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
10 автомобилей, которые почти не изменились за десятки лет 10 автомобилей, которые почти не изменились за десятки лет

Некоторые модели становятся настоящими отступниками, которые не меняются годами

Maxim
Штурманы подземелья Штурманы подземелья

Маркшейдеры — специалисты, знающие, как проложить дорогу под землей

ТехИнсайдер
Найденный на изгороди волос заставил зоологов усомниться в вымирании яванских тигров Найденный на изгороди волос заставил зоологов усомниться в вымирании яванских тигров

Яванские тигры, которые считаются вымершими, могли дожить до наших дней

N+1
В небе, на трассе и в Сети В небе, на трассе и в Сети

Девушки в спорте начинают и выигрывают, показывая выдающиеся результаты

Robb Report
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
Наши высочества Наши высочества

Интервью с высокими и талантливыми актрисами сериала «Дылды»

Maxim
Худеем вместе Худеем вместе

Сидеть на диете в одиночестве мужчинам скучно. Другое дело — худеть с женой

Лиза
Проверяем щитовидку. Неочевидные симптомы, которые указывает на ее проблемы Проверяем щитовидку. Неочевидные симптомы, которые указывает на ее проблемы

Щитовидка контролирует работу сердца и влияет на наше самочувствие

Лиза
Аварийный вход Аварийный вход

Неочевидная сторона профессии журналиста, за которой скрывается роскошная жизнь

Men Today
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
Прощай, global Russian: как российским бизнесменам преодолеть кризис идентичности Прощай, global Russian: как российским бизнесменам преодолеть кризис идентичности

Элите российского бизнеса вернуться домой с концами будет очень тяжело

Forbes
Америка в Зазеркалье. Каким получился «Нежный восток» с Джейкобом Элорди? Америка в Зазеркалье. Каким получился «Нежный восток» с Джейкобом Элорди?

«Нежный восток»: каким получился режиссерский дебют Шона Прайса-Уильямса

Правила жизни
Почему мы верим в паранормальные явления Почему мы верим в паранормальные явления

Почему люди верят в паранормальное

ТехИнсайдер
Сплошная экзотика Сплошная экзотика

Как оформить квартиру в модном этническом стиле

Лиза
Инженер придумал сверхэффективную модульную печь для цементной промышленности Инженер придумал сверхэффективную модульную печь для цементной промышленности

На каждую тонну цемента в атмосферу выбрасывается 600 кг углекислого газа

Inc.
10 новых классных сериалов, которые никто не смотрит 10 новых классных сериалов, которые никто не смотрит

Малоизвестные, но крутые сериалы, вышедшие за последнее время

Maxim
Два аспида не поделили червягу Два аспида не поделили червягу

Исследователи стали свидетелями битвы за добычу между двумя коралловыми аспидами

N+1
Игра сёгунов Игра сёгунов

«Сёгун»: ревизия западного взгляда на феодальную Японию

Weekend
Как отличить поддельный смартфон от оригинального Как отличить поддельный смартфон от оригинального

Гайд, как обнаружить поддельное устройство, заказанное на маркетплейсе

Maxim
Игровые автоматы Игровые автоматы

«Морской бой» – это не только артефакт, но и портал в детство

Правила жизни
Что будет, если женщина выпьет «Виагру» Что будет, если женщина выпьет «Виагру»

Интересно, а что будет с женщиной, если она примет дозу «Виагры»?

ТехИнсайдер
Завтра не имеет значения (Ленин в письмах Лидии Дан) Завтра не имеет значения (Ленин в письмах Лидии Дан)

В семье Цедербаум шестеро из восьми детей стали социал-демократами-меньшевиками

Наука
10 автомобилей, внешность которых безнадежно испортили дизайнеры 10 автомобилей, внешность которых безнадежно испортили дизайнеры

Десять автомобилей, которые с треском провалились в дизайнерском развитии

Maxim
Дизайн человека Дизайн человека

Как предсказать будущее фигуры без натальной карты? Боди-менеджмент — наше все.

Собака.ru
Искусство, черт побери! Искусство, черт побери!

«Коллекционер – это едва ли не каждый из нас»

Правила жизни
«Человедица и медведица»: рассказ Евгении Некрасовой о медведице, которая коллекционирует фигурки людей и мечтает встретить человека «Человедица и медведица»: рассказ Евгении Некрасовой о медведице, которая коллекционирует фигурки людей и мечтает встретить человека

В рассказе «Человедица и медведица» можно увидеть знакомые художественные приемы

Правила жизни
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
Практика добаюкивания: как перепрожить свой детский опыт и дополучить родительскую любовь Практика добаюкивания: как перепрожить свой детский опыт и дополучить родительскую любовь

Клинический психолог рассказывает о том, как и зачем перепроживать детство

Psychologies
Не жить на автопилоте: почему важные вещи не стоит откладывать на завтра Не жить на автопилоте: почему важные вещи не стоит откладывать на завтра

Как распределять свои ресурсы и перестать жить вполсилы

Forbes
Открыть в приложении