Trenutno postoji više od 1.000 vještačkih satelita u Zemljinoj orbiti. Obavljaju širok spektar zadataka i imaju različite dizajne. Ali imaju jedno zajedničko - sateliti se okreću oko planete i ne padaju.

Brzo objašnjenje

U stvari, sateliti padaju na Zemlju cijelo vrijeme zbog gravitacije. Ali uvijek promašuju, jer imaju bočnu brzinu postavljenu inercijom pri lansiranju.

Rotacija satelita oko Zemlje je njegova stalna prošlost.

Objašnjenje

Ako bacite loptu u zrak, lopta se vraća dolje. To je zato gravitacija- ista sila koja nas drži na Zemlji i sprečava nas da odletimo u svemir.

Sateliti se lansiraju u orbitu raketama. Raketa mora ubrzati do 29.000 km/h! Ovo je dovoljno brzo da savlada snažnu gravitaciju i pobjegne iz Zemljine atmosfere. Kada raketa stigne do željene tačke iznad Zemlje, ona oslobađa satelit.

Satelit koristi energiju primljenu od rakete da ostane u pokretu. Ovaj pokret se zove impuls.

Ali kako satelit ostaje u orbiti? Zar ne bi odleteo pravo u svemir?

Ne baš. Čak i kada je satelit udaljen hiljadama kilometara, Zemljina gravitacija ga i dalje vuče. Zemljina gravitacija, u kombinaciji sa zamahom rakete, uzrokuje da satelit prati kružnu putanju oko Zemlje - orbita.

Kada je satelit u orbiti, on ima savršenu ravnotežu između zamaha i sile Zemljine gravitacije. Ali pronalaženje ove ravnoteže je prilično teško.

Gravitacija je jača što je objekat bliže Zemlji. A sateliti koji kruže oko Zemlje moraju putovati veoma velikim brzinama da bi ostali u orbiti.

Na primjer, satelit NOAA-20 orbitira samo nekoliko stotina kilometara iznad Zemlje. Mora putovati brzinom od 27.300 km/h da bi ostao u orbiti.

S druge strane, NOAA-in GOES-East satelit kruži oko Zemlje na visini od 35.405 km. Da bi savladao gravitaciju i ostao u orbiti, potrebna mu je brzina od oko 10.780 km/h.

ISS se nalazi na nadmorskoj visini od 400 km, pa je njegova brzina 27.720 km/h

Sateliti mogu ostati u orbiti stotinama godina, tako da ne moramo da brinemo da će pasti na Zemlju.

Danas možemo izaći iz kuće u ranim jutarnjim ili večernjim satima i vidjeti svijetlu svemirsku stanicu kako leti iznad nas. Iako su svemirska putovanja postala uobičajeni dio modernog svijeta, za mnoge ljude svemir i problemi oko njega ostaju misterija. Tako, na primjer, mnogi ljudi ne razumiju zašto sateliti ne padaju na Zemlju i ne lete u svemir?

Elementarna fizika

Ako bacimo loptu u zrak, ona će se uskoro vratiti na Zemlju, baš kao i svaki drugi predmet, kao što je avion, metak ili čak balon.

Da bismo razumjeli zašto je svemirski brod u stanju da kruži oko Zemlje bez pada, barem u normalnim okolnostima, moramo napraviti misaoni eksperiment. Zamislite da ste na njemu, ali nema zraka ni atmosfere. Moramo se riješiti zraka kako bismo naš model učinili što jednostavnijim. Sada ćete se morati mentalno popeti na vrh visoke planine sa pištoljem da biste shvatili zašto sateliti ne padaju na Zemlju.

Hajde da napravimo eksperiment

Cijev topa ciljamo tačno horizontalno i pucamo prema zapadnom horizontu. Projektil će izletjeti iz njuške velikom brzinom i krenuti prema zapadu. Čim projektil napusti cijev, počet će se približavati površini planete.

Kako se topovska kugla brzo kreće prema zapadu, udarit će o tlo na nekoj udaljenosti od vrha planine. Ako nastavimo povećavati snagu pištolja, projektil će pasti na tlo mnogo dalje od vatrene tačke. Budući da je naša planeta u obliku lopte, svaki put kada metak napusti njušku, on će dalje pasti jer planeta također nastavlja da rotira oko svoje ose. Zbog toga sateliti ne padaju na Zemlju zbog gravitacije.

