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
Гори, гори ясно: зачем современные художники сжигают свои работы Гори, гори ясно: зачем современные художники сжигают свои работы

Современные художники и работы, которые они предавали огню или планировали сжечь

Forbes
Владимир Этуш: «Я обожаю жизнь!». Фронтовые воспоминания Владимир Этуш: «Я обожаю жизнь!». Фронтовые воспоминания

У меня была бронь, но я записался добровольцем. Я мог не воевать. Но я не мог!

Коллекция. Караван историй
Поработить любовью Поработить любовью

У Анны Слю есть такое правило: везде должна быть создана френдлизона

OK!
Одомашнивание: новый цикл Одомашнивание: новый цикл

До конца нынешнего десятилетия произойдет очередная революция

Популярная механика
Разорвавшие шаблон Разорвавшие шаблон

Идеи этих ученых настолько опережали эпоху, что современники считали их чушью

Вокруг света
Что вас удержит на плаву? Что вас удержит на плаву?

Откройте для себя то, что защищает вас и помогает вам преодолевать невзгоды

Psychologies
Что сажать на рассаду Что сажать на рассаду

Самые популярные и простые в уходе растения на рассаду

Лиза
Нет любви Нет любви

Наверное, каждая мечтает о настоящих чувствах. В чем проблема, если их нет?

Добрые советы
Мечта как бунт Мечта как бунт

«Алые паруса»: Пьетро Марчелло экранизирует Александра Грина

Weekend
Философия университета: мышление, знания, навыки Философия университета: мышление, знания, навыки

Уже более ста лет пишется и говорится об экономике знания

Наука
УКВЗ зажег первую звезду УКВЗ зажег первую звезду

Новый тип вагонов для низкопольных трамваев «Кастор» от УКВЗ

Монокль
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
Работа по исполнению себя Работа по исполнению себя

Валентина Габышева о том, что такое призвание и как его в себе разглядеть

Seasons of life
«Такое может случиться с каждым»: 4 серьезных удара по нашей психике «Такое может случиться с каждым»: 4 серьезных удара по нашей психике

Почему стоит обращаться к психотерапевтам после травматичных событий в жизни?

Psychologies
Юрий Стоянов: «Я непростой человек, но, мне кажется, не мерзавец» Юрий Стоянов: «Я непростой человек, но, мне кажется, не мерзавец»

Я стал знаменитым ради женщин. В профессию пошел, чтобы нравиться им

Коллекция. Караван историй
Березовый сок: как правильно добывать, чтобы не навредить дереву? И чем на самом деле поили нас в СССР? Березовый сок: как правильно добывать, чтобы не навредить дереву? И чем на самом деле поили нас в СССР?

Когда и как правильно собирать березовый сок, чтобы не навредить дереву

ТехИнсайдер
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
Правильный путь Правильный путь

Rolls-Royce Джейсона Момоа Phantom II 1929 года стал полностью электрическим

Y Magazine
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
Продлить молодость Продлить молодость

Как нужно питаться, чтобы продлить молодость

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.
Великий китайский файрвол: 10 фактов об Интернете в КНР Великий китайский файрвол: 10 фактов об Интернете в КНР

Как 1,4 миллиарда людей живут в стране без доступа к зарубежным сервисам

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

Хорошие новости: вы можете замедлить процесс поседения своих волос!

ТехИнсайдер
Более позднее удаление паховой грыжи у недоношенных детей оказалось более безопасным Более позднее удаление паховой грыжи у недоношенных детей оказалось более безопасным

Стратегия отложенного удаления паховой грыжи у недоношенных детей безопаснее

N+1
Осторожно, дверцы закрываются Осторожно, дверцы закрываются

На что прежде всего нужно обратить внимание, выбирая идеальный шкаф?

Лиза
Червяги покормили детенышей «молоком» из клоаки Червяги покормили детенышей «молоком» из клоаки

Самки кольчатых червяг кормят детенышей богатым липидами и углеводами «молоком»

N+1
Грибы перестают расти Грибы перестают расти

Рынок культивируемых грибов близок к перепроизводству, но есть возможность роста

Монокль
Настроим четкость Настроим четкость

3 предвестника близорукости, на которые мало кто обращает внимание

Лиза
От «Мастера и Маргариты» до «Онегина»: удачные и провальные экранизации классики От «Мастера и Маргариты» до «Онегина»: удачные и провальные экранизации классики

Успешные и провальные случаи киноадаптаций больших книг

Правила жизни
Открыть в приложении