Эффект Кесслера и еще 10 терминов из космонавтики, которые необходимо знать

Орбита

Орбиту можно обозначить как путь небесного тела в гравитационном поле другого тела. Притяжение небесного тела не позволяет спутнику улететь, а центробежная сила не дает ему упасть. Орбиты есть у искусственных спутников Земли, и у спутников планет. Земля движется по орбите вокруг Солнца. Но и само наше светило движется по орбите вокруг центра Галактики. Один оборот Солнце делает за 225–250 миллионов лет, двигаясь по своей орбите со скоростью 217 км/с. Движется и Галактика. Ее скорость относительно фонового реликтового излучения составляет 552 км/с. Но, вероятнее всего, это не орбитальная скорость. Как полагают ученые, Млечный Путь и соседние галактики движутся в сторону Великого Аттрактора, являющегося центром тяжести Ланиакеи, сверхскопления галактик, которое, конечно, уже сложно назвать нашим домом, но нашим районом можно.

Для того чтобы спутник мог находиться на орбите достаточно долго, его скорость должна быть равна или превышать первую космическую, но не быть больше второй космической скорости. Если скорость спутника Земли будет меньше, он упадет на поверхность планеты, если больше, то он уже станет спутником Солнца.

Суборбитальный полет

Первые полеты в космос зачастую не были орбитальными полетами. То есть космический корабль пересекал линию Кармана – условную границу атмосферы и космического пространства, – но искусственным спутником Земли так и не становился. Так, например, первый американец в космосе Алан Шепард совершил именно суборбитальный полет.

Спустя три недели после полета Юрия Гагарина 5 мая 1961 года ракета-носитель  «Редстоун» вывела космический корабль «Меркурий-Редстоун-3» с Аланом Шепардом на борту в космос. Космический корабль достиг высоты 186,5 километра, после чего совершил посадку в океане. Всего полет продлился около 15,5 минут. Из них примерно 5 минут Шепард находился в состоянии невесомости.  Гагарин же находился в космосе 1 час 48 минут. И, в отличие от американского корабля, «Восток-1» совершил один виток вокруг планеты, после чего совершил управляемый спуск на Землю.

Суборбитальные полеты весьма перспективны с точки зрения туризма. По сравнению с полноценными полетами в космос, они представляются более дешевыми. Американская компания Blue Origin как раз и делает ставку именно на них. Многоразовый корабль и ракета для суборбитальных полетов, создаваемые компанией, названы именно в честь Шепарда – New Shepard. Согласно устоявшемуся определению, суборбитальный полет – это космический полет летательного аппарата по баллистической траектории со скоростью, меньшей первой космической. То есть такой скоростью, которой недостаточно для вывода на орбиту искусственного спутника Земли.

Космическая скорость

Так почему же освоение космоса для некоторых стран началось с суборбитальных полетов? Просто для вывода спутника на орбиту требуется достичь большей скорости на старте, а следовательно, требуется ракета большей мощности, чем для «простого» полета в космос. Сравните хотя бы ракеты New Shepard и Falcon 9. Первая космическая скорость для нашей планеты равна 7,9 км/с. А вот чтобы преодолеть тяготение Земли, например для запуска автоматических межпланетных станций, требуется достичь скорости 11,2 км/с.

Для каждого небесного тела имеются свои значения космических скоростей. Луна намного менее массивная, чем Земля, и поэтому и первая, и вторая космические скорости здесь меньше. Для того чтобы выйти на окололунную орбиту (например для того чтобы вернуться с поверхности Луны на корабль, оставшийся на окололунной орбите), требуется скорость 1,7 км/с. Чтобы начать полет к Земле, – уже 2,4 км/с.

Геостационарная орбита

Геостационарная орбита (ГСО), наверное, самая «дорогая» орбита из всех, находящихся в околоземном пространстве. Количество мест на ней ограничено объективными причинами. Ее длина – 264 924 км, и находиться на ней могут только определенное количество спутников, чтобы не мешать друг другу. Неслучайно некоторые экваториальные страны в разное время предъявляли свои «территориальные» претензии на ГСО. Взять под свой суверенитет орбиту пытались Бразилия, Колумбия, Индонезия, Конго, Кения и другие страны.

Уникальность орбиты обусловлена тем, что она проходит строго над экватором и только на одной высоте – 35 786 км над уровнем моря. Только на этой высоте спутник, обращающийся в направлении вращения Земли, имеет период обращения, равный периоду вращения Земли. Это позволяет спутнику как бы зависать над одной точкой. Для наблюдателя с Земли он будет все время находиться в одной точке неба – точке стояния. А если так, то это позволяет для приема сигнала, и в первую очередь телевизионного, использовать сравнительно простую и недорогую аппаратуру – спутниковые тарелки. К слову, точка стояния спутника Eutelsat 36B, с которого осуществляется вещание на европейскую часть России «Триколор ТВ» – 36° в. д. Это непосредственно над территорией Кении.  

Высокая эллиптическая орбита

Конечно, геостационарная орбита имеет много преимуществ. Но все же спутниковое телевещание в нашей стране началось не с нее. Первый советский спутник связи «Молния-1» был выведен на высокую эллиптическую орбиту. Ее апогей (максимальная высота) достигал 40 000 километров и на каждом втором витке находился над территорией СССР. Наклонение орбиты составляло 63,4°. Благодаря этому спутник хорошо был виден принимающими станциями практически на всей территории страны.

