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

Многоразовый космический корабль Многоразовый космический корабль

Как космический корабль «Буран» опередил свое время

Наука и техника
Женщины-амазонки, возможно, действительно существовали! Узнайте аргументы эксперта Женщины-амазонки, возможно, действительно существовали! Узнайте аргументы эксперта

При раскопках могил бронзового века обнаружили останки женщин-лучниц

ТехИнсайдер
Большой корабль без большого плавания Большой корабль без большого плавания

«Урал» для «Коралла» или «Коралл» для «Урала»

Наука и техника
«Это я — Эдичка» — непонятый роман Эдуарда Лимонова «Это я — Эдичка» — непонятый роман Эдуарда Лимонова

Скандальный роман Эдуарда Лимонова, содержание которого понимают неправильно

СНОБ
Жизнь других Жизнь других

Жизнь проходит мимо вас, пока другие берут от нее всё? Скорее всего, у вас FOMO

Men Today
Аскар Ильясов Аскар Ильясов

Актер Аскар Ильясов переживает экзистенциальный кризис IT-миллионера

Собака.ru
Пассажир на гиперзвуке Пассажир на гиперзвуке

Первый в истории самолет, который обещает преодолеть скорость звука на водороде

ТехИнсайдер
«Мы начнем все заново». Главы из романа Хелены Побяржиной «Другие ноты» «Мы начнем все заново». Главы из романа Хелены Побяржиной «Другие ноты»

Второй роман Хелены Побяржиной о молчании, смерти, предательстве и музыке

СНОБ
Как справиться с тревогой: 10 шагов к спокойствию Как справиться с тревогой: 10 шагов к спокойствию

Как остановить тревожные мысли, заземлиться и успокоиться

ТехИнсайдер
Господин фикус Господин фикус

Приметы и суеверия, связанные с популярным комнатным растением

Лиза
Пластичная биомасса Пластичная биомасса

Даже на фоне других русских авангардистов Павел Филонов выделялся самобытностью

Вокруг света
Зумеры в России мечтают о раннем браке и большой семье: почему для них это важно Зумеры в России мечтают о раннем браке и большой семье: почему для них это важно

Почему одна из главных ценностей зумеров — создание собственной семьи?

Psychologies
Искусство повышает градус Искусство повышает градус

Достижения русской науки в Арктике за последние 400 лет

Наука
Все альбомы Metallica от худшего к лучшему Все альбомы Metallica от худшего к лучшему

Падения и взлеты легендарной Metallica

Maxim
Восемь продуктов, повышающих гемоглобин Восемь продуктов, повышающих гемоглобин

Какие продукты помогут повысить гемоглобин в крови и справиться с анемией

РБК
Как понять, что доставляет вам удовольствие: 4 простых шага Как понять, что доставляет вам удовольствие: 4 простых шага

Как разобраться что именно приносит нам удовольствие?

Psychologies
Александр Михайлов о съемках в фильме «Любовь и голуби» и о работе с Гурченко, Дорошиной, Гундаревой Александр Михайлов о съемках в фильме «Любовь и голуби» и о работе с Гурченко, Дорошиной, Гундаревой

Дал себе слово, что сделаю все возможное и невозможное, но стану актером

Караван историй
5 распространенных причин непослушания ребенка 5 распространенных причин непослушания ребенка

Какие детские проблемы могут скрываться за непослушанием?

Psychologies
Вырастить, заготовить, сохранить Вырастить, заготовить, сохранить

Как запастись кормами для КРС без потерь

Агроинвестор
Самка бонобо попила воду из пустого стручка колы Самка бонобо попила воду из пустого стручка колы

Редкий случай использования инструментов дикими бонобо

N+1
10 цитат Дональда Вудса Винникотта, которые помогут определить, достаточно ли вы хорошая мать 10 цитат Дональда Вудса Винникотта, которые помогут определить, достаточно ли вы хорошая мать

Как понять,справляетесь ли вы с заботой о детях

Psychologies
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
Сколько делается страховка на машину и на какой срок Сколько делается страховка на машину и на какой срок

Сколько можно ездить без страховки и какой минимальный срок действия полиса

РБК
6 простых правил, которые сделают тебя стройной к летнему сезону 6 простых правил, которые сделают тебя стройной к летнему сезону

Как терять вес, получая удовольствие от процесса?

VOICE
Сельхозпроизводство условно стабильно Сельхозпроизводство условно стабильно

В 2023 году сельхозпроизводство показало небольшое снижение и устойчивость

Агроинвестор
Почему не дышит нос? Почему не дышит нос?

Наш нос – сложная система, если в ней произошёл сбой, страдает весь организм

Здоровье
Масло масляное Масло масляное

Какое растительное масло лучше купить и как его правильно использовать

Добрые советы
Швейцарцы научили дрон насаживаться на стержни и переносить их по воздуху Швейцарцы научили дрон насаживаться на стержни и переносить их по воздуху

Инженеры разработали дрон-манипулятор, способный захватывать стержни и трубы

N+1
10 абсолютно тошнотворных коктейлей 10 абсолютно тошнотворных коктейлей

Все эти коктейли существуют на самом деле, и их отвратительные названия тоже

Maxim
Принцесса-рыбка, гигантский робот и амфибия. Фильмы о дружбе между человеком и нечеловеком Принцесса-рыбка, гигантский робот и амфибия. Фильмы о дружбе между человеком и нечеловеком

Подборка трогательных фильмов об отношениях людей и нелюдей

СНОБ
Открыть в приложении