Начиная с 1950-х годов с помощью программ «Спутник», «Восток» и «Меркурий», люди начали «проскальзывать уродливые узы Земли». И какое-то время все наши миссии были так называемой Низкоорбитальной орбитой (LEO). Со временем, с миссиями Аполлона и дальнего космоса с участием роботов космических кораблей Вояджерские миссии), мы начали рисковать дальше, достигнув Луны и других планет Солнечной системы.
Но в целом подавляющее большинство полетов в космос на протяжении многих лет - будь то экипаж или экипаж - были на низкой околоземной орбите. Именно здесь находится огромное множество спутников связи, навигации и военных спутников Земли. И именно здесь Международная космическая станция (МКС) проводит свои операции, что также является местом, где сегодня проходит большинство миссий с экипажем. Так что же такое LEO и почему мы так стремимся отправлять туда вещи?
Определение:
Технически, объекты на околоземной орбите находятся на высоте от 160 до 2000 км (от 99 до 1200 миль) над поверхностью Земли. Любой объект ниже этой высоты будет страдать от орбитального распада и будет быстро падать в атмосферу, сгорая или падая на поверхность. Объекты на этой высоте также имеют период обращения (т. Е. Время, которое им понадобится для того, чтобы совершить один оборот вокруг Земли) от 88 до 127 минут.
Объекты, находящиеся на низкой околоземной орбите, подвержены атмосферному сопротивлению, поскольку они все еще находятся в верхних слоях земной атмосферы - в частности, в термосфере (80–500 км; 50–310 миль), там наступает пауза (500–1000 км; 310– 620 миль) и экзосфера (1000 км; 620 миль и более). Чем выше орбита объекта, тем ниже плотность атмосферы и сопротивление.
Однако за пределами 1000 км (620 миль) объекты будут подвергаться воздействию радиационных поясов Земли Аллена - зоны заряженных частиц, которая простирается на расстояние 60 000 км от поверхности Земли. В этих поясах солнечный ветер и космические лучи были захвачены магнитным полем Земли, что привело к различным уровням излучения. Следовательно, почему миссии в LEO стремятся к отношениям от 160 до 1000 км (от 99 до 620 миль).
Характеристики:
В термосфере, термопаузе и экзосфере атмосферные условия меняются. Например, нижняя часть термосферы (от 80 до 550 километров; от 50 до 342 миль) содержит ионосферу, которая называется так потому, что именно здесь, в атмосфере, частицы ионизируются солнечным излучением. В результате любой космический корабль, находящийся на орбите в этой части атмосферы, должен выдерживать уровни ультрафиолетового излучения и излучения жестких ионов.
Температура в этой области также увеличивается с высотой, что связано с чрезвычайно низкой плотностью ее молекул. Таким образом, хотя температура в термосфере может подняться до 1500 ° C (2700 ° F), расстояние между молекулами газа означает, что человеку, который находится в непосредственном контакте с воздухом, не будет жарко. Также на этой высоте, как известно, имеют место явления, известные как Aurora Borealis и Aurara Australis.
Экзосфера, которая является самым внешним слоем атмосферы Земли, простирается от экзобазы и сливается с пустотой космического пространства, где нет атмосферы. Этот слой в основном состоит из чрезвычайно низких плотностей водорода, гелия и нескольких более тяжелых молекул, включая азот, кислород и углекислый газ (которые ближе к экзобазе).
Для поддержания низкой околоземной орбиты объект должен иметь достаточную орбитальную скорость. Для объектов на высоте 150 км и выше необходимо поддерживать орбитальную скорость 7,8 км (4,84 мили) в секунду (28 130 км / ч; 17 480 миль в час). Это немного меньше, чем скорость выхода, необходимая для выхода на орбиту, которая составляет 11,3 км (7 миль) в секунду (40 680 км / ч; 25277 миль в час).
Несмотря на то, что сила притяжения в LEO не значительно меньше, чем на поверхности Земли (примерно 90%), люди и объекты на орбите находятся в состоянии постоянного падения, что создает ощущение невесомости.
Использование LEO:
В этой истории освоения космоса подавляющее большинство человеческих миссий были на низкой околоземной орбите. Международная космическая станция также находится на орбите в LEO между высотой от 320 до 380 км (от 200 до 240 миль). А LEO - это место, где развернуто и поддерживается большинство искусственных спутников. Причины этого довольно просты.
С одной стороны, развертывание ракет и космических кораблей на высотах свыше 1000 км (610 миль) потребовало бы значительно большего количества топлива. А в LEO спутники связи и навигации, а также космические миссии испытывают высокую пропускную способность и малую задержку связи (или латентность).
