Починаючи з 50-х років з програми Sputnik, Vostok і Mercury, люди почали «ковзати неземні зв’язки Землі». І певний час усі наші місії були відомими як низькоземна орбіта (LEO). З часом, з місіями "Аполлон" і глибококосмічними місіями з участю роботизованих космічних кораблів (як Вояджерські місії) ми почали ризикувати далі, досягнувши Місяця та інших планет Сонячної системи.
Але, за великим рахунком, переважна більшість місій у космос протягом багатьох років - незалежно від того, чи були вони екіпажами чи відкручені - були на орбіті низької Землі. Тут розташований величезний масив зв'язку Землі, навігації та військових супутників Землі. І саме тут проводить свої операції Міжнародна космічна станція (МКС), куди сьогодні відправляється більшість екіпажів. Отже, що таке LEO і чому ми так маємо намір відправляти речі туди?
Визначення:
Технічно об'єкти на низькій орбіті Землі знаходяться на висоті від 160 до 2000 км (99 до 1200 миль) над земною поверхнею. Будь-який об'єкт нижче цієї висоти буде страждати від орбітального занепаду і швидко спуститься в атмосферу, або згоряючи, або розбиваючись на поверхню. Об'єкти на цій висоті також мають орбітальний період (тобто час, який знадобиться їм для обертання Землі один раз) між 88 і 127 хвилинами.
Об'єкти, що знаходяться на низькій орбіті Землі, піддаються атмосферному тягу, оскільки вони все ще знаходяться у верхніх шарах атмосфери Землі - зокрема термосфери (80 - 500 км; 50 - 310 миль), термопаузі (500-1000 км; 310- 620 миль) та екзосфера (1000 км; 620 миль і далі). Чим вище орбіта об'єкта, тим менша щільність та атмосферне тяжіння 1 атмосфери.
Однак, за межі 1000 км (620 миль) об'єкти будуть підлягати Земним радіаційним поясам Ван Аллена - зоні заряджених частинок, що простягається на відстань 60 000 км від поверхні Землі. У цих поясах сонячне вітер та космічні промені були захоплені магнітним полем Землі, що призводить до різного рівня випромінювання. Отже, чому місії до LEO мають на меті ставлення між 160 до 1000 км (99 - 620 миль).
Характеристики:
У межах термосфери, термопаузи та екзосфери атмосферні умови змінюються. Наприклад, у нижній частині термосфери (від 80 до 550 кілометрів; 50 до 342 миль) міститься іоносфера, яку так називають, оскільки саме тут в атмосфері частинки іонізуються сонячним випромінюванням. Як результат, будь-який космічний корабель, що орбітає в цій частині атмосфери, повинен мати змогу протистояти рівням УФ та випромінювання твердих іонів.
Температури в цьому регіоні також зростають із зростанням, що пояснюється надзвичайно низькою щільністю його молекул. Отже, хоча температура в термосфері може піднятися до 1500 ° C (2700 ° F), відстань молекул газу означає, що людині, яка безпосередньо контактувала з повітрям, не було б спекотно. Саме на цій висоті, як відомо, мають місце явища, відомі як Aurora Borealis і Aurara Australis.
Екзосфера, що є найвіддаленішим шаром атмосфери Землі, простягається від екзобази і зливається з порожнечею космічного простору, де немає атмосфери. Цей шар в основному складається з надзвичайно низької щільності водню, гелію та декількох важчих молекул, включаючи азот, кисень та вуглекислий газ (які ближче до екзобази).
Для підтримки орбіти з низьким рівнем Землі об'єкт повинен мати достатню орбітальну швидкість. Для об'єктів на висоті 150 км і вище повинна підтримуватися орбітальна швидкість 7,8 км (4,84 милі) в секунду (28,130 км / год; 17,480 миль / год). Це трохи менше швидкості втечі, необхідної для виходу на орбіту, яка становить 11,3 кілометра в секунду (40 680 км / год; 25277 миль / год).
Незважаючи на те, що сила тяжіння в ЛЕО не значно менша, ніж на поверхні Землі (приблизно 90%), люди і предмети на орбіті знаходяться в постійному стані вільного падіння, що створює відчуття невагомості.
Використання LEO:
У цій історії космічних досліджень переважна більшість місій людини були на Орбіті низької Землі. Міжнародна космічна станція також обертається в ЛЕО, на висоті від 320 до 380 км (200 і 240 миль). І LEO - це те, де більшість штучних супутників розміщені та підтримуються. Причини цього досить прості.
