Что такое низкая околоземная орбита и почему спутники не падают нам на головы
Подавляющее большинство спутников и даже Международная космическая станция кружат над Землей на так называемой низкой околоземной орбите. Но почему именно ее используют космические агентства и насколько она низка? Делимся фактами, определениями и объясняем, как работает орбита.
Поделиться
Простыми словами низкая околоземная орбита (НОО) именно тем, чем она и называется – низкой орбитой вокруг нашей планеты, которая пролегает на нижней границе диапазона возможных орбит. Это примерно 2000 км над Землей и даже чуть ниже.
Большинство спутников находятся именно на низкой орбите, как и МКС. Чтобы остаться на этой орбите, спутник должен двигаться на скорости около 7,8 километра в секунду. При этом ему нужно примерно 90 минут, чтобы завершить оборот вокруг планеты.
Низкая околоземная орбита / Фото ESA
Как работает орбита
Орбиты возможны благодаря силе тяготения – той же силе, которая удерживает нас на поверхности планеты. Подобно тому, как мы полетели бы в космос, если бы не существовало гравитации, так и спутник улетел бы по касательной.
Это происходит в случае космического корабля, путешествующего на второй космической скорости – 11,2 км/с. При достижении объектом такой скорости он может покинуть окрестности Земли и стать спутником Солнца. Если объект движется гораздо медленнее, например, суборбитальная ракета New Shepard Blue Origin, то он упадет на Землю так же уверенно, как и вы, когда подпрыгиваете в воздух.
Орбитальная скорость – 7,8 км/с – это скорость, при которой сила тяжести не дает объекту улететь по касательной. В результате движущийся с такой скоростью объект будет просто вращаться вокруг Земли – станет ее спутником. Это горизонтальная скорость, параллельная поверхности планеты. Когда спутник достигает орбитальной скорости, он официально находится на орбите.
Движение спутника по орбите / Фото ESA
Почему спутники выводят на низкую околоземную орбиту
Орбитальная скорость 7,8 км/с позволяет вывести объект на НОО прямо над атмосферой Земли. На больших высотах скорость, необходимая для удержания спутника на орбите, изменяется (по мере увеличения высоты необходимая скорость падает).
Однако это не означает, что ракета должна тратить меньше энергии, чтобы вывести спутник на более высокую орбиту. Это объясняется тем, что требуется огромное количество энергии, чтобы просто добиться такой высоты. Эти дополнительные усилия, направленные на подъем на большую высоту, являются одной из причин, по которым большинство спутников размещают на низкой орбите. Другими причинами является то, что, например, спутники для слежения за поверхностью Земли могут фотографировать ее с большим разрешением именно с самой низкой точки орбиты.
Однако есть одна особая высотная орбита, для достижения которой следует приложить дополнительные усилия, и это геосинхронная околоземная орбита (ГОО).
Для чего нужна геосинхронная орбита
Спутник на НОО совершает около 16 оборотов каждый день или за каждый полный оборот самой Земли. Однако ГОО находится на высоте около 36 тысяч километров, после чего орбитальная скорость замедляется, поэтому одна орбита соответствует ровно одному обороту Земли вокруг себя.
Это означает, что спутник на такой высоте фактически зависает над одной точкой на поверхности Земли (движется синхронно с планетой), что делает его особенно полезным для спутникового телевидения и других систем связи.
Геосинхронная орбита / Фото ESA
Орбиты спутников обычно имеют траекторию овального типа, которая называется эллипсом, длина и ширина которого известны как большая и малая оси.
Когда эти две оси равны по размеру, орбита является идеальным кругом, являющимся лишь частным случаем эллипса. Большинство спутников имеют почти круговые орбиты, но в некоторых случаях эллипс может быть гораздо более вытянутым, с большой осью гораздо длиннее малой оси.
Почему спутники не падают нам на головы
На самом деле все наоборот – все спутники на орбите Земли и даже Международная космическая станция падают на нас, однако делают они это очень и очень медленно. Этому способствует сила тяготения, притягивающая объекты к Земле. Гравитация тем сильнее, чем ближе объект к Земле, и вращающиеся вокруг Земли спутники должны двигаться на очень высоких скоростях, чтобы оставаться на орбите. Об этом мы писали выше.