Для наблюдения Земли и шпионских спутников LEO все еще достаточно низок, чтобы хорошо рассмотреть поверхность Земли и разрешить крупные объекты и погодные условия на поверхности. Высота также учитывает быстрые орбитальные периоды (от чуть более часа до двух часов), что позволяет им иметь возможность просматривать один и тот же регион на поверхности несколько раз в течение одного дня.
И, конечно же, на высоте от 160 до 1000 км от поверхности Земли объекты не подвержены интенсивному излучению поясов Ван Аллена. Короче говоря, LEO - это самое простое, дешевое и безопасное место для размещения спутников, космических станций и космических миссий с экипажем.
Проблемы с космическим мусором:
Из-за своей популярности в качестве пунктов назначения для спутников и космических миссий, а также из-за увеличения количества запусков в космос за последние несколько десятилетий LEO также все больше заполняется космическим мусором. Это принимает форму выброшенных ступеней ракеты, неработающих спутников и мусора, созданного в результате столкновений между большими частями мусора.
Существование этого мусорного поля в LEO в последние годы вызывает растущую обеспокоенность, поскольку столкновения на высоких скоростях могут быть катастрофическими для космических полетов. И при каждом столкновении создается дополнительный мусор, создавая разрушительный цикл, известный как эффект Кесслера - который назван в честь ученого НАСА Дональда Дж. Кесслера, который впервые предложил его в 1978 году.
В 2013 году НАСА подсчитало, что может быть до 21 000 битов размером более 10 см, 500 000 частиц размером от 1 до 10 см и более 100 миллионов менее 1 см. В результате в последние десятилетия были предприняты многочисленные меры по мониторингу, предотвращению и уменьшению космического мусора и столкновений.
Например, в 1995 году НАСА стало первым космическим агентством в мире, выпустившим комплексное руководство по уменьшению орбитального мусора. В 1997 году правительство США отреагировало на это разработкой Стандартной практики по уменьшению орбитального мусора на основе руководящих принципов НАСА.
НАСА также создало офис Программы орбитального мусора, который координирует свою деятельность с другими федеральными департаментами для мониторинга космического мусора и устранения сбоев, вызванных столкновениями. Кроме того, Сеть космического наблюдения США в настоящее время контролирует около 8000 объектов на орбите, которые считаются опасными для столкновения, и обеспечивает непрерывный поток данных об орбите различным учреждениям.
Бюро по космическому мусору Европейского космического агентства (ЕКА) также поддерживает базу данных и информационную систему, характеризующую объекты в космосе (DISCOS), которая предоставляет информацию о деталях запуска, истории орбит, физических свойствах и описаниях миссий для всех объектов, отслеживаемых в настоящее время ЕКА. Эта база данных признана во всем мире и используется почти 40 агентствами, организациями и компаниями по всему миру.
На протяжении более 70 лет Низкая околоземная орбита была площадкой космических возможностей человека. В некоторых случаях мы выходили за пределы игровой площадки и дальше в Солнечную систему (и даже за ее пределы). В ближайшие десятилетия ожидается, что в LEO будет значительно больше активности, включая развертывание большего числа спутников, кубов, продолжение операций на борту МКС и даже аэрокосмический туризм.
Само собой разумеется, что это увеличение активности потребует, чтобы мы что-то сделали со всем мусором, пронизывающим космические полосы. Поскольку все больше космических агентств, частных аэрокосмических компаний и других участников стремятся воспользоваться преимуществами LEO, потребуется провести серьезную очистку. И некоторые дополнительные протоколы, безусловно, должны быть разработаны, чтобы убедиться, что он остается чистым.
Мы написали много интересных статей об орбите Земли здесь, в журнале Space. Вот что такое орбита Земли? Как высоко космос? Сколько спутников находится в космосе? Северное и южное сияние. Что такое Аврора? и что такое Международная космическая станция?
Если вам нужна дополнительная информация о низкой околоземной орбите, ознакомьтесь с типами орбит на веб-сайте Европейского космического агентства. Кроме того, вот ссылка на статью НАСА о низкой околоземной орбите.
Мы также записали целую серию «Астрономических ролей», посвященных «Обходу вокруг Солнечной системы». Послушайте, Эпизод 84: Обход Солнечной системы.
Источники:
- НАСА - Что такое орбита?
- ЕКА - Типы Орбиты
- Википедия - низкая околоземная орбита
- Космическое будущее - выход на околоземную орбиту
