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
Future Continuous: какие технологии меняют будущее рекламы Future Continuous: какие технологии меняют будущее рекламы

Как развитие технологий изменит сферу рекламы через 10-15 лет

Forbes
Полетели Полетели

Инновационный центр «Бирюч» представил новый проект беспилотного аэротакси

Популярная механика
«Так и живет большинство»: отрывок из романа о бегстве из невыносимого брака «Так и живет большинство»: отрывок из романа о бегстве из невыносимого брака

Отрывок из романа Антонии Байетт «Вавилонская башня»

Forbes
Как спастись от микропластика Как спастись от микропластика

Как сократить присутствие пластика в своей жизни?

Здоровье
Океанская рыба, заплывшая в реку Океанская рыба, заплывшая в реку

Об истории замысла Словаря культуры XXI века

Знание – сила
Натуральное автохозяйство Натуральное автохозяйство

Импортозамещение, технологический суверенитет и другие актуальные понятия

Автопилот
Пожалей меня: как отличить нужду в сострадании от манипуляции Пожалей меня: как отличить нужду в сострадании от манипуляции

Когда можно отказать партнеру в помощи и как это сделать, не обидев его?

Psychologies
Джонсон и Джонсоны Джонсон и Джонсоны

Как семейный бизнес превратился в крупнейшую финансовую корпорацию

Деньги
Кубрик после Кубрика Кубрик после Кубрика

10 наследников Стэнли Кубрика по кривой

Weekend
Работа по исполнению себя Работа по исполнению себя

Валентина Габышева о том, что такое призвание и как его в себе разглядеть

Seasons of life
Сила мысли Сила мысли

Какими способностями наделяют людей «умные» экзоскелеты

РБК
Что такое синдром навязчивых грез и как с ним бороться Что такое синдром навязчивых грез и как с ним бороться

Что такое синдром навязчивых грез и можно ли от него избавиться

РБК
Грибы перестают расти Грибы перестают расти

Рынок культивируемых грибов близок к перепроизводству, но есть возможность роста

Монокль
Настроения на подъеме Настроения на подъеме

Почему растет потребительская активность россиян

Деньги
Выживание белоголовых орланов зависит от здоровья луговых собачек Выживание белоголовых орланов зависит от здоровья луговых собачек

Луговые собачки являются важным ресурсом как минимум для четырех видов хищников

ТехИнсайдер
Высшая мера наказания: что побуждает людей поддерживать смертную казнь Высшая мера наказания: что побуждает людей поддерживать смертную казнь

Почему одни люди поддерживают смертную казнь, а другие осуждают

Psychologies
Эрос, что тебе снится? Эрос, что тебе снится?

Почему в сексе нам часто не хватает реальности и мы пускаемся в фантазирование?

Psychologies
126 заявок, конверсия — 6%: можно ли автоматизировать подачу откликов на вакансии 126 заявок, конверсия — 6%: можно ли автоматизировать подачу откликов на вакансии

Стартапы разрабатывают ботов, которые массово откликаются на объявления о работе

VC.RU
Не просто жена: как появились первые леди и почему они стали влиять на политику Не просто жена: как появились первые леди и почему они стали влиять на политику

Как институт «первых леди» распространился на жен (и мужей) лидеров государств

Forbes
Язык в поисках понятия о себе Язык в поисках понятия о себе

Можно спорить о начальной точке, когда любой язык стал пониматься как система

Знание – сила
Стимуляция вентральных областей соматосенсорной коры привела к отсроченной остановке речи Стимуляция вентральных областей соматосенсорной коры привела к отсроченной остановке речи

Как соматосенсорная кора участвует в планировании речи

N+1
Как бизнес способствует развитию инклюзивности Как бизнес способствует развитию инклюзивности

Как бизнес содействует повышению качества жизни социально уязвимых групп

СНОБ
Лучшие друзья не подведут: как и зачем женщины инвестируют в бриллианты Лучшие друзья не подведут: как и зачем женщины инвестируют в бриллианты

Как выбрать инвестиционные бриллианты, какая судьба ждет эти камни

Forbes
Вперед, девочки! Вперед, девочки!

Киногероини, у которых стоит поучиться здоровой самооценке

Лиза
Как ученые обнаружили «потерянный металл Атлантиды»! Интересная история и тайна прошлого Как ученые обнаружили «потерянный металл Атлантиды»! Интересная история и тайна прошлого

Чем оказались слитки загадочного металла, найденные среди затонувшего корабля

ТехИнсайдер
Когда я выпивала, я становилась классной Когда я выпивала, я становилась классной

Реальные истории для тех, кто хочет оттолкнуться от дна

Новый очаг
Кто мы и куда идем: фильмы о кризисе идентичности Кто мы и куда идем: фильмы о кризисе идентичности

Девять фильмов, помогающих выйти на тот самый «свой» путь

Правила жизни
«Мы пытаемся найти героя поколения» «Мы пытаемся найти героя поколения»

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

OK!
Как арестовывали Даниила Хармса. Отрывок из книги Как арестовывали Даниила Хармса. Отрывок из книги

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

СНОБ
Открыть в приложении