В то же время они продолжают немного замедляться и фактически очень медленно падают на поверхность планеты. Именно поэтому периодически происходит корректировка орбиты некоторых сателлитов и МКС. Другие спутники со временем сходят с орбиты, входят в плотные слои атмосферы и сгорают там не достигая поверхности планеты.
Другие типы орбит
Кроме низкой околоземной и геостационарной орбит, есть еще несколько траекторий, на которые выводят разнообразные космические аппараты в зависимости от цели.
- Средняя околоземная орбита (СОВ) включает широкий диапазон орбит между НОО и ГОО. Она похожа на НОО тем, что ей тоже не нужно проходить определенные пути вокруг Земли, и ее используют разные спутники, например те, которые используются для навигационных систем.
- Полярную орбиту (ПО) обычно используют спутники, путешествующие мимо Земли с севера на юг, а не с запада на восток, проходя примерно над полюсами Земли.
- Солнечно-синхронная орбита (ССО) представляет собой особый вид полярной орбиты. Спутники на ССО, путешествуя над полярными областями, синхронны с Солнцем. Это означает, что они синхронизированы, чтобы всегда находиться в одном «фиксированном» положении по отношению к Солнцу. Таким образом спутник всегда посещает одно и то же место в одно и то же местное время, например, пролетая мимо конкретного города каждый день ровно в полдень.
- Трансферные орбиты – это особый вид орбит, используемый для перехода с одной орбиты на другую. Когда спутники запускаются с Земли и переносятся в космос с помощью ракет-носителей, спутники не всегда размещаются непосредственно на конечной орбите. Сателлиты часто размещаются на переходной орбите: орбите, на которой, используя сравнительно небольшое количество энергии от встроенных двигателей, спутник или космический корабль могут переходить с одной орбиты на другую.
Существуют также точки Лагранжа (L-точки), являющиеся орбитами, которые находятся гораздо дальше (более миллиона километров) от нашей планеты и не вращаются вокруг Земли напрямую. Это определенные точки далеко в космосе, где гравитационные поля Земли и Солнца сочетаются таким образом, что вращающиеся вокруг них космические корабли остаются стабильными и, таким образом, могут быть «закреплены» относительно Земли. В одной из таких точек, например, сейчас находится самый мощный в истории человечества космический телескоп James Webb.
Почему в космосе невесомость?
Ты, возможно, слышал о гравитации. Гравитация – сила, с которой Земля тянет тебя к своему центру. Если бы гравитации не было – ты бы оттолкнулся от пола и улетел, никогда не возвращаясь на Землю. Ты летел бы и летел, пока не нашел бы преграду или опору, от которой можно было бы снова оттолкнуться и вернутся на Землю. Например, если повезет, ты мог бы оттолкнуться от Луны. Гравитация заставляет вещи падать, а воду стекать вниз по склону.
Гравитация – это не только притяжение Земли, это притяжение всех вещей ко друг к другу. Не только Земля притягивает тебя, но и ты тянешь Землю к себе! Просто, чтобы тянуть сильно, надо обладать очень большой массой: чем массивнее вещь, тем сильнее она притягивает к себе все вокруг. Например, огромное и очень массивное Солнце притягивает Землю и другие планеты.
Гравитация делает нас тяжелыми и придает вес всем вещам вокруг. Но существуют места, где предметы вообще ничего не весят. В космосе, вдали от Земли, Солнца, звезд и других небесных тел гравитация очень слабая. Гравитация сильно действует только вблизи, поэтому чем дальше удаляться от Земли или Солнца, тем слабее их притяжение. В космических кораблях на орбите космонавты находятся в невесомости: они парят и плавают по космическим станциям, словно совсем ничего не весят, как пушинки.
Дело тут правда не в том, что на космонавтов перестает действовать гравитация. Хотя космонавты находятся высоко, но все же не так уж высоко – Международная космическая станция парит всего лишь в 400 км над Землей. Ее притягивает к Земле лишь чуть меньше, чем если бы она стояла на Земле.
Все дело в том, что мы чувствуем гравитацию только тогда, когда сопротивляемся ей. Пока ты упираешься ногами в поверхность площадки, ты сопротивляешься гравитации и чувствуешь ее. Но стоит тебе подпрыгнуть – и на долю секунды, пока ты взлетаешь и падаешь, ты перестаешь ей сопротивляться и оказываешься в невесомости. То же происходит с парашютистами – пока они летят в самолете, они сопротивляются гравитации, упираясь в пол кабины самолета. Но стоит им прыгнуть, они перестают чувствовать гравитацию в своем свободном полете к земле. И с космонавтами происходит похожее чудо. Международная космическая станция и другие аппараты на орбите находятся в свободном падении, просто они все никак не могут упасть на Землю. Они промахиваются мимо Земли, потому что с большой скоростью кружат по орбите. А космонавты внутри станций падают с ними. Так же, как парашютисты в свободном полете или ты во время прыжка на месте, космонавты оказываются в невесомости. Просто намного дольше, чем ты.