Конечно, о приеме сигнала на антенны, подобные современным спутниковым тарелкам, и речи быть не могло. В отличие от геостационарных спутников, «зависших» в одной точке, «Молния-1» постоянно перемещался по небу. Траекторию спутника в небе непрерывно отслеживали большие параболические антенны, поворачиваясь вслед его движению.

Такая орбита была выбрана по двум причинам. На тот момент, а это начало 60-х годов, СССР просто не располагал ракетами-носителями, способными выводить спутники на геостационарную орбиту. Другая причина была в том, что геостационарная орбита не позволяет обеспечить телевещание и связь в высоких широтах и в районах Крайнего Севера.

Наклонение орбиты

Как уже было сказано, наклонение орбиты «Молния» составляло 63,4°. Наклонение геостационарной орбиты – 0°. Как видно из этого сравнения, наклонение орбиты искусственного спутника Земли – это угол между плоскостью его орбиты и плоскостью экватора планеты. Геостационарные спутники расположены прямо над экватором, поэтому и наклонение их орбиты нулевое. Как и в случае с орбитой «Молния», наклонение орбиты имеет важное практическое значение.

Российская Национальная орбитальная космическая станция, которая, возможно, придет на смену МКС после 2024 года, как предполагается, будет использовать орбиту с наклонением примерно как у первых спутников связи (64,8 градуса). Это, в частности, позволит с большей эффективностью доставлять грузы с космодромов, расположенных на российской территории.  

Искусственный спутник Земли и автоматическая межпланетная станция

Как правило, понятия «спутник» и «космический аппарат» отождествляются. Но, строго говоря, это не совсем одно и то же. Под спутником мы понимаем в первую очередь искусственный спутник Земли (ИСЗ) – космический летательный аппарат, вращающийся вокруг Земли по геоцентрической орбите. Космический аппарат – более широкое понятие, оно применяется в качестве общего названия технических устройств, используемых для выполнения разнообразных задач в космическом пространстве.

Космический аппарат, летящий к Юпитеру, конечно, тоже можно назвать спутником – спутником Солнца, его траектория движения принимает вид орбиты вокруг Солнца. Но, как правило, такие аппараты называют зондами, или автоматическими межпланетными станциями. Автоматическая межпланетная станция (АМС) – это космический аппарат, предназначенный для полета в межпланетном космическом пространстве (не по геоцентрической орбите).

Гравитационный маневр

Автоматическая межпланетная станция – это практически единственный на сегодня способ добраться до планет Солнечной системы. АМС «Луна-1», первая покинувшая зону притяжения Земли в 1959 году, и АМС «Юнона», достигшая орбиты Юпитера в этом году, – тому пример. Но мало кто задумывается, что к своим целям межпланетные зонды летают совсем не по прямой, а для полета используют не только двигатели, но и гравитацию планет посредством гравитационных маневров.

Гравитационный маневр – это разгон, замедление или изменение направления полета космического аппарата под действием гравитации небесных тел. Как правило, используется для экономии топлива и дополнительного разгона. Так, АМС «Юнона» в ходе полета к Юпитеру возвращалась к Земле и в результате гравитационного маневра в 2013 году увеличила свою скорость почти в три раза. И только после этого отправилась к своей цели.

Орбита захоронения

Срок службы спутников на орбите составляет несколько лет. Некоторые из них, расположенные на низких орбитах, после завершения своей миссии входят в атмосферу Земли и сгорают. Хотя в некоторых случаях обломки долетают до поверхности Земли. Как это было, например, со станцией «Мир». Но космические аппараты, расположенные на более высоких орбитах, могут находиться на них тысячелетиями. Что, естественно, мешает следующим космическим полетам. Особенно это актуально для геостационарной орбиты, которая, как известно, не безразмерная. Поэтому перед окончанием срока службы космические аппараты на остатках топлива уводят на так называемую орбиту захоронения. Это уменьшает вероятность столкновения с другими спутниками и освобождает место на орбите. Для геостационарных спутников такая орбита расположена на высоте на 200 км выше ГСО.

Эффект Кесслера

С момента вывода первого спутника в космос на орбите осталось огромное количество искусственных объектов: отслужившие свой срок спутники, отработанные ступени ракет, разгонные блоки, обломки взорвавшихся космических аппаратов и фрагменты, образовавшиеся в результате столкновения спутников. Рано или поздно засорение околоземной орбиты космическим мусором приведет к тому, что ближний космос станет полностью непригоден для практического использования. Такой сценарий неблагоприятного развития ситуации (впоследствии названный его именем) впервые детально описал консультант NASA Дональд Кесслер.

Коварство синдрома Кесслера еще и в том, что чем больше объектов на орбите, тем больше вероятность их столкновения. Если произойдет столкновение двух достаточно больших объектов, то это приведет к появлению большого количества осколков. И каждый из них способен, в свою очередь, столкнуться с другими. Цепная реакция вызовет появление все новых и новых обломков, а следовательно, появление все большего количества космического мусора.