Budući da je ovo misaoni eksperiment, možemo učiniti vatru iz pištolja snažnijom. Na kraju krajeva, možemo zamisliti situaciju u kojoj se projektil kreće istom brzinom kao planeta.

Ovom brzinom, bez otpora vazduha da ga uspori, projektil će nastaviti da kruži oko Zemlje zauvek dok neprekidno pada prema planeti, ali će i Zemlja nastaviti da pada istom brzinom, kao da "beže" projektilu. Ovo stanje se naziva slobodni pad.

Na praksi

U stvarnom životu nije sve tako jednostavno kao u našem misaonom eksperimentu. Sada se moramo suočiti s otporom zraka, koji uzrokuje usporavanje projektila, na kraju mu oduzima brzinu koja mu je potrebna da ostane u orbiti i izbjegne pad na Zemlju.

Čak i na udaljenosti od nekoliko stotina kilometara od površine Zemlje, još uvijek postoji otpor zraka koji djeluje na satelite i svemirske stanice i uzrokuje njihovo usporavanje. Ovo povlačenje na kraju uzrokuje da svemirska letjelica ili satelit uđu u atmosferu, gdje obično izgaraju zbog trenja sa zrakom.

Da svemirske stanice i drugi sateliti nisu imali ubrzanje da ih gurnu više u orbiti, svi bi neuspješno pali na Zemlju. Dakle, brzina satelita je podešena tako da pada prema planeti istom brzinom kojom se planeta udaljava od satelita. Zbog toga sateliti ne padaju na Zemlju.

Interakcija planeta

Isti proces se primjenjuje i na naš Mjesec, koji se kreće slobodnom padom oko Zemlje. Svake sekunde, Mjesec se približava Zemlji za oko 0,125 cm, ali se u isto vrijeme površina naše sferne planete pomjera za istu udaljenost, izbjegavajući Mjesec, pa oni ostaju u svojim orbitama jedni u odnosu na druge.

Nema ničeg magičnog u orbitama ili slobodnom padu; oni samo objašnjavaju zašto sateliti ne padaju na Zemlju. To su samo gravitacija i brzina. Ali to je nevjerovatno zanimljivo, baš kao i sve ostalo vezano za svemir.

Autorska prava ilustracije Getty Images

Količina svemirskog otpada u niskoj orbiti Zemlje stalno raste. Kolumnista je odlučio da otkrije šta se dešava kada istrošeni sateliti padnu na Zemlju. Njemački naučnici proučavaju ovaj problem.

Zgrada u kojoj će mi Willems pokazati „najzanimljivije stvari“ pripada institutu za aerodinamička istraživanja Njemačkog centra za avijaciju i svemir (DLR) koji se nalazi u Kelnu.

Willems takođe navodi kontrolni centar aerotunela sa ogromnim starim daljinskim upravljačem, koji ima mnogo senzora, prekidača i dugmadi, kao „ne najzanimljivije“.

Prolazeći pored masivnih vrata otpornih na eksploziju, ulazimo u sobu bez prozora. Zidovi su prekriveni čađom, a u vazduhu se jasno oseća miris baruta.

Ovdje se provode aerodinamička ispitivanja raketnih motora.

Ali ovo, kako se ispostavilo, nije najzanimljivije.

Willems izvodi svoje „najzanimljivije“ eksperimente u jednom od aerotunela centra Kelna. Simulira odlazak satelita iz Zemljine orbite.

"Postoji ogroman broj vještačkih satelita koji sada kruže oko Zemlje i svi će prije ili kasnije napustiti orbitu", objašnjava Willems.

Da li bi satelitski ostaci koji nisu izgorjeli u atmosferi mogli pasti na nešto - ili nekoga?

"Kada svemirske letjelice uđu u atmosferu, one su uništene. Zanima nas kolika je vjerovatnoća da će njihovi fragmenti preživjeti."

Drugim riječima, da li bi ostaci sa istrošenih satelita koji nisu izgorjeli u atmosferi mogli pasti na nešto - ili nekoga - na Zemlji?