Ты можешь почувствовать себя космонавтом не только подпрыгивая. Мы испытываем невесомость, качаясь на качелях: в тот момент, когда они на секунду застыли перед тем, как поменять направление движения и опуститься вниз.
Орбитальная скорость
Что, если при входе в атмосферу тормозить космический корабль до скорости порядка нескольких миль в час с помощью двигателей, похожих на посадочные двигатели марсоходов? [ # ] ↲ Mars-sky-crane — на английском, с картинками. — Прим. пер. ↳ Можно ли тогда отказаться от тепловой защиты?
— Брайан
Возможно ли контролировать вход космического корабля в атмосферу таким образом, чтобы избежать аэродинамического сопротивления, избавившись тем самым от дорогой (и относительно хрупкой) тепловой защиты на обшивке?
— Кристофер Меллоу
Можно ли (небольшую) ракету (с полезной нагрузкой) поднять до такой высоты в атмосфере, где ей хватит небольшого реактивного двигателя, чтобы достичь второй космической скорости?
— Кенни Ван де Меле
Ответы на все эти вопросы вращаются вокруг одной и той же идеи. Я затрагивал ее в прошлых выпусках, но сегодня хочу рассмотреть подробнее:
Основная сложность с выходом на орбиту заключается не в том, что космос высоко.
Попасть на орбиту сложно, потому что нужно двигаться очень быстро.
Космос не такой:
Космос вот такой:
До космоса 100 километров. Это далеко (я бы не хотел карабкаться туда по лестнице), но не настолько далеко. Если вы находитесь в Сакраменто, Сиэтле, Канберре, Калькутте, Хайдарабаде, Пномпене, Каире, Пекине, центральной Японии, центральной Шри-Ланке или в Портленде, космос для вас ближе, чем море.
Отправиться в космос [ 1 ] ↲ А именно, до низкой опорной орбиты: это высота, на которой находится Международная космическая станция и до которой еще долетают шаттлы. w:Низкая опорная орбита. ↳ просто. На вашей машине, конечно, не получится совершить такое путешествие, но все же оно не вызовет больших трудностей. Можно отправить человека в космос с помощью маленькой метеорологической ракеты размером с фонарный столб. Самолет-ракетоплан X-15 [ # ] ↲ Самолет-ракетоплан w:North American X-15. — Прим. пер. ↳ достиг космоса [ 2 ] , ↲ Х-15 достиг 100 километров дважды, оба раза им управлял Джо Уокер. ↳ просто развив достаточно высокую скорость и направив нос чуть вверх [ 3 ] . ↲ Убедитесь, что вы направляете корабль вверх, а не вниз; в противном случае я вам не завидую.
Но попасть в космос легко. Сложно остаться там.
Сила притяжения на околоземной орбите почти такая же, как на поверхности Земли. МКС вовсе не за пределами действия гравитации: на нее действует примерно 90% от силы притяжения, ощущаемой нами на поверхности.
Чтобы избежать падения обратно в атмосферу, нужно двигаться по касательной очень, очень быстро.
Скорость, которую вы должны развить, примерно равна 8 километрам в секунду [ 4 ] . ↲ Немного меньше, если вы находитесь выше на низкой опорной орбите. ↳ Только малая доля энергии ракеты тратится на подъем из атмосферы, основная часть уходит на набор орбитальной скорости (ее тангенциальной составляющей).
