Семь ступенек до Луны: обзор значимых высот и орбит

Высота Баумгартнера – 39 километров  

14 октября 2012 года австрийский экстремал и парашютист Феликс Баумгартнер поднялся в стратосферу на высоту 38 969 метров над уровнем моря и совершил прыжок с парашютом. Это был совсем не обычный прыжок, и место, откуда он был совершен, тоже.

Герметизированная стеклопластиковая капсула, прикрепленная к воздушному шару, наполненному гелием, подняла Баумгартнера на высоту, выше которой не летают самолеты (до 20 км) и практически не поднимаются облака. Даже озоновый слой (а он на высоте от 20 до 30 км над Землей) остался под ним.

Уже на высоте 19 километров вода кипит при температуре человеческого тела, а начиная с 35 километров – при 0°C. Выше вода уже не может находиться в жидком состоянии. Дыхание без специальной аппаратуры невозможно, а по ярким звездам можно ориентироваться даже днем. Это стратосфера.

Почти космос. Хотя для кого-то уже. Американская компания World View Enterprises планирует отправлять туристов в стратосферу в ближайшее время. Подобные околокосмические путешествия рассматриваются как бюджетная альтернатива туристическим полетам в космос.

Конечно, покоряли стратосферу и до Баумгартнера. Предыдущий рекорд, продержавшийся почти 50 лет, был установлен советским парашютистом Евгением Андреевым 1 ноября 1962 года. Прыгал он тогда с высоты 25,5 километров.

А уже через 2 года после прыжка Баумгартнера, 24 октября 2014 года, вице-президент компании Google Алан Юстас поднялся на еще большую высоту – 41,42 км и совершил прыжок со стабилизирующим парашютом. Правда, в отличие от прыжка Баумгартнера, который в прямом эфире на YouTube смотрели более 8 миллионов человек, его прыжок не привлек столько внимания, так как не был столь разрекламирован.

Линия Кармана – 100 километров

Космос начинается там, где авиация становится невозможной. Руководствуясь этим принципом, Международная авиационная федерация установила условную границу между атмосферой и космосом на высоте 100 километров над уровнем моря.

Начиная с этой высоты использовать крылья для полета уже не имеет смысла. Для того чтобы создать подъемную силу и лететь, необходимо развить скорость, превышающую первую космическую, а это 7,9 км/с. Но достигнув этой скорости, любой объект выходит на околоземную орбиту и превращается в спутник Земли. Впервые определил эту высоту американский ученый Теодор фон Карман. В честь него ее и назвали. Строго говоря, атмосфера Земли продолжается и выше линии Кармана, но дальше она крайне разрежена и состоит в основном из атомов водорода.

Полеты к линии Кармана и выше недоступны простой авиации. 19 июля 1963 года летчик-испытатель NASA Джозеф Уокер на гиперзвуковом ракетоплане North American X-15 достиг высоты 106 км. А еще через месяц – 108 км.

Второй раз в истории гиперзвуковой летательный аппарат преодолел границу между атмосферой и космосом в 2004 году. В период с 21 июня по 4 октября 2004 года экипажем SpaceShipOne, боровшимся за Ansari X Prize, было совершено 3 таких полета, максимальная высота последнего из которых составила 112 км.

На высоте 120 километров уже начинаются орбиты спутников-шпионов. Низкая орбита удобна для видовой разведки, когда разведданные собираются с помощью фотосъемки поверхности. Но продолжительность жизни спутников на столь низких орбитах вследствие близости атмосферы колеблется от нескольких месяцев до нескольких лет.

«Обитаемый пояс» – 200–500 км

Высота орбиты Международной космической станции  – 413–418 км, станции «Мир» – 354-374 км. Первая в мире пилотируемая орбитальная станция «Салют-1» 19 апреля 1971 года была выведена на орбиту 200–222 км.

Все орбиты в пределах 200–500 км.Такой выбор не случаен. Выше поднимать пилотируемую орбитальную станцию нельзя, так как это опасно для космонавтов. Начиная с высоты 500 километров повышается уровень радиации.

Ниже тоже нельзя. Космическая станция будет «цепляться» за атмосферу, которая хоть и разреженная, но все же оказывает аэродинамическое сопротивление космическим аппаратам на низких орбитах.

Ежедневно высота орбиты МКС, вследствие сопротивления атмосферы и под воздействием силы притяжения Земли, уменьшается на 150–200 метров. Не случайно каждый раз при посещении станции пилотируемыми и грузовыми кораблями ее орбиту поднимают выше.

