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
Два аспида не поделили червягу Два аспида не поделили червягу

Исследователи стали свидетелями битвы за добычу между двумя коралловыми аспидами

N+1
Лепят творят малюют Лепят творят малюют

Мечта Уолта Диснея сбылась: анимация превратилась в серьезную индустрию

Men Today
Вопросы, которые изменят жизнь к лучшему: как научиться их формулировать — советы коучей Вопросы, которые изменят жизнь к лучшему: как научиться их формулировать — советы коучей

Глава из книги «Делай как коуч»

Psychologies
Реформа армии Реформа армии

Петр I провел радикальную реформу армии по европейскому образцу

Дилетант
Фонотека: как The Velvet Underground опередили время и записали пророческий альбом Фонотека: как The Velvet Underground опередили время и записали пророческий альбом

Как первому альбому The Velvet Underground удалось не попасть во время

Правила жизни
Натуральное автохозяйство Натуральное автохозяйство

Импортозамещение, технологический суверенитет и другие актуальные понятия

Автопилот
Как люди знакомятся в интернете в 2024 году: обзор популярных сервисов и трендов Как люди знакомятся в интернете в 2024 году: обзор популярных сервисов и трендов

Что сейчас из себя представляет российский рынок а?

Psychologies
Сопрано для диктатуры пролетариата Сопрано для диктатуры пролетариата

Как «Тоску» Пуччини заставили бороться за коммуну

Weekend
Из свиней сделают чипсы Из свиней сделают чипсы

Агрохолдинг «Талина» запустил в Мордовии промышленное производство мясных снеков

Монокль
Правила жизни Александра Ширвиндта Правила жизни Александра Ширвиндта

Правила жизни народного артиста России Александра Ширвиндта

Правила жизни
Фонотека Фонотека

Как первому альбому The Velvet Underground удалось не попасть во время

Правила жизни
2 причины, почему нарциссы всегда возвращаются 2 причины, почему нарциссы всегда возвращаются

Зачем нарциссы возвращаются к своим бывшим снова и снова?

Psychologies
Не только уксус: чем можно заменить разные моющие средства Не только уксус: чем можно заменить разные моющие средства

Вот чем тебе стоит воспользоваться, если дома закончился пятновыводитель

VOICE
Планета Китай Планета Китай

Переезд в Поднебесную с детьми — личный опыт

Новый очаг
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
Экстремальная глажка и вышивка по металлу: 10 самых странных хобби в мире Экстремальная глажка и вышивка по металлу: 10 самых странных хобби в мире

Рассказываем о 10 самых странных увлечениях на свете

ТехИнсайдер
Современные мечты о космосе: что делать, если ваш ребенок хочет стать блогером Современные мечты о космосе: что делать, если ваш ребенок хочет стать блогером

Отрывок из книги «Детство в режиме онлайн» Екатерины Мурашовой

Psychologies
«Больше не значит лучше»: сколько общения нам нужно на самом деле «Больше не значит лучше»: сколько общения нам нужно на самом деле

Надо ли часто встречаться с друзьями и родственниками?

Psychologies
Хортифутуризм Хортифутуризм

Превращаем сад в научно-фантастический рай

Караван историй
У близкого деменция: как принять ситуацию и не пасть духом У близкого деменция: как принять ситуацию и не пасть духом

Как быть, если вы ухаживаете за тем, кто постепенно уходит от вас и реальности?

Psychologies
Дух свободы Дух свободы

Подчеркнуто мужское пространство со своей неповторимой атмосферой и харизмой

SALON-Interior
Горничная или кухарка? Определи, какая ты хозяйка! Горничная или кухарка? Определи, какая ты хозяйка!

Сколько существует типов хозяек и чем они отличаются?

VOICE
Очень старые деньги Очень старые деньги

Какими были доходы и расходы древних римлян?

Men Today
Белых пятен больше нет Белых пятен больше нет

Десять удивительных географических объектов, открытых в XX и XXI веке

Вокруг света
Кибератака Кибератака

Как устроен Tesla Cybertruck и зачем он нужен

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

Большинству россиян крайне важно, чтобы политические взгляды партнеров совпадали

Psychologies
Как и зачем айтишник из Якутии пытается сохранить исчезающие языки малочисленных народов России с помощью современных технологий Как и зачем айтишник из Якутии пытается сохранить исчезающие языки малочисленных народов России с помощью современных технологий

Как эколог стал IT-специалистом и сложно ли ИИ говорить на редких языках

СНОБ
Материальная культура Материальная культура

Этот лофт сочетает в себе исторические стены и современный крафтовый дизайн

SALON-Interior
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
Открыть в приложении