Aerotunel postavljen na betonskom podu, koji je bio određen za Willemsove eksperimente, nalikuje ogromnom, napola rastavljenom usisivaču spojenom na parobrod.

Sjajna jedinica prekrivena je mrežom cijevi i električnih žica. Obično se ova cijev koristi za puhanje kroz modele nadzvučnih i hipersoničnih zrakoplova - brzina protoka zraka stvorenog u njoj može premašiti brzinu zvuka za 11 puta.

Sve više satelita će padati s neba

Sama "cijev" je sferična metalna komora visoka dva metra, unutar koje su modeli za pročišćavanje pričvršćeni posebnim stezaljkama.

Ali Willemsu nisu potrebne stezaljke - on jednostavno baca predmete u cijev kroz koju zrak struji u suprotnom smjeru brzinom od oko 3000 km/h (što je dvostruko veće od brzine zvuka).

Autorska prava ilustracije Getty Images Naslov slike Sateliti se po pravilu uništavaju pri ulasku u atmosferu.

Na taj način se simulira let satelita koji derbi kroz Zemljinu atmosferu.

„Predmete stavljamo u protok vazduha da vidimo kako se ponašaju u simuliranom slobodnom padu“, kaže Willems.

"Trajanje svakog eksperimenta je samo 0,2 sekunde, ali ovo je dovoljno vremena za snimanje mnogo slika i potrebnih mjerenja."

Podaci dobijeni tokom eksperimenata biće uneti u kompjuterske modele, zahvaljujući kojima će biti moguće preciznije predvideti ponašanje letelice pri napuštanju orbite. ( U ovom videu DLR simulirano je uništenje satelita Rosat u Zemljinoj atmosferi.)

Trenutno oko Zemlje kruži oko 500.000 komada orbitalnog otpada, od malih metalnih fragmenata do čitavih svemirskih letjelica veličine autobusa, poput satelita Envisat Evropske svemirske agencije, koji je iznenada prestao s radom u aprilu 2012.

"Sve u svemu, broj komada krhotina čije putanje pratimo raste", kaže Huw Lewis, viši predavač nauke o avionima i raketama na britanskom univerzitetu u Sautemptonu.

Kako volumen orbitalnih krhotina raste, povećava se i vjerovatnoća sudara s operativnim satelitima ili svemirskim letjelicama s ljudskom posadom.

Problem orbitalnog otpada će ostati relevantan još dugo vremena

Već sada, iz tog razloga, orbita Međunarodne svemirske stanice mora se periodično prilagođavati.

"Fragmenti istrošenih vozila su izlazili iz orbite od početka istraživanja svemira", rekao je Lewis. "Uobičajeno, veliki objekt uđe u atmosferu jednom svaka tri do četiri dana, a ovaj problem će ostati relevantan još dugo vremena."

Iako su sateliti u atmosferi uništeni preopterećenjem i visokim temperaturama, neki veliki krhotine padaju na Zemlju relativno netaknute.

"Na primjer, rezervoari za gorivo", kaže Lewis. "Neke svemirske letjelice imaju ih veličine malog automobila."

Autorska prava ilustracije Getty Images Naslov slike Većina istrošenih satelita je dezbitirana tako da se raspadaju u atmosferi nad nenaseljenim okeanskim područjima.

Iako Willems ne baca automobile u aerotunel, njegov cilj je vidjeti kako se veliki objekti ponašaju kada su uništeni i koji od njihovih fragmenata bi teoretski mogao doći do površine zemlje.

"Protok oko jedne komponente utiče na tok oko njenih suseda", objašnjava on. "U zavisnosti od toga da li padaju na Zemlju pojedinačno ili kao grupa, menja se i stepen verovatnoće njihovog potpunog sagorevanja u atmosferi."

Ali ako svemirski otpad tako često napušta orbitu, zašto se njegovi ostaci ne probijaju kroz krovove kuća i ne padnu na naše glave?

U većini slučajeva, odgovor je da se istrošeni sateliti namjerno derbiduju koristeći preostalo gorivo na brodu.

