Самые необычные космические аппараты на орбите

Спустя три года после того, как СССР вывел на орбиту первый искусственный спутник Земли, США запустили в космос космический аппарат, который считается первым спутником связи. Эхо-1 представлял из себя сферический «спутник-воздушный шар» (спутник-баллон). Его металлизированная оболочка из тонкой полиэфирной пленки толщиной 0,127 мм с алюминиевым напылением выполняла функции пассивного ретранслятора. Диаметр спутника составлял 30,5 метров. Это почти как высота 10–11-этажного дома. Какое-либо оборудование для приема и дальнейшей передачи сигнала на аппарате отсутствовало. Ретрансляция радиосигнала обеспечивалась путем отражения радиоволн от металлизированной оболочки спутника.

Спутник был выведен на орбиту ракетой-носителем Delta в сложенном состоянии. После выведения на орбиту внутрь сферы закачивался ацетальдегид, который, газифицируясь в вакууме, наполнял оболочку. Разработчиком и оператором спутника был НАСА (Национальный консультативный комитет по аэронавтике) – предшественник NASA. Помимо исследований в области связи спутник был предназначен и для изучения плотности экзосферы Земли – внешней части верхней атмосферы планеты, расположенной выше 700 км.

Эхо-1 имел большой размер и, соответственно, значительную парусность, в результате чего быстро тормозился в верхней атмосфере. На момент запуска аппарата перигей орбиты составлял 1 519 км, апогей – 1 687 км. За первые пять месяцев полета практически круговая орбита превратилась в эллиптическую (перигей – 900 км, апогей – 2 200 км). За следующие полгода форма орбиты вновь возвратилась к почти круговой. Эволюция орбиты позволила установить многие характеристики среды на высоте нахождения аппарата. Обнаружить периодические изменения плотности верхней атмосферы планеты вследствие влияния солнечного ветра.

Сошел с орбиты и разрушился спутник спустя восемь лет поле запуска в мае 1968 года. Эхо-1 был не единственным подобным космическим аппаратом на заре космонавтики, через четыре года после его запуска на орбиту был отправлен Эхо-2, диаметр сферы которого составил уже 41 метр. А в 1966 году на орбиту был отправлен космический аппарат Pageos.

Как правило, срок жизни космических аппаратов на орбите исчисляется несколькими годами. Но в некоторых случаях это не так. Аппарат LAGEOS (LAser GEOdynamics Satellite), запущенный в 1976 году, будет находиться на своей орбите около 8 миллионов лет.

Впрочем, стоит надеяться, что именно наши потомки будут жить к этому моменту на планете, а не какая-либо новая цивилизация.

Такое предполагаемое долгожительство спутника не случайно. Космический аппарат имеет небольшую площадь поперечного сечения – примерно 60 см. Это позволяет уменьшить воздействие аэродинамического торможения и давления солнечного ветра. В отличие от Эхо-1 и Эхо-2, он имеет минимальную «парусность». Выбранная масса спутника, состоящего из тяжелой латунной сердцевины и легкой алюминиевой оболочки, составляет 410 кг и призвана уменьшить изменение орбиты под влиянием аномалий гравитационного поля Земли. Кроме этого, для спутника выбрана достаточно высокая орбита – около 5 880 км. Впрочем, это не значит, что спутник будет использоваться все восемь миллионов лет. LAGEOS был рассчитан на использование в течение 50 лет. В октябре 1992 года NASA с помощью МТКК «Спейс шаттл» вывело на орбиту его преемника – космический аппарат LAGEOS-2.

Естественно, цель этих запусков не рекорды в сфере космического долгожительства. LAGEOS предназначен для изучения геодинамики (смещение земной коры, сдвиг тектонических плит и т. д.) и уточнения параметров гравитационного поля планеты. Так же, как и Эхо-1, LAGEOS – пассивный спутник. Равномерно расположенные на оболочке спутника 426 уголковых отражателей возвращает лазерный луч, посылаемый с наземных лазерных установок. Это позволяет вычислить положение космического аппарата с высокой точностью.

Космическим аппаратам и кораблям крылья, как правило, не нужны. Крыло – это аэродинамическая поверхность для создания подъемной силы. Но в космосе атмосфера становится настолько разреженной, так что аэродинамическая авиация становится уже невозможной. Космическому кораблю «Буран» крылья были необходимы лишь на последнем этапе полета: после возвращения в плотные слои атмосферы и при посадке. В то же время и среди спутников есть такие, которые необходимо оснащать крыльями.

