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

Третье испытание «Старшипа» Третье испытание «Старшипа»

Очередной и очень ощутимый шаг вперед гигантского гибрида ракеты и звездолета

Наука
Отдохни! Отдохни!

Досрочная пенсия для женщин: кому положена и как ее получить

Лиза
Ивашки, Якушки и Петрушки… Ивашки, Якушки и Петрушки…

Имена царей содержали в себе зашифрованное послание о будущей политике

Дилетант
«Церемония жизни». Рассказ из сборника Саяка Мурата «Церемония жизни». Рассказ из сборника Саяка Мурата

Сборник саркастичных, шокирующих и одновременно нежных историй Саяки Мураты

СНОБ
Жизнь других Жизнь других

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

Men Today
Евгений Князев: «Талант — это единственная новость, которая всегда нова» Евгений Князев: «Талант — это единственная новость, которая всегда нова»

Я думал: «Боже, какой дурью мы занимаемся, чему же нас здесь учат?»

Коллекция. Караван историй
По тундре, по железной дороге По тундре, по железной дороге

Где и зачем протянутся новые стальные магистрали?

Монокль
Как понять, что брак уже не спасти: 6 однозначных признаков Как понять, что брак уже не спасти: 6 однозначных признаков

Есть «точки невозврата» — после которых восстановить семью очень сложно

Psychologies
7 романов, основанных на мифах и легендах 7 романов, основанных на мифах и легендах

Книги, в которых мифы и легенды разных народов откроются для вас с новой стороны

Maxim
Как научиться отжиматься: советы для новичков Как научиться отжиматься: советы для новичков

Отжимания, как известно, трудно выполнять правильно. Но не невозможно!

ТехИнсайдер
От Lemonade до Renaissance: 5 лучших альбомов Бейонсе От Lemonade до Renaissance: 5 лучших альбомов Бейонсе

Альбомы, которые стоит послушать всем, кто хочет понять феномен «королевы Би»

Правила жизни
Как разговаривать с пьяным человеком? Как разговаривать с пьяным человеком?

Как вести себя в ситуации, когда пьяного человека невозможно игнорировать?

Psychologies
Сельхозпроизводство условно стабильно Сельхозпроизводство условно стабильно

В 2023 году сельхозпроизводство показало небольшое снижение и устойчивость

Агроинвестор
Что такое фаркоп. Нужно ли его регистрировать и как правильно оформить Что такое фаркоп. Нужно ли его регистрировать и как правильно оформить

Все о фаркопе: виды, правила установки, штрафы

РБК
Хайлайтер: зачем его применяют и как выбрать правильный Хайлайтер: зачем его применяют и как выбрать правильный

Чтобы получить идеальный макияж, пригодится хайлайтер

РБК
Любовный треугольник: почему все стороны мирятся с изменами Любовный треугольник: почему все стороны мирятся с изменами

Как любовный треугольник может быть удобен каждому из участников?

Psychologies
4 ошибки, которые не стоит совершать, узнав об измене 4 ошибки, которые не стоит совершать, узнав об измене

Ошибки, от которых необходимо воздержаться, узнав о неверности партнера

Psychologies
Масленица в Коломне Масленица в Коломне

Кругом угощения, блины, сладости! И этот дух сохранили в Коломне и сегодня!

Лиза
3 вопроса о гипертонии 3 вопроса о гипертонии

Артериальная гипертензия – ведущий фактор риска развития инсультов и инфарктов

Здоровье
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
Новозеландец под присмотром антропологов набил себе татуировки Этци Новозеландец под присмотром антропологов набил себе татуировки Этци

Татуировщик сделал себе татуировки с помощью инструментов и техник древних людей

N+1
Мяу-воспитание Мяу-воспитание

4 привычки, которые стоит привить своему коту

Лиза
Прививка от рака: предотвратить нельзя вылечить Прививка от рака: предотвратить нельзя вылечить

Какие виды вакцин от рака уже существуют, а каких пока ждут пациенты и врачи

СНОБ
Насколько важны политические взгляды партнера: мнение россиян Насколько важны политические взгляды партнера: мнение россиян

Большинству россиян крайне важно, чтобы политические взгляды партнеров совпадали

Psychologies
Авторы фильма о Раисе Горбачевой: Мы сняли кино о любви, которую победила политика Авторы фильма о Раисе Горбачевой: Мы сняли кино о любви, которую победила политика

Раиса Горбачева: чему нас может научить ее образ сегодня?

СНОБ
12 продуктов, которые способны снижать уровень холестерина 12 продуктов, которые способны снижать уровень холестерина

Некоторые продукты действительно могут помочь снизить уровень холестерина!

ТехИнсайдер
Я занят, дорогая! Почему муж сидит на сайте знакомств: 6 причин, названных психологом Я занят, дорогая! Почему муж сидит на сайте знакомств: 6 причин, названных психологом

А что если ты внезапно обнаружила, что любимый муж сидит на сайте знакомств?

Лиза
Все фантазии дизайнера Все фантазии дизайнера

Тонкая грань гармонии между модой, традициями и оригинальностью в интерьере дачи

Идеи Вашего Дома
Стеклоочистители, Wi-Fi и посудомоечные машины: 10 изобретений, которые придумали женщины Стеклоочистители, Wi-Fi и посудомоечные машины: 10 изобретений, которые придумали женщины

«Большинство изобретений — заслуга мужчин», — распространенное заблуждение

ТехИнсайдер
Лещина и фундук Лещина и фундук

Лещина, или орешник — род кустарников, подаривший нам фундук

Наука и жизнь
Открыть в приложении