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
В духе модернизма В духе модернизма

Лаконичный одноэтажный дом в живописной местности в окрестностях Минска

Идеи Вашего Дома
Три города-курорта России, куда лето приходит раньше календаря Три города-курорта России, куда лето приходит раньше календаря

Заждались лета? Добро пожаловать в Крым и на Кубань

Караван историй
«Джентльмены»: каким получился сериал по мотивам криминальной комедии Гая Ричи «Джентльмены»: каким получился сериал по мотивам криминальной комедии Гая Ричи

Каким вышло шоу о буднях британских наркокартелей, истеблишмента и аристократии?

Forbes
Стабильность в эпоху потрясений Стабильность в эпоху потрясений

Как российские и мировые компании пытаются быть устойчивыми

РБК
Из мест лишения свободы Из мест лишения свободы

Николай Бердяев и его «Самопознание»: как остаться свободным от мира

Weekend
Академики на букву К Академики на букву К

Почему многих советских научных героев миновала премия Нобеля?

Знание – сила
«Прощайте, дорогой лорд-канцлер» — памяти Александра Ширвиндта «Прощайте, дорогой лорд-канцлер» — памяти Александра Ширвиндта

Александра Ширвиндт: его роли, жизненные принципы, всегдашняя грусть и ирония

СНОБ
Японский – простой язык Японский – простой язык

Сложности при изучении японского глубоко укоренены в самой японской ментальности

Знание – сила
Женщины в деле Женщины в деле

Бизнес – дело мужчин? Как бы не так!

Лиза
Лайфхаки весны Лайфхаки весны

Однообразие жизни кого угодно доведёт до ручки. С рутиной можно и нужно бороться

Здоровье
Выставка терминаторов Выставка терминаторов

В Абу-Даби прошла выставка беспилотных систем Umex 2024

ТехИнсайдер
«Едем по эскалатору вниз»: как живут родственники людей с инвалидностью «Едем по эскалатору вниз»: как живут родственники людей с инвалидностью

Глаза из сборника «Красные блокноты Кристины» — о хрупкости и уязвимости

Forbes
Вырастить, заготовить, сохранить Вырастить, заготовить, сохранить

Как запастись кормами для КРС без потерь

Агроинвестор
Бактерии, грибы и насекомые-хищники Бактерии, грибы и насекомые-хищники

В российском АПК растет популярность биологических средств защиты растений

Агроинвестор
Семь правил внутренней гармонии Семь правил внутренней гармонии

Если заботиться о себе, достичь внутренней гармонии не так сложно

Здоровье
Инвесторы меняют локацию Инвесторы меняют локацию

Приток капиталов фиксируют фонды США, Индии и России

Деньги
Порноместь: 6 причин, почему мужчины делятся интимными фото и видео бывших подруг Порноместь: 6 причин, почему мужчины делятся интимными фото и видео бывших подруг

Что такое порноместь и почему мужчины это делают

Psychologies
Своевременное вневременное Своевременное вневременное

Как математик Александр Константинов стал художником чистой линии

Weekend
Лиза Моряк: «Я была готова побороться за роль Татьяны» Лиза Моряк: «Я была готова побороться за роль Татьяны»

Оператор, который снимал фильм, сказал: «Это одна из лучших ролей Лизы»

Караван историй
Что не так с «Большими девочками»? 4 главные проблемы популярного шоу о похудении Что не так с «Большими девочками»? 4 главные проблемы популярного шоу о похудении

Почему шоу «Большие девочки» транслирует неправильные идеи

Psychologies
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
Про сердце. Факты о здоровье сердца, которые важно знать именно женщинам Про сердце. Факты о здоровье сердца, которые важно знать именно женщинам

Факты о здоровье сердца, на которые женщинам важно обратить внимание

Лиза
Дыши свободно Дыши свободно

Астма: что это за заболевание и как с ней жить

Лиза
«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
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
Психиатр Ирвин Ялом женился второй раз в 92 года: почему он решился на этот шаг? Психиатр Ирвин Ялом женился второй раз в 92 года: почему он решился на этот шаг?

Разбираемся в тонкостях позднего брака — особенно после утраты супруга

Psychologies
Деньги с неба Деньги с неба

Какие подвохи может скрывать завещание и как защитить свои интересы

Лиза
Свидетель народа Свидетель народа

Как историк Василий Суриков оказывался всегда современным

Weekend
Почему дергается глаз Почему дергается глаз

Подергивание глаз: частые и неочевидные причины

Лиза
Открыть в приложении