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

Боевые измерения Боевые измерения

Строится орбитальная инфракрасная сеть для обнаружения гиперзвуковых целей

Наука
10 цитат Киры Найтли, которые научат вас слушать себя, а не других 10 цитат Киры Найтли, которые научат вас слушать себя, а не других

Вспоминаем самые яркие высказывания Киры Найтли

Psychologies
Познание в обход сознания Познание в обход сознания

Почему мозг приписывает намерения нарисованным треугольникам?

Вокруг света
Долгая история: на какие книжные серии стоит обратить свой взгляд Долгая история: на какие книжные серии стоит обратить свой взгляд

Легендарные книжные серии, достойные вашего внимания

Maxim
ЗОЖ, эмоции, экономия и патриотизм ЗОЖ, эмоции, экономия и патриотизм

Какие новые ценности молодых потребителей повлияют на рынки в будущем

Монокль
По разным канонам По разным канонам

Фантазия на тему усадьбы с винтажной мебелью и отделкой конца XIX в.

Идеи Вашего Дома
Боязнь детей и кукол: 5 фобий, с которыми будет непросто стать матерью Боязнь детей и кукол: 5 фобий, с которыми будет непросто стать матерью

Собрали все «антидетские» фобии. От них страдают даже знаменитости!

Psychologies
Как арестовывали Даниила Хармса. Отрывок из книги Как арестовывали Даниила Хармса. Отрывок из книги

Глава из книги «Даниил Хармс. Жизнь человека на ветру»

СНОБ
Бояться или нет? 5 книг про искусственный интеллект Бояться или нет? 5 книг про искусственный интеллект

Кто прав и чего нам ждать от инноваций? Пять книг на актуальную тему

Maxim
«Тётя Аврора» вылетела в три часа… «Тётя Аврора» вылетела в три часа…

Я как безумный метался и думал: мы или они? Мы или они?

Дилетант
Модный разговор с Владимиром Славским. Глафира Тарханова: «Улыбка — лучший аксессуар женщины» Модный разговор с Владимиром Славским. Глафира Тарханова: «Улыбка — лучший аксессуар женщины»

Стоит ли слепо следовать трендам? Как выбирать одежду для выхода?

Караван историй
Своевременное вневременное Своевременное вневременное

Как математик Александр Константинов стал художником чистой линии

Weekend
Ценное приложение: как поменялась мобильная разработка в России за последние 15 лет Ценное приложение: как поменялась мобильная разработка в России за последние 15 лет

Вехи развития отечественной мобильной разработки и что происходит с ней сегодня

Forbes
Макаки сложили цифры в двух рукавах лабиринта и выбрали оптимальный маршрут Макаки сложили цифры в двух рукавах лабиринта и выбрали оптимальный маршрут

Ученые научили макак перемещаться по компьютерному лабиринту

N+1
Искусственный интеллект смог создать «идеальное» пиво Искусственный интеллект смог создать «идеальное» пиво

ИИ доработал состав пенного напитка, который смог поразить дегустаторов-людей

ТехИнсайдер
Заодно с природой Заодно с природой

Лаконичное пространство в фахверке Домогацкого, полное света, воздуха и природы

Идеи Вашего Дома
У близкого деменция: как принять ситуацию и не пасть духом У близкого деменция: как принять ситуацию и не пасть духом

Как быть, если вы ухаживаете за тем, кто постепенно уходит от вас и реальности?

Psychologies
5 признаков того, что близкий становится зависимым от алкоголя 5 признаков того, что близкий становится зависимым от алкоголя

Как распознать тревожные признаки алкогольной зависимости в самом начале

Psychologies
Катастрофическое вымышленное Катастрофическое вымышленное

«Предчувствие»: Бертран Бонелло объясняет, что такое тревога

Weekend
Какие продукты снижают давление: диета при гипертонии и советы врача Какие продукты снижают давление: диета при гипертонии и советы врача

Какие продукты важно включить в рацион, чтобы снижать артериальное давление

РБК
«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
Мастер Цыганов Мастер Цыганов

Сцены из жизни и сцена в жизни Евгения Цыганова

Men Today
Чем полезны креветки: четыре свойства Чем полезны креветки: четыре свойства

Креветки — источник важных витаминов и минералов, но каких именно?

РБК
Лишь секса тень Лишь секса тень

В каком возрасте больше секса?

Men Today
101-летний долгожитель рассказал, как он добился своих целей в карьере, и поделился своим секретом долголетия 101-летний долгожитель рассказал, как он добился своих целей в карьере, и поделился своим секретом долголетия

101-летний Коэн рассказал, что за десятилетия усвоил ряд уроков долголетия

Inc.
Крадут градус Крадут градус

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

Правила жизни
Шимпанзе подсмотрели решение непонятной задачи у обученных сородичей Шимпанзе подсмотрели решение непонятной задачи у обученных сородичей

Шимпанзе могут научиться у сородичей решению сложной задачи

N+1
Астрономы увидели прорыв ударной волны сверхновой сквозь плотное околозвездное вещество Астрономы увидели прорыв ударной волны сверхновой сквозь плотное околозвездное вещество

Ученые проследили ударную волну сверхновой сквозь плотное околозвездное вещество

N+1
Почему скрипит обувь при ходьбе и как это исправить: решаем навязчивую проблему за минуту Почему скрипит обувь при ходьбе и как это исправить: решаем навязчивую проблему за минуту

Скрип обуви во время ходьбы может сильно раздражать и вызывать улыбки со стороны

ТехИнсайдер
Искусство повышает градус Искусство повышает градус

Достижения русской науки в Арктике за последние 400 лет

Наука
Открыть в приложении