру в США Американские горки: как эмигрантки строят карьеру в США

С чем женщинам приходится иметь дело на пути к американской мечте

Forbes
Чем полезна пекинская капуста для организма: 8 свойств Чем полезна пекинская капуста для организма: 8 свойств

Пекинская капуста (ее еще называют бок-чой): диетическая, полезная и вкусная

РБК
Свидетель народа Свидетель народа

Как историк Василий Суриков оказывался всегда современным

Weekend
Гонки биовооружений, гибрид человека с обезьяной и другие риски генных технологий Гонки биовооружений, гибрид человека с обезьяной и другие риски генных технологий

Возможности, которые в ближайшее время может открыть синтетическая биология

Forbes
6 стратегий, которые помогут влюбленным выразить свои чувства 6 стратегий, которые помогут влюбленным выразить свои чувства

Как поделиться чувствами с «тем самым» человеком?

Psychologies
Чагын Генч, генеральный директор верфи Sirena Yachts Чагын Генч, генеральный директор верфи Sirena Yachts

Тренд на яхты с уютной домашней обстановкой будет жить еще долго

Y Magazine
Древние жители Иберии разделали мамонта около 1,2 миллиона лет назад Древние жители Иберии разделали мамонта около 1,2 миллиона лет назад

Следы от орудий нашли на костях из местонахождения Фуэнте-Нуэва-3

N+1
Зачем кенгуру три влагалища и две матки? Такого вам не расскажут в школе Зачем кенгуру три влагалища и две матки? Такого вам не расскажут в школе

Говорят, что быть «немножко беременной» невозможно. Это вы скажите кенгуру

ТехИнсайдер
«Дева и дракон» в беде: почему фэнтези с Милли Бобби Браун оказалось неудачным «Дева и дракон» в беде: почему фэнтези с Милли Бобби Браун оказалось неудачным

Почему фильм, разрушающий миф о «деве в беде», не оправдывает ожиданий

Forbes
Психоистория коллекционирования Психоистория коллекционирования

Почему людям разных эпох неизменно нравилось собирать редкие вещи?

Правила жизни
«Кропотливый труд швей»: почему именно женщины занимаются монтажом в кино «Кропотливый труд швей»: почему именно женщины занимаются монтажом в кино

Мало кто знает, но именно женщины стоят у истоков монтажа в Голливуде

Forbes
Заряд бодрости. 7 фруктов, которые лучше всего есть на завтрак Заряд бодрости. 7 фруктов, которые лучше всего есть на завтрак

Какие фрукты не только придадут тебе энергию с самого утра, но и оставят сытой

Лиза
Поиск себя, детективы и любовь: 10 удачных экранизаций женских романов Поиск себя, детективы и любовь: 10 удачных экранизаций женских романов

Удачные экранизации романов, написанных женщинами

Forbes
Фонотека: как The Velvet Underground опередили время и записали пророческий альбом Фонотека: как The Velvet Underground опередили время и записали пророческий альбом

Как первому альбому The Velvet Underground удалось не попасть во время

Правила жизни
Открыть в приложении