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

Квантовое превосходство Квантовое превосходство

«Квантовый компьютер – атомная бомба XX века»

ТехИнсайдер
Подружились, полюбились, спелись Подружились, полюбились, спелись

Творческое объединение «Под облаками» — это десять увлеченных людей

Seasons of life
Антон Макаров & «Диктофон» Антон Макаров & «Диктофон»

«Суицидально-романтический панк-рок» — как уютный плед

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

Чтобы получить идеальный макияж, пригодится хайлайтер

РБК
Ярмарка на Стрелке Ярмарка на Стрелке

В короткий срок Нижегородская ярмарка превратилась в ведущую торговую площадку

Дилетант
Как правильно перевезти холодильник, чтобы его не испортить? Как правильно перевезти холодильник, чтобы его не испортить?

Как правильно перевозить холодильник при переезде?

CHIP
Два против четырех Два против четырех

Двигатели авиалайнеров и дебаты об их количестве

Наука и техника
Как избавиться от пивного живота: советы врачей Как избавиться от пивного живота: советы врачей

«Пивной живот» может дорого обойтись вашему здоровью

ТехИнсайдер
Свидетель народа Свидетель народа

Как историк Василий Суриков оказывался всегда современным

Weekend
12 фраз, оставленных Христом 12 фраз, оставленных Христом

Мудрость Священного Писания, которая поможет найти утешение в трудные времена

Psychologies
Катастрофическое вымышленное Катастрофическое вымышленное

«Предчувствие»: Бертран Бонелло объясняет, что такое тревога

Weekend
5 советов, как справиться с синдромом выжившего 5 советов, как справиться с синдромом выжившего

В чем суть синдрома выжившего, какие он имеет последствия и как его пережить

Psychologies
Работа по исполнению себя Работа по исполнению себя

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

Seasons of life
Термоядерный прорыв: как ученые создали электростанцию с безграничным производством энергии Термоядерный прорыв: как ученые создали электростанцию с безграничным производством энергии

Подробнее о важном открытии в области термоядерного синтеза

Inc.
Релокация в детство Релокация в детство

«Шепот сердца»: сказка из прошлой жизни

Weekend
Правда ли, что белок влияет на газообразование Правда ли, что белок влияет на газообразование

Протеин не является основным виновником вздутия и газообразования

ТехИнсайдер
«В церкви Божией разгласия» «В церкви Божией разгласия»

Почему и как образовались сразу две «параллельные» русские митрополии?

Дилетант
Лайнер китайской экономики попал в шторм Лайнер китайской экономики попал в шторм

Правительство Китая принимает меры поддержки, но спасать всех не собирается

Монокль
Сантьяго, до востребования Сантьяго, до востребования

Как чилийские режиссеры снимали родину за границей и пережили диктатуру

Weekend
20 отличных драм за последние десять лет, которые стоит посмотреть 20 отличных драм за последние десять лет, которые стоит посмотреть

В подборке — признанные критиками драмы за последние десять лет

Правила жизни
7 главных китайских электромобилей: история и характеристики 7 главных китайских электромобилей: история и характеристики

На что обратить внимание при выборе китайского электромобиля

РБК
Не такой простой как кажется: вы представить себе не могли, как грифель попадает в карандаш Не такой простой как кажется: вы представить себе не могли, как грифель попадает в карандаш

Спасибо овцам, которые упростили нашу жизнь и подарили нам первые карандаши

ТехИнсайдер
В погоне за Бенни: лучшие фильмы Бена Аффлека В погоне за Бенни: лучшие фильмы Бена Аффлека

Собрали жемчужины из фильмографии человека-мема Бена Аффлека

Правила жизни
Яркие миры Яркие миры

Разноцветные животные планеты

Вокруг света
Первая леди Атлантики: история летчицы Амелии Эрхарт, которая пропала во время кругосветного перелета Первая леди Атлантики: история летчицы Амелии Эрхарт, которая пропала во время кругосветного перелета

Амелия Эрхарт стала первой женщиной-пилотом, перелетевшей Атлантический океан

СНОБ
Еще не все пропало! Еще не все пропало!

Что делать, если потеряла телефон: защищаем данные, восстанавливаем контакты

Лиза
Зеркала на орбите Земли могут осветить солнечные электростанции после заката Зеркала на орбите Земли могут осветить солнечные электростанции после заката

Как орбитальные отражатели могут повысить производительность солнечных батарей

ТехИнсайдер
Как добавить поддержку беспроводной зарядки любому смартфону Как добавить поддержку беспроводной зарядки любому смартфону

Как настроить функцию беспроводной зарядки в любом телефоне?

ТехИнсайдер
«Байденомика» против «трампономики» «Байденомика» против «трампономики»

Чья экономическая политика выгоднее для США

Деньги
История Дэвида Кореша: крах безумного лидера секты, который готовился к концу света История Дэвида Кореша: крах безумного лидера секты, который готовился к концу света

Кем был лидер секты «Ветвь Давидова» Дэвид Кореш?

ТехИнсайдер
Открыть в приложении