Это приводит нас к главной проблеме, мешающей выходу на орбиту: для набора космической скорости нужно намного больше топлива, чем для набора орбитальной высоты. Чтобы разогнать корабль до 8 км/с, нужно много ракет-ускорителей. Достичь космической скорости тяжело; достичь космической скорости, везя на себе топливо для плавного возвращения назад, было бы крайне непрактично [ 5 ] . ↲ Экспоненциальный рост является основной проблемой ракетостроения: топливо, необходимое для увеличения скорости на один км/с увеличивает ваш вес в 1,4 раза. Чтобы добраться до орбиты, вам необходимо достигнуть скорости в 8 км/с, а значит вам понадобится много топлива: в $14\times14\times14\times14\times14\times14\times14\times14\approx 15$ раз больше начального веса корабля. Использование ракет для замедления создаст ту же проблему: каждый км/с уменьшения скорости увеличивает начальную массу на тот же коэффициент — 1,4. Если вы хотите замедлиться до нуля — и мягко упасть в атмосферу — потребность в топливе заставит вас опять умножить вес на 15.
Возмутительные потребности в топливе — вот почему каждый космический корабль, входящий в атмосферу, тормозит, используя тепловые щиты вместо ракет: торможение о воздух является наиболее целесообразным способом замедления (и, отвечая на вопрос Брайана, марсоход Curiosity не был исключением. Несмотря на то, что он использовал ракеты, чтобы парить над поверхностью, в первую очередь марсоход использовал торможение о воздух, чтобы сбросить большую часть скорости).
И все же, 8 км/с — насколько это быстро?
Мне кажется, одна из главных причин путаницы заключается в том, что космонавты на орбите не выглядят двигающимися так быстро: похоже, будто они медленно плывут над голубым шариком.
Но 8 км/с — это молниеносно быстро. Когда смотришь на вечернее небо, иногда можно увидеть МКС, пролетающую мимо… а потом, спустя 90 минут, увидеть ее, пролетающую мимо, снова [ 6 ] . ↲ Существуют неплохие приложения и онлайн-сервисы. Больше всего мне нравится ISS Detector, а используя поиск в Google, вы можете найти много других. ↳ За эти 90 минут МКС облетела всю планету.
МКС движется так быстро, что если выстрелить с одного края футбольного поля [ 7 ] , ↲ Любого вида. ↳ Международная космическая станция пересечет поле до того, как пуля пролетит 10 метров [ 8 ] . ↲ Прием разрешен австралийскими правилами регби.
Давайте посмотрим, как выглядела бы прогулка по поверхности Земли на скорости 8 км/с.
Чтобы лучше почувствовать темп движения, давайте использовать ритм песни 1988 года группы The Proclaimers — Iʼm Gonna Be (500 Miles) [ 9 ] . ↲ Использование тактов для измерения времени также используется в сердечно-легочной реанимации, Stayinʼ Alive от Bee Gees тоже хорошо подходит. ↳ Темп этой песни — примерно 131,9 ударов в минуту, так что представьте себе, что с каждым ударом вы двигаетесь вперед на 3 с лишним километра.
За время звучания первой строчки припева вы сможете пройти от Бронкса до Статуи Свободы.
Потребуется около двух строчек припева (4 такта), чтобы пересечь Ла-Манш между Англией и Францией.
С продолжительностью песни связано странное совпадение. Промежуток от начала до конца Iʼm Gonna Be — 3 минуты 30 секунд [ 10 ] , ↲ На основе длительности официального видео из YouTube. ↳ а МКС двигается со скоростью 7,66 км/с.
Это значит, что если астронавт на МКС будет слушать Iʼm Gonna Be, с первого такта и до последних строк…
…он преодолеет ровно 1000 миль.
Почему МКС падает на Землю?
Мы знаем, что космонавты на МКС «плавают» по станции потому что находятся в невесомости. Но чем вызвана эта невесомость? Ответ «отсутствием гравитации» был бы не совсем верным, так как при полном отсутствии гравитации станция просто уплыла бы в открытый космос.
Космонавты на МКС, как и сама станция, находятся в состоянии свободного падения. Вот как описывает эту ситуацию Википедия: «На высоте 350 км (высота нахождения станции) ускорение свободного падения имеет значение 8,8 м/с², что всего лишь на 10% меньше, чем на поверхности Земли. Состояние невесомости на МКС возникает не „отсутствия гравитации“, а за счёт движения по круговой орбите с первой космической скоростью, то есть космонавты как бы постоянно „падают вперёд“ со скоростью 7,9 км/с.»
Официальный сайт NASA поясняет: «Орбитальная станция движется с такой скоростью, что кривая её падения совпадает с кривизной поверхности Земли. За счёт этого МКС постоянно падает на Землю, но никогда не разбивается об неё. По этой же причине Луна вращается по орбите вокруг Земли, а Земля — вокруг Солнца.»