Для одного, розміщення ракет і космічних човників на висоті понад 1000 км (610 миль) вимагало б значно більше пального. І в межах LEO, супутники зв'язку та навігації, а також космічні місії відчувають високу пропускну здатність і малий затримку в часі зв'язку (ака. Затримка).
Що стосується спостереження за Землею та шпигунських супутників, ЛЕО ще досить низький, щоб добре роздивитись поверхню Землі та вирішити на поверхні великі об'єкти та погодні структури. Висота також дозволяє швидкі орбітальні періоди (трохи більше однієї години до двох годин), що дозволяє їм за один день бачити одну і ту ж область на поверхні кілька разів.
І звичайно, на висотах від 160 до 1000 км від поверхні Землі об'єкти не піддаються сильному випромінюванню поясів Ван-Аллена. Коротше кажучи, LEO - це найпростіша, найдешевша та найбезпечніша локація для розміщення супутників, космічних станцій та космічних місій, що експлуатуються.
Проблеми з космічним сміттям:
Через свою популярність як напрямків для супутників і космічних місій, а також із збільшенням космічних пусків за останні кілька десятиліть, LEO також стає все більш переповненим космічним сміттям. Це має форму викинутих ракетних ступенів, непрацюючих супутників та уламків, утворених зіткненнями між великими шматками сміття.
Існування цього сміттєвого поля в ЛЕО призвело до посилення занепокоєння в останні роки, оскільки зіткнення на великих швидкостях можуть бути катастрофічними для космічних місій. І при кожному зіткненні створюється додаткове сміття, створюючи руйнівний цикл, відомий як ефект Кесслера - який названий на честь вченого NASA Дональда Дж. Кесслера, який вперше запропонував це в 1978 році.
У 2013 році NASA підрахувала, що може бути аж 21 000 шматочків сміття більше 10 см, 500 000 частинок від 1 до 10 см і більше 100 мільйонів менше 1 див. Як результат, в останні десятиліття було вжито численні заходи щодо моніторингу, запобігання та пом’якшення космічного сміття та зіткнення.
Наприклад, у 1995 році NASA стала першим космічним агентством у світі, яке випустило набір комплексних вказівок щодо пом'якшення орбітального сміття. У 1997 році уряд США відгукнувся, розробивши Стандартні методики зменшення орбітального сміття, засновані на настановах NASA.
NASA також створило програмне бюро з орбітального сміття, яке координує з іншими федеральними департаментами моніторинг космічного сміття та боротьбу з порушеннями, спричиненими зіткненнями. Крім того, Мережа космічного спостереження США в даний час контролює близько 8000 об єктів на орбіті, які вважаються небезпекою зіткнення, і забезпечує безперервний потік даних орбіти до різних агентств.
Офіс космічного сміття Європейського космічного агентства (ESA) також підтримує базу даних та інформаційну систему, що характеризує об'єкти в космосі (DISCOS), яка надає інформацію про деталі запуску, орбітальні історії, фізичні властивості та описи місій для всіх об'єктів, які в даний час відстежуються ESA. Ця база даних є міжнародно визнаною і її використовують майже 40 агентств, організацій та компаній у всьому світі.
Понад 70 років орбіта з низькою землею була майданчиком простору людини. Іноді ми заходили за межі майданчика і далі в Сонячну систему (і навіть далі). У найближчі десятиліття очікується, що в LEO відбудеться значно більша активність, яка включає розміщення більшої кількості супутників, кубатів, продовження операцій на МКС і навіть аерокосмічний туризм.
Потрібно сказати, що для цього збільшення активності вимагатиме, щоб ми зробили щось про всі мотлохи, що пронизували космічні смуги. З більшою кількістю космічних агентств, приватних космічних компаній та інших учасників, які прагнуть скористатися LEO, потрібно буде провести серйозну очистку. І деякі додаткові протоколи, безумовно, повинні бути розроблені, щоб переконатися, що він залишається чистим.
Ми написали багато цікавих статей про орбіту Землі тут у космічному журналі. Ось яка орбіта Землі? Яка високий космос? Скільки супутників у космосі? Північне та Південне сяйво - Що таке Аврора? і що таке Міжнародна космічна станція?
Якщо вам потрібна додаткова інформація на низькій орбіті Землі, перегляньте типи орбіти на веб-сайті Європейського космічного агентства. Також ось посилання на статтю НАСА про низьку орбіту Землі.
Ми також записали цілий епізод "Астрономічної ролі" про те, як обійти Сонячну систему. Слухайте тут, Епізод 84: Обхід Сонячної системи.
Джерела:
- НАСА - Що таке орбіта?
- ESA - типи орбіти
- Вікіпедія - низька орбіта Землі
- Космічне майбутнє - потрапляння на низькоземну орбіту
