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
10 цитат Киры Найтли, которые научат вас слушать себя, а не других 10 цитат Киры Найтли, которые научат вас слушать себя, а не других

Вспоминаем самые яркие высказывания Киры Найтли

Psychologies
Красные и белые Красные и белые

Донесения белогвардейцев и немцев о беседах с бойцами и командирами РККА

Дилетант
Искусство запрещать Искусство запрещать

Одна из самых громких сенсаций в новейшей истории арт-рынка

Правила жизни
Скульптурный портрет Евгения Богарне. Возвращение из «Небытия» Скульптурный портрет Евгения Богарне. Возвращение из «Небытия»

Мраморный бюст, который поступил в Государственный Русский музей в 1927 году

Наука и жизнь
Палеонтологи отобрали у древнего кита из Перу титул самого тяжелого животного в истории Палеонтологи отобрали у древнего кита из Перу титул самого тяжелого животного в истории

Согласно новым оценкам, древний кит перуцет весил на 100 тонн меньше

N+1
Транспорт будущего Транспорт будущего

Вот уже шесть лет мы пишем про летающие автомобили и стоим рядом с прототипами

ТехИнсайдер
Где живет (не)зависимость? Где живет (не)зависимость?

Откуда берутся навязчивые пристрастия, существует ли предрасположенность к ним?

Psychologies
Сплошная экзотика Сплошная экзотика

Как оформить квартиру в модном этническом стиле

Лиза
Как полюбить себя: 5 фраз, которые помогут тебе это сделать Как полюбить себя: 5 фраз, которые помогут тебе это сделать

Пять фраз, которые полезно повторять не только другим, но и себе

VOICE
Глава из дебютного романа Светланы Тюльбашевой «Лес» Глава из дебютного романа Светланы Тюльбашевой «Лес»

Роман о кошмарах, которые скрываются не только в темных северных лесах

СНОБ
Как разговаривать с пьяным человеком? Как разговаривать с пьяным человеком?

Как вести себя в ситуации, когда пьяного человека невозможно игнорировать?

Psychologies
Быть на вершине Быть на вершине

Удовольствие, свобода и безумие во французских Альпах

Автопилот
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
«О расставании как о хеппи-энде» «О расставании как о хеппи-энде»

Любовь Мульменко о своем фильме «Фрау»

Weekend
Не можете уснуть? Держите глаза открытыми Не можете уснуть? Держите глаза открытыми

Снова ворочаетесь всю ночь? Никак не можете заснуть, ложась в кровать?

ТехИнсайдер
Лещина и фундук Лещина и фундук

Лещина, или орешник — род кустарников, подаривший нам фундук

Наука и жизнь
Какие тайны скрывает фильм «Шоколад»? Мнение психолога Какие тайны скрывает фильм «Шоколад»? Мнение психолога

Что нам известно о Тени? О том, что вытеснено, спрятано, но продолжает жить?

Psychologies
Мяу-воспитание Мяу-воспитание

4 привычки, которые стоит привить своему коту

Лиза
По разным канонам По разным канонам

Фантазия на тему усадьбы с винтажной мебелью и отделкой конца XIX в.

Идеи Вашего Дома
Похороны Хрущёва Похороны Хрущёва

Отрывок, описывающий похороны опального политика Никиты Хрущёва

Дилетант
Португальские инь и ян Португальские инь и ян

Два лидера «революции гвоздик», которые были во многом едины и неделимы

Дилетант
Эта Барби — продюсер: как Марго Робби создает и поддерживает женское кино Эта Барби — продюсер: как Марго Робби создает и поддерживает женское кино

Как LuckyChap Entertainment спродюсировала «Барби»

Forbes
Казнить нельзя помиловать Казнить нельзя помиловать

Стоит ли прощать измену и как вернуть утраченное доверие?

Лиза
13 вещей, которые нельзя делать во время уборки на кухне: мнение профессиональных клинеров 13 вещей, которые нельзя делать во время уборки на кухне: мнение профессиональных клинеров

Хочешь знать мнение профессиональных клинеров о правилах уборки на кухне?

VOICE
Кочубеи Кочубеи

На крови Василия Леонтьевича Кочубея возвысился весь его род

Дилетант
Всё как есть Всё как есть

Отвечаем на все актуальные вопросы по правильному питанию

Добрые советы
«Тётя Аврора» вылетела в три часа… «Тётя Аврора» вылетела в три часа…

Я как безумный метался и думал: мы или они? Мы или они?

Дилетант
«Джеймс Уэбб» нашел нового кандидата в потенциально обитаемую планету-океан «Джеймс Уэбб» нашел нового кандидата в потенциально обитаемую планету-океан

Экзопланета LHS 1140b может быть потенциально обитаемой планетой

N+1
Особое место Особое место

Хакасия – настоящий кладезь локаций с высокой энергетикой

Лиза
Открыть в приложении