GOCE (Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer) – научно-исследовательский спутник, запущенный в марте 2009 года с космодрома Плесецк по заказу ЕКА, имеет необычную форму. Высота орбиты, на которую был выведен космический аппарат, – около 260 км. Это достаточно низкая орбита. К примеру, МКС находится на высоте  413–418 км. При этом каждый раз, при посещении станции транспортными кораблями, ее орбита поднимается выше, так как вследствие сопротивления атмосферы и под воздействием силы притяжения Земли она снижается на 150–200 метров.

Такая низкая орбита потребовала от разработчиков космического аппарата нестандартных конструкторских решений. Для того чтобы сохранять ориентацию аппарата и уменьшить торможение в атмосфере планеты, которая хоть и разреженная, но дает о себе знать, спутнику придали стрелообразную форму, оснастив его «крыльями-плавниками». Кроме этого, для того чтобы компенсировать атмосферное торможение и другие негравитационные воздействия, космический аппарат был оснащен непрерывно работавшим ионным двигателем. Спутники практически всегда оснащаются двигателями. Но они предназначены для периодических включений – смены орбиты или ориентации.

GOCE был предназначен для исследования гравитационного поля нашей планеты и после выполнения своей миссии сгорел в плотных слоях атмосферы  в ночь с 10 на 11 ноября 2013 года.

В том, что маленькая Эстония запускает свои спутники, на самом деле нет ничего удивительного. Необычен спутник по другой причине. Это первый в мире спутник, который должен был использовать электрический парус. Технология таких парусов предложена в соседней Финляндии физиком Пеккой Янхуненом.

Хотя такой парус не является парусом в прямом смысле этого слова, определенные параллели провести можно. Вместо обычного ветра здесь используется солнечный ветер – поток мегаионизированных частиц, истекающих из солнечной короны. Вместо ткани – положительно заряженные тросы, которые отталкивают ионы солнечного ветра. Это, в свою очередь, должно приводить к передаче импульса от ионов к электрическому парусу и в результате к разгону или изменению ориентации корабля. Кстати, не стоит путать электрический парус с солнечным. Последний, приводится в движение непосредственно фотонами солнечного света. Основной задачей космического аппарата было тестирование электрического паруса, но он так и не раскрылся. ESTCube-1 все еще находится на орбите. Ожидается, что к 2036 году спутник войдет в земную атмосферу и сгорит.

К слову, сделан космический аппарат по набирающей популярность технологии CubeSat. Такие спутники выполнены в форме куба с гранью 10 см. Они имеют стандартный объем 1 литр и массу, не превышающую 1,33 кг. Формат позволяет упростить и удешевить создание спутников. На спутниках, созданных по спецификации CubeSat, можно размещать различные научные приборы. Неудивительно, что он стал широко популярен при создании университетских, частных и радиолюбительских спутников. Некоторые кубсаты, как и ESTCube-1, стали первыми национальными спутниками своих стран.

Разведка – одно из основных предназначений космических аппаратов, работающих на орбите. Первый спутник-шпион был отправлен на орбиту американцами уже в феврале 1959 года, через 5 месяцев после вывода на орбиту первого ИСЗ «Спутник-1» и почти через месяц после запуска Explorer-1 – первого американского спутника.

Для слежения за наземными объектами потенциального противника, в основном СССР и Китая, в США была создана космическая программа оборонного назначения – Corona. В рамках программы было запущено 144 спутника, но только 102 из них были удачными. Современные космические разведчики передают полученные изображения на Землю посредством радиосвязи. Спутники-шпионы первого поколения использовали фотопленку, и отснятый материал требовалось каким-либо образом вернуть на Землю.

Контейнеры с отснятой фотопленкой возвращались в спускаемой капсуле. Капсула отделялась от космического аппарата на высоте 167–182 км. На высоте 18–20 км происходило раскрытие «малого парашюта», и уже на высоте 15–16 км раскрывался основной парашют.

А вот дальше происходило самое интересное и сложное. Спускаемую капсулу нужно было поймать. Специально оборудованный для этой цели самолет C-119, оснащенный лебедкой и крюком, «подхватывал» капсулу на лету уже на высоте 4,5 км. Иногда поймать капсулу с пленкой не удавалось. В этом случае в дело вступали корабли ВМФ США. Но, по соображениям безопасности, корпус капсулы частично был сделан из растворимых в воде материалов. Если капсулу на поверхности воды найти не удавалось, то она просто тонула.