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

Цифровое будущее электросетей Цифровое будущее электросетей

В Санкт-Петербурге создается образ новой энергосистемы

Наука
Юрий Олеша о «чувствах добрых» – и не очень Юрий Олеша о «чувствах добрых» – и не очень

Юрий Олеша – успешный писатель и человек трагической судьбы

Знание – сила
Во всем мире Во всем мире

Атомное будущее Луны и таинственные люди из Такаркори

Знание – сила
«А что я такого сказала?»: 5 признаков «мягкого» буллинга, который используют женщины «А что я такого сказала?»: 5 признаков «мягкого» буллинга, который используют женщины

Иногда травля бывает такой нежной и вкрадчивой, что ее нелегко распознать

Psychologies
Генеральная уборка Генеральная уборка

Как РГО старается уменьшить следы антропогенного воздействия

Вокруг света
В поясе богатых черноземов В поясе богатых черноземов

Обзор АПК Тамбовской области

Агроинвестор
Визит «дамы в черном». Как о депрессии говорят писатели Визит «дамы в черном». Как о депрессии говорят писатели

Тексты современных писателей, где депрессия стала самостоятельным героем

СНОБ
Расовая теория: цвет кожи и свет разума Расовая теория: цвет кожи и свет разума

О теории вырождения (дегенерации), расовой теории («научном расизме») и евгенике

Знание – сила
Зачем люди коллекционируют кроссовки и почему это хорошая инвестиция Зачем люди коллекционируют кроссовки и почему это хорошая инвестиция

Рассказываем о тех, кто покупает редкие кроссовки и зарабатывает на этом

Maxim
Модный разговор с Владимиром Славским. Глафира Тарханова: «Улыбка — лучший аксессуар женщины» Модный разговор с Владимиром Славским. Глафира Тарханова: «Улыбка — лучший аксессуар женщины»

Стоит ли слепо следовать трендам? Как выбирать одежду для выхода?

Караван историй
Только мое Только мое

Как обозначить в небольшой квартире личные границы?

Лиза
Ребенок разумный: выбираем оптимальную стратегию Ребенок разумный: выбираем оптимальную стратегию

Какие сферы жизни и развития ребенка сейчас стали слабым звеном?

Psychologies
Делай раз. Что будет, если отжиматься каждый день: плюсы и минусы упражнения Делай раз. Что будет, если отжиматься каждый день: плюсы и минусы упражнения

Сколько отжиматься каждый день можно на самом деле?

Лиза
Океанская рыба, заплывшая в реку Океанская рыба, заплывшая в реку

Об истории замысла Словаря культуры XXI века

Знание – сила
Социальное выгорание: почему мы устаем от общения с людьми Социальное выгорание: почему мы устаем от общения с людьми

Устаете от постоянного общения с коллегами, друзьями или родственниками?

ТехИнсайдер
Женщины-амазонки, возможно, действительно существовали! Узнайте аргументы эксперта Женщины-амазонки, возможно, действительно существовали! Узнайте аргументы эксперта

При раскопках могил бронзового века обнаружили останки женщин-лучниц

ТехИнсайдер
Надо ли тебе менять работу Надо ли тебе менять работу

Чувствуешь себя не на своем месте? Своим ли делом ты занимаешься?

Лиза
Регина неугомонная Регина неугомонная

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

OK!
Академик Валерий Пузырев: именно генетика и сделала медицину наукой Академик Валерий Пузырев: именно генетика и сделала медицину наукой

Что удалось понять и достичь в генетике, а что остается тайной за семью печатями

Наука
Кто вы, Сигрид Гордая? Кто вы, Сигрид Гордая?

Что нам известно о биографии Сигрид Гордой из скандинавских саг?

Дилетант
6 простых правил, которые сделают тебя стройной к летнему сезону 6 простых правил, которые сделают тебя стройной к летнему сезону

Как терять вес, получая удовольствие от процесса?

VOICE
Разговоры о яйцах: какие лучше — C0, C1 или C2? Разговоры о яйцах: какие лучше — C0, C1 или C2?

Что означают буквы и цифры на яйцах? Как правильно яйца хранить?

ТехИнсайдер
Бернс, Лабковский, Тавваб: 5 книг для психологической поддержки Бернс, Лабковский, Тавваб: 5 книг для психологической поддержки

5 книг для психологической поддержки

СНОБ
Как безопасно и качественно помыть глухие окна: советы профессионалов Как безопасно и качественно помыть глухие окна: советы профессионалов

Как очистить глухие окна, не вылезая почти всем телом в окно

ТехИнсайдер
Почему не дышит нос? Почему не дышит нос?

Наш нос – сложная система, если в ней произошёл сбой, страдает весь организм

Здоровье
Миры робинзонады Миры робинзонады

Авторы романов-робинзонад отправляли своих героев на уже известные острова

Вокруг света
Хортифутуризм Хортифутуризм

Превращаем сад в научно-фантастический рай

Караван историй
Почти как Бекхэмы: 10 успешных союзов звезд футбола, тенниса, хоккея и гимнастики Почти как Бекхэмы: 10 успешных союзов звезд футбола, тенниса, хоккея и гимнастики

Спортивные браки, которые оказались и прочными, и финансово успешными

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

Чтобы получить идеальный макияж, пригодится хайлайтер

РБК
Открыть в приложении