Praegu on Maa orbiidil enam kui 1000 tehissatelliiti. Nad täidavad väga erinevaid ülesandeid ja on erineva kujundusega. Kuid neil on üks ühine joon – satelliidid tiirlevad ümber planeedi ega kuku alla.

Kiire selgitus

Tegelikult langevad satelliidid gravitatsiooni tõttu Maale kogu aeg. Kuid nad jätavad alati mööda, sest neil on käivitamisel inertsiga määratud külgkiirus.

Satelliidi pöörlemine ümber Maa on selle pidev langev minevik.