Кроме того, более высокие орбиты были бы невыгодны по экономическим причинам, так как доставка грузов в этом случае обходилась бы дороже.

Нижняя граница радиационного пояса – 500 км

Начиная с высоты 500 км возрастает интенсивность излучения радиационных поясов, удерживающих захваченные магнитным полем нашей планеты электроны и протоны солнечного ветра.

Предсказанные еще Николой Теслой, они были открыты с началом первых космических полетов.

Радиационные пояса защищают нашу планету, в том числе орбитальные станции, размещенные на низких орбитах, от космической радиации. Но одновременно являются серьезным препятствием на нашем пути в космос. Космонавты, пролетающие радиационные пояса, подвергаются действию радиации, а если прохождение поясов придется на время солнечных вспышек, то могут и погибнуть.

Сторонники теории лунного заговора называют непреодолимость радиационных поясов без вреда для здоровья астронавтов одной из причин невозможности полетов американцев на Луну.

Всегда считалось, что поясов два. Первый, находящийся на высоте в среднем 4 000 км над Землей, состоит в основном из протонов.

Второй, расположен выше – ориентировочно на высоте 17 000 км – и состоит в основном из электронов. Между первым и вторым имеется щель, расположенная в интервале от 2 до 3 радиусов Земли. Кроме того, нижняя граница внутреннего радиационного пояса располагается на разных высотах над поверхностью планеты. Над Атлантикой пояс может спускаться до высоты 500 км, а над Индонезией – до 1300 км.

Не так давно NASA заявило об обнаружении третьего радиационного пояса. Расположился он между двумя уже обнаруженными и имеет, по-видимому, временный характер. Открыт пояс был зондами-близнецами Van Allen Probes, запущенными в августе 2012-го.

Космические аппараты названы так в честь Джеймса Ван Аллена – ученого, считающегося первооткрывателем радиационного пояса. Его именем в англоязычном мире пояса так и называют: пояса Ван Аллена.

Орбита «Иридиума» – 780 километров

Увидев яркую вспышку в ночном небе, чем-то похожую на след падающей звезды, кто-то поспешит загадать желание, но многие уже знают: не звезда это вовсе. Тысячи людей по всему миру выходят на улицу в определенное время, что бы увидеть то, что называется вспышкой «Иридиума».

Орбитальная группировка космических аппаратов спутниковой телефонной связи «Иридиум» начала создаваться в 90-х годах прошлого века. Первоначально планировалось запустить на орбиту 77 спутников, а так как это число соответствует атомному числу химического элемента иридия, то и кампанию было решено назвать «Иридиум».

В настоящий момент 66 спутников группировки расположены на орбите высотой 780 километров. Еще несколько запасных спутников (так называемый орбитальный запас) размещены на орбите 650 км и поднимаются на более высокую орбиту в случае отказа одного из основных.

Наблюдаемые с Земли яркие вспышки возникают вследствие отражения солнечного света гладкими поверхностями антенн спутников. Выглядит это как плавное нарастание и последующее затухание ярчайшей звезды, движущейся по ночному небосводу. Вспышка продолжается менее 10 секунд. Но за это время яркость вспыхнувшей «звездочки» достигает минус восьмой звездной величины. Для сравнения, звездная величина Венеры – минус 4,6.

Примечательно, что спутники системы «Иридиум» известны и в связи с первым случаем столкновения двух космических аппаратов. 10 февраля 2009 года выведенный из эксплуатации российский военный спутник «Космос-2251» не поделил орбиту с действующим спутником Iridium 33. В результате столкновения, произошедшего на высоте 788,6 километра над полуостровом Таймыр, оба космических аппарата разрушились. Образовавшиеся обломки, а это около 600 фрагментов размером более пяти сантиметров, хотя и остались на прежней орбите, но впоследствии, вероятно, будут снижаться, что создает угрозу для космических аппаратов, находящихся на более низких орбитах, в том числе для МКС.

Орбиты навигационных спутников – 19 400 – 23 222 км

Сейчас жизнь сложно представить без спутниковой навигации. Особенно если вы управляете автомобилем. Изначально предназначенная для военных целей спутниковая навигация повсеместно проникла в гражданскую жизнь. Как высоко навигационные спутники над нами?

Космические аппараты российской системы навигации ГЛОНАСС (Глобальная навигационная спутниковая система) занимают самую низкую среди других навигационных систем орбиту. Ее высота составляет 19 400 км.

Немного выше расположились спутники американской системы глобального позиционирования GPS (Global Positioning System) – 20 200 км.

