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

Волка бьют не за то, что он сер Волка бьют не за то, что он сер

Почему в России с главным хищником не получится обойтись так, как в Европе

Наука
Главная роль Кэтрин Зета-Джонс Главная роль Кэтрин Зета-Джонс

Свою главную и самую сложную роль она играет не на сцене или в кино, а в жизни

Караван историй
Биология эльфов Биология эльфов

Чем эльфам пришлось бы «пожертвовать» в обмен на вечную жизнь?

Вокруг света
Все альбомы Metallica от худшего к лучшему Все альбомы Metallica от худшего к лучшему

Падения и взлеты легендарной Metallica

Maxim
Где восходит экономика Где восходит экономика

«Разворот на Восток» — один из реальных курсов для российского бизнеса

РБК
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
Регина неугомонная Регина неугомонная

Что пишет в тетрадях желаний Регина Тодоренко? И зачем хочет получить MBA?

OK!
Аскар Ильясов Аскар Ильясов

Актер Аскар Ильясов переживает экзистенциальный кризис IT-миллионера

Собака.ru
«Задача трех тел»: удивительная научная фантастика от создателей «Игры престолов» «Задача трех тел»: удивительная научная фантастика от создателей «Игры престолов»

Какой получилась англоязычная экранизация азиатской фантастики «Задача трех тел»

Forbes
Грибы перестают расти Грибы перестают расти

Рынок культивируемых грибов близок к перепроизводству, но есть возможность роста

Монокль
Как оставить мысли о работе за порогом дома: 6 советов нейропсихолога Как оставить мысли о работе за порогом дома: 6 советов нейропсихолога

Как перестроиться на «домашний» лад и оставить все рабочие мысли на работе?

Psychologies
Страдает психика? Вот как творчество поможет преодолеть проблемы! Страдает психика? Вот как творчество поможет преодолеть проблемы!

Искусство может способствовать эмоциональному облегчению и самопониманию!

ТехИнсайдер
«С каждым вдохом: Удивительная история наших легких» «С каждым вдохом: Удивительная история наших легких»

О поиске препарата для борьбы с идиопатическим легочным фиброзом

N+1
Паук, который захотел стать муравьем: редкая находка в ископаемой смоле Паук, который захотел стать муравьем: редкая находка в ископаемой смоле

Этот ископаемый паук замечателен тем, что имитирует внешний вид муравья

ТехИнсайдер
Чагын Генч, генеральный директор верфи Sirena Yachts Чагын Генч, генеральный директор верфи Sirena Yachts

Тренд на яхты с уютной домашней обстановкой будет жить еще долго

Y Magazine
Демоны, ставшие ангелами. Как люди искусства боролись с депрессией Демоны, ставшие ангелами. Как люди искусства боролись с депрессией

О том, как творческие люди давали отпор депрессии благодаря своему творчеству

СНОБ
Я — сноб: президент Российской федерации баскетбола Андрей Кириленко Я — сноб: президент Российской федерации баскетбола Андрей Кириленко

Баскетболист Андрей Кириленко о необходимости держать руку на пульсе

СНОБ
Два аспида не поделили червягу Два аспида не поделили червягу

Исследователи стали свидетелями битвы за добычу между двумя коралловыми аспидами

N+1
Материальная культура Материальная культура

Этот лофт сочетает в себе исторические стены и современный крафтовый дизайн

SALON-Interior
Как языковые ИИ-модели добились такого невероятного прогресса всего за десятилетие Как языковые ИИ-модели добились такого невероятного прогресса всего за десятилетие

Что влияет на прогресс языковых ИИ-моделей?

ТехИнсайдер
Подводный робот на колесах обработает подводные сооружения антикоррозионным составом Подводный робот на колесах обработает подводные сооружения антикоррозионным составом

Инженеры разработали подводный робот Crawfish

N+1
Лайфхаки весны Лайфхаки весны

Однообразие жизни кого угодно доведёт до ручки. С рутиной можно и нужно бороться

Здоровье
Как бизнес способствует развитию инклюзивности Как бизнес способствует развитию инклюзивности

Как бизнес содействует повышению качества жизни социально уязвимых групп

СНОБ
Выставка терминаторов Выставка терминаторов

В Абу-Даби прошла выставка беспилотных систем Umex 2024

ТехИнсайдер
Словарь электротехники Словарь электротехники

Гид по электрокарам

Men Today
Семья тираннозавра: кошмарные перестановки Семья тираннозавра: кошмарные перестановки

История исследований и пересмотров окаменелостей тираннозавра и его второй вид

Наука и техника
Путь героя Путь героя

Пять героев, которые в один день решились и изменили свой привычный мир

Seasons of life
Научитесь считать деньги: как и зачем вести личный бюджет Научитесь считать деньги: как и зачем вести личный бюджет

Базовые правила для тех, кто хочет навести в деньгах порядок

Forbes
Кокаин, связь с мафией и удар стулом: за что известные футболисты попадали в тюрьму Кокаин, связь с мафией и удар стулом: за что известные футболисты попадали в тюрьму

Самые известные истории футболистов, попадавших в тюрьму

Forbes
«АПК Ресурс» зальет поля под рис «АПК Ресурс» зальет поля под рис

Как «АПК Ресурс» планирует засеять рисом 27 тыс. га в Астраханской области

Агроинвестор
Открыть в приложении