Vjerovatnoća da će komad satelita pasti na vas je izuzetno mala

U ovom slučaju, putanje spuštanja se izračunavaju na način da sateliti izgore u atmosferi iznad nenaseljenih područja okeana.

Ali neplanirani derbiti predstavljaju mnogo veću opasnost.

Jedan od najnovijih takvih slučajeva bio je neplanirani izlazak iz orbite satelita za istraživanje gornje atmosfere (UARS) američke svemirske agencije NASA 2011. godine.

Uprkos činjenici da je 70% Zemlje prekriveno okeanima, a velike površine kopna još uvijek su rijetko naseljene, vjerovatnoća da bi pad UARS-a doveo do uništenja na Zemlji bila je, prema procjenama NASA-e, 1 prema 2.500, napominje Lewis.

„Ovo je veoma visok procenat – počinjemo da brinemo kada je mogući rizik za populaciju 1 od 10.000“, kaže on.

"Ne govorimo o tome da će komad satelita pasti na vas - vjerovatnoća za to je zanemarljiva. Ono što mislimo je vjerovatnoća da će pasti na nekoga u principu."

Uzimajući u obzir da više od milion ljudi pogine u saobraćajnim nesrećama širom svijeta svake godine, vjerovatnoća da će komad orbitalnog otpada prouzročiti značajna razaranja na Zemlji vrlo je mala.

Što se više satelita stavi u orbitu, to će ih više napustiti

A ipak nije zanemareno, jer država koja lansira svemirske letjelice, u skladu sa sporazumima UN-a, snosi pravnu i finansijsku odgovornost za svaku štetu nastalu takvim aktivnostima.

Iz tog razloga svemirske agencije nastoje da minimiziraju rizike povezane s padanjem objekata s orbite.

Eksperimenti DLR-a pomoći će naučnicima da bolje razumiju i pažljivije prate ponašanje svemirskog otpada, uključujući i tokom neplaniranih derbida.

Cijena svemirskih lansiranja postepeno padaju, a sateliti postaju sve minijaturniji, pa će se njihov broj u narednim decenijama samo povećavati.

"Čovječanstvo sve više koristi svemir, ali problem orbitalnog otpada postaje sve gori", kaže Lewis. "Kako se više satelita stavlja u orbitu, više će biti uklonjeno iz nje."

Drugim riječima, iako je vjerovatnoća da će biti pogođeni ostacima svemirskih letjelica i dalje zanemarljiva, sve više satelita će padati s neba.

Nijedan objekat lansiran u nisku orbitu Zemlje ne može tamo ostati zauvijek.

Ili zašto sateliti ne padaju? Orbita satelita je delikatan balans između inercije i gravitacije. Sila gravitacije neprekidno vuče satelit prema Zemlji, dok inercija satelita teži da zadrži njegovo kretanje ravno. Da nije bilo gravitacije, inercija satelita bi ga poslala direktno iz Zemljine orbite u svemir. Međutim, u svakoj tački orbite, gravitacija drži satelit vezan.

Da bi se postigao balans između inercije i gravitacije, satelit mora imati strogo definiranu brzinu. Ako leti prebrzo, inercija savladava gravitaciju i satelit napušta orbitu. (Izračunavanje takozvane druge brzine bijega, koja omogućava satelitu da napusti Zemljinu orbitu, igra važnu ulogu u lansiranju međuplanetarnih svemirskih stanica.) Ako se satelit kreće presporo, gravitacija će pobijediti u borbi protiv inercije i satelit će pasti na Zemlju. Upravo to se dogodilo 1979. godine, kada je američka orbitalna stanica Skylab počela opadati kao rezultat sve većeg otpora gornjih slojeva Zemljine atmosfere. Uhvaćena u gvozdeni stisak gravitacije, stanica je ubrzo pala na Zemlju.

Brzina i udaljenost

Budući da Zemljina gravitacija slabi s rastojanjem, brzina potrebna za održavanje satelita u orbiti varira s visinom. Inženjeri mogu izračunati koliko brzo i koliko visoko satelit treba da kruži. Na primjer, geostacionarni satelit, koji se uvijek nalazi iznad iste tačke na zemljinoj površini, mora napraviti jednu orbitu za 24 sata (što odgovara vremenu jednog okreta Zemlje oko svoje ose) na visini od 357 kilometara.