Европейское космическое агентство выводит свои аппараты на высоту 23 222 км.

Стараются не отставать и другие страны. Ведь наличие своей такой системы – вопрос национальной безопасности. Так, Китай строит свою навигационную систему Beidou. 27 спутников планируется разместить на высоте 21 528 км – это так называемая средняя околоземная орбита. Как раз между орбитами американских и европейских спутников. Еще три спутника – на геосинхронной орбите, и пять – на геостационарной орбите.

Глобальные, охватывающие всю поверхность планеты навигационные системы не всем странам по карману. Поэтому некоторые строят свои региональные системы спутниковой навигации.

Японская QZSS (Quasi-Zenith Satellite System – «Квазизенитная спутниковая система») доступна только на территории этой страны. Но зато для ее строительства достаточно только трех спутников, выведенных на высокую эллиптическую орбиту. Квазизенитной она называется потому, что орбита позволяет спутнику держаться более 12 часов в день высоко в небе, то есть практически в зените. Высота в апогее – 42 164 км.

Индия, запустившая в апреле этого года очередной спутник региональной спутниковой системы навигации IRNSS (Indian Regional Navigation Satellite System), строит систему из семи спутников на геосинхронной орбите высотой 35 786 км, три из которых будут на геостационаре.

Геостационар – 35 786 километров

На высоте 35 786 км над экватором Земли расположена орбита, имеющая для нас незаменимую практическую ценность, – геостационарная. Спутник, находясь на этой орбите, обращается вокруг Земли с угловой скоростью, равной угловой скорости вращения нашей планеты вокруг своей оси. Он фактически зависает над одной точкой поверхности.

Для наблюдателя с Земли космический аппарат на геостационарной орбите находится все время в одной точке. Обратите внимание, что антенны для приема спутникового телевидения, так называемые «тарелки», всегда направлены на невидимую дугу в небе – геостационарную орбиту. А антенны одного оператора в одну точку.

На этой орбите находятся спутники, ведущие прямое телерадиовещание, дополняющие навигационные системы, коммуникационные спутники и другие. Это единственная орбита, использование которой регулируется международными правилами, так как количество мест, позиций, где можно разместить спутник так, чтобы он не создавал помех другим космическим аппаратам, ограничено.

Так как геостационарная орбита «не резиновая», то отработавшие свое время спутники, используя еще оставшееся в них топливо, поднимают на более высокую орбиту. Эта орбита, расположенная на 200–300 км выше геостационарной, называется орбитой захоронения, где эти спутники могут находиться до 2000 лет, пока мы не придумаем, что с ними делать дальше.

Интересной идеей, связанной с геостационарной орбитой, является концепция строительства космического лифта. Доставка грузов на околоземную орбиту по-прежнему дорога. Лифт в космос более привлекателен в этом плане по сравнению и с одноразовыми, и даже многоразовыми ракетами.

Основой лифта является трос (или лента, в зависимости от проекта), протянутый с поверхности планеты к орбитальной станции, расположенной на геостационарной орбите. По этому тросу будет передвигаться подъемник с грузом.

Подняться на геостационарную орбиту на таком лифте можно будет за неделю, но стоить это будет сравнительно недорого. Вот только материала достаточно легкого и прочного для создания такого троса пока еще не создано.

Луна. Расстояние до Земли – 384 467 км

А теперь сравним все эти орбиты с расстоянием до Луны. Среднее расстояние до нашего единственного естественного спутника – 384 467 км. Это примерно 30 земных диаметров, почти 10 геостационарных орбит, или 925 орбит МКС.

Но это расстояние сопоставимо с самой высокой точкой орбиты российского космического телескопа «Радиоастрон» (он же «Спектр-Р»). На момент запуска высота апогея эллиптической орбиты телескопа составляла 333 455 км. При этом перигей орбиты составил 600 км. Что, к примеру, сопоставимо с высотой низкой околоземной орбиты американского космического телескопа «Хаббл» (569 км).

Но орбита телескопа не постоянна. На него влияет гравитация нашего спутника. Предполагается, что за 5 лет притяжение Луны поднимет апогей орбиты телескопа до высоты 390 000 км.

Не является постоянной и орбита Луны. Наш спутник отдаляется от Земли на 4 сантиметра в год. Это позволяет некоторым ученым предполагать, что Луна рано или поздно покинет орбиту Земли и превратится в самостоятельную планету.

Но пока этого не случилось, надеемся, что человечество все-таки слетает к Луне еще раз, поднявшись на заветные 384 467 км.