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
Проверяем щитовидку. Неочевидные симптомы, которые указывает на ее проблемы Проверяем щитовидку. Неочевидные симптомы, которые указывает на ее проблемы

Щитовидка контролирует работу сердца и влияет на наше самочувствие

Лиза
Эпоха «посткремниевой долины» Эпоха «посткремниевой долины»

В России создается элементная база, работающая на новых физических принципах

Наука
Все альбомы Depeche Mode от худшего к лучшему Все альбомы Depeche Mode от худшего к лучшему

Для тысяч россиян Depeche Mode — саундтрек всей их жизни, начиная с 80-х

Maxim
О строении нашей галактики О строении нашей галактики

Не все знают, что у Млечного Пути есть два диска со спиральными рукавами

Наука и техника
Факты о фильме «Страх и ненависть в Лас-Вегасе» Факты о фильме «Страх и ненависть в Лас-Вегасе»

Факты о культовом роад-муви о том, куда приводят вредные наркотики

Maxim
20 вещей, которые могут тебе пригодиться в постели 20 вещей, которые могут тебе пригодиться в постели

Объекты и явления, при помощи которых твой секс будет еще великолепнее

Maxim
Изобретения на любой вкус Изобретения на любой вкус

Как исследователи меняют агротех и фудтех с помощью искусственного интеллекта

РБК
«Горбачева»: как фильм о первой леди СССР создает портрет женщины, опередившей время «Горбачева»: как фильм о первой леди СССР создает портрет женщины, опередившей время

Главные страницы биографии первой леди СССР Раисы Горбачевой

Forbes
Автоматические ремни безопасности: гениальное изобретение или бестолковая ерунда? Автоматические ремни безопасности: гениальное изобретение или бестолковая ерунда?

Автопроизводители порой устраивали с ремнями безумные эксперименты...

Maxim
Театр начинается с вешалки Театр начинается с вешалки

Макар Михалкин — о Большом театре и балете

Men Today
Золотой мой человек Золотой мой человек

«Золото Рейна»: байопик Ксатара, образцового гангстера, рэпера и бизнесмена

Weekend
Быть на вершине Быть на вершине

Удовольствие, свобода и безумие во французских Альпах

Автопилот
Свободный доступ Свободный доступ

Что такое инклюзивная среда и почему этот тренд актуален для каждого

РБК
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
12 миллионов клеток — ученые создали полный атлас эмбриона мыши 12 миллионов клеток — ученые создали полный атлас эмбриона мыши

Эмбрион мыши: как развивают органы и меняется тело сразу после рождения?

ТехИнсайдер
8 отличных сериалов, которые можно смотреть с любой серии 8 отличных сериалов, которые можно смотреть с любой серии

Сериалы, которые можно смотреть с какого угодно эпизода в случайном порядке

Maxim
От Одри Хепберг до Билли Айлиш: 12 легендарных песен, получивших премию «Оскар» От Одри Хепберг до Билли Айлиш: 12 легендарных песен, получивших премию «Оскар»

Самые легендарные оскароносные треки, которые знают и любят во всем мире

Forbes
Россия «в состоянии крайней слабости» Россия «в состоянии крайней слабости»

Положение «белой России» в 1919 году выглядело крайне уязвимым

Дилетант
Как понять, что доставляет вам удовольствие: 4 простых шага Как понять, что доставляет вам удовольствие: 4 простых шага

Как разобраться что именно приносит нам удовольствие?

Psychologies
5 аббревиатур-диагнозов (ПРЛ, СДВГ, РАС, КПТСР, БАР): как с ними жить и чем лечить 5 аббревиатур-диагнозов (ПРЛ, СДВГ, РАС, КПТСР, БАР): как с ними жить и чем лечить

Самые частые аббревиатуры: что это за расстройства и как с ними жить

Psychologies
«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
Женщины меняют Петербург Женщины меняют Петербург

«Собака.ru» вместе с Mercury благодарят петербурженок за их достижения

Собака.ru
Что это такое принцип Парето и как его применять Что это такое принцип Парето и как его применять

Оказывается, что 80% результата можно обеспечить 20% усилий

РБК
Что ваш музыкальный вкус говорит о вашей личности: только наука Что ваш музыкальный вкус говорит о вашей личности: только наука

Любите поп-хиты? А, может быть, вы фанат хэви-метал? Что это говорит о вас?

ТехИнсайдер
Парус, лыжи, кошки, спиннинг… Парус, лыжи, кошки, спиннинг…

В кратер вулкана на лыжах и неделя «вне зоны действия сети»

Вокруг света
Сохрани в тайне свою женитьбу… Сохрани в тайне свою женитьбу…

Александра Иосифовна умоляла императора подождать с публичностью в новом браке

Дилетант
Арт-крайм Арт-крайм

О тема искусства как объекта преступного посягательства! Она бесконечна

Правила жизни
«Тихие радости семейственности»: отрывок из новой книги журналистки Аси Казанцевой «Тихие радости семейственности»: отрывок из новой книги журналистки Аси Казанцевой

Откуда берется желание стать родителем, что может его укрепить, а что пошатнуть

Forbes
Пойми меня, если сможешь Пойми меня, если сможешь

В чем смысл взаимопонимания и какую роль в нем играет эмпатия?

Psychologies
Открыть в приложении