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
Окончание трилогии о мотивации. Что делать, если ребенок ничего не хочет Окончание трилогии о мотивации. Что делать, если ребенок ничего не хочет

Как вести себя родителям, если ребенок все время лежит на диване

СНОБ
Финская карта генерала Юденича Финская карта генерала Юденича

Почему не сработал расчёт генерала Юденича на помощь Финляндии

Дилетант
Мастер Цыганов Мастер Цыганов

Сцены из жизни и сцена в жизни Евгения Цыганова

Men Today
Инфаркт здорового человека Инфаркт здорового человека

Как инфаркт настигает физкультурников и что делать, чтобы защитить свое сердце

Men Today
Отдохни! Отдохни!

Досрочная пенсия для женщин: кому положена и как ее получить

Лиза
11 способов становиться немного умнее каждый день 11 способов становиться немного умнее каждый день

Интеллект, как и тело, требует правильного питания и регулярных тренировок

Psychologies
«Тест на любовь»: женитьба времен пандемии «Тест на любовь»: женитьба времен пандемии

В МТМ — премьера мюзикла «Тест на любовь»

Монокль
Петля затягивается: чем опасна новая уязвимость для проведения DDoS-атак Петля затягивается: чем опасна новая уязвимость для проведения DDoS-атак

Эксперты обнаружили новый вид атаки типа «отказ в обслуживании» (DDoS)

Forbes
Кочубеи Кочубеи

На крови Василия Леонтьевича Кочубея возвысился весь его род

Дилетант
Оказалось, что у ИИ-моделей есть родной язык: чаще всего это английский Оказалось, что у ИИ-моделей есть родной язык: чаще всего это английский

Имеет ли значение доминирование английского языка для ИИ-моделей?

ТехИнсайдер
Ностальгический алкоголь: почему коктейли в банках снова стали популярны Ностальгический алкоголь: почему коктейли в банках снова стали популярны

Популярность сладкого алкоголя: шлейф барной культуры или борьба со стрессом?

Forbes
От руки От руки

Как делают уникальные перьевые ручки Montegrappa

RR Люкс.Личности.Бизнес.
Кто вы, Сигрид Гордая? Кто вы, Сигрид Гордая?

Что нам известно о биографии Сигрид Гордой из скандинавских саг?

Дилетант
Стоит только начать Стоит только начать

Советы для тех, кому лень заниматься спортом или всегда некогда

Лиза
Как замедлить процесс поседения волос: советы эксперта Как замедлить процесс поседения волос: советы эксперта

Хорошие новости: вы можете замедлить процесс поседения своих волос!

ТехИнсайдер
Женщины в деле Женщины в деле

Бизнес – дело мужчин? Как бы не так!

Лиза
Острова сокровищ Острова сокровищ

В одном из самых малоизученных мест на планете, живут только ученые и животные

Лиза
Если ребёнок простудился Если ребёнок простудился

Почему дети болеют, и как им помочь быстрее поправиться?

Здоровье
Авианосцы постройки Италии и Испании. Часть 1: Италия Авианосцы постройки Италии и Испании. Часть 1: Италия

Флагманы итальянского флота — авианосцы «Джузеппе Гарибальди» и «Конте Ди Кавур»

Наука и техника
Психопаты, социопаты, нарциссы: в чем разница Психопаты, социопаты, нарциссы: в чем разница

Социопаты — это не серийные убийцы, которых мы привыкли видеть на экранах

Psychologies
4 правила секс-безопасности в командировке 4 правила секс-безопасности в командировке

Как сделать так, чтобы секс в командировке принес только яркие впечатления

Psychologies
Казнить нельзя помиловать Казнить нельзя помиловать

Стоит ли прощать измену и как вернуть утраченное доверие?

Лиза
Как ученые смогли снять отпечатки пальцев с 2400-летнего трупа! История болотного тела из Толлунда Как ученые смогли снять отпечатки пальцев с 2400-летнего трупа! История болотного тела из Толлунда

Усопший когда-то стал жертвой человеческого жертвоприношения

ТехИнсайдер
Бизнес на скорость и выносливость Бизнес на скорость и выносливость

Как изменились тренды мировой фитнес-индустрии

РБК
Ребенок разумный: выбираем оптимальную стратегию Ребенок разумный: выбираем оптимальную стратегию

Какие сферы жизни и развития ребенка сейчас стали слабым звеном?

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
Отцы атомной бомбы: 5 ученых, стоящих за созданием самого разрушительного оружия Отцы атомной бомбы: 5 ученых, стоящих за созданием самого разрушительного оружия

Кто создавал ядерное оружие?

ТехИнсайдер
Как США стали сверхдержавой и почему им в этом помогли союзы с диктаторами и Голливуд Как США стали сверхдержавой и почему им в этом помогли союзы с диктаторами и Голливуд

Глава из книги «Американцы и все остальные: Истоки и смысл внешней политики США»

Forbes
ТОП-5 самых известных корейских автобрендов и их первые модели ТОП-5 самых известных корейских автобрендов и их первые модели

На мировом уровне корейский автопром заявил о себе лишь пару десятилетий назад

РБК
Открыть в приложении