Gravitacija i inercija

Balansiranje satelita između gravitacije i inercije može se simulirati rotacijom utega na užetu pričvršćenom za njega. Inercija tereta teži da ga odmakne od centra rotacije, dok napetost užeta, djelujući kao gravitacija, drži teret u kružnoj orbiti. Ako se uže presječe, teret će odletjeti duž pravog puta okomitog na polumjer njegove orbite.

Jednostavna pitanja. Knjiga slična enciklopediji Antonets Vladimir Aleksandrovič

Zašto sateliti ne padaju na Zemlju?

Odgovor na ovo pitanje dat je još u školi. Istovremeno, obično objašnjavaju i kako nastaje bestežinsko stanje. Sve je to toliko u suprotnosti sa intuicijom zasnovanom na iskustvu zemaljskog života da je teško shvatiti. I stoga, kada školsko znanje erodira (postoji čak i takav pedagoški izraz - "preostalo znanje"), ljudi se opet pitaju zašto sateliti ne padaju na Zemlju i nastaje bestežinsko stanje unutar letjelice tokom leta.

Usput, ako možemo odgovoriti na ova pitanja, onda ćemo u isto vrijeme razjasniti za sebe zašto Mjesec ne pada na Zemlju, a Zemlja, zauzvrat, ne pada na Sunce, iako gravitacijska sila Sunce koje djeluje na Zemlju je ogromno - otprilike 3,6 milijardi milijardi tona. Inače, osobu tešku 75 kg Sunce privlači silom od oko 50 g.

Kretanje tijela pokorava se Newtonovim zakonima s vrlo velikom preciznošću. Prema ovim zakonima, dva tijela u interakciji, na koja ne djeluju nikakve vanjske sile, mogu mirovati jedno u odnosu na drugo samo ako su sile njihove interakcije uravnotežene. Uspijevamo da nepomično stojimo na zemljinoj površini jer je sila gravitacije tačno nadoknađena silom pritiska zemljine površine na površinu našeg tijela. Istovremeno, Zemlja i naše tijelo su deformisani, zbog čega osjećamo težinu. Ako, na primjer, počnemo podizati neku vrstu tereta, osjetit ćemo njegovu težinu kroz napetost mišića i deformacije tijela, kroz koje teret leži na tlu.

Ako nema takve kompenzacije sila, tijela se počinju kretati jedno u odnosu na drugo. Ovo kretanje uvijek ima promjenjivu brzinu, a veličina brzine i njen smjer se mogu mijenjati. Sada zamislite da smo ubrzali neko tijelo, usmjeravajući njegovo kretanje paralelno sa površinom Zemlje. Ako je početna brzina bila manja od 7,9 km/s, odnosno manja od takozvane prve kosmičke brzine, onda će pod uticajem gravitacije brzina tela početi da se menja i po veličini i po pravcu, i sigurno će pasti na Zemlja. Ako je brzina ubrzanja bila veća od 11,2 km/s, odnosno druga kosmička brzina, tijelo će odletjeti i nikada se neće vratiti na Zemlju.

Ako je brzina bila veća od prve, ali manja od druge kosmičke brzine, onda kada se tijelo kreće, samo će se smjer brzine promijeniti, a veličina će ostati konstantna. Kao što razumijete, to je moguće samo ako se tijelo kreće u zatvorenom krugu, čiji je promjer veći što je brzina bliža drugoj kosmičkoj brzini. To znači da je tijelo postalo umjetni satelit Zemlje. Pod određenim uvjetima, kretanje će se odvijati ne po kružnoj putanji, već po izduženoj eliptičnoj stazi.

Ako se tijelo u području Zemlje ubrza u smjeru okomitom na segment koji povezuje Zemlju sa Suncem brzinom od 42 km/s, ono će zauvijek napustiti Sunčev sistem. Zemljina orbitalna brzina je samo 29 km/s, tako da, na svu sreću, ne može ni da odleti od Sunca, ni da padne na njega i zauvek će ostati njen satelit.

Ovaj tekst je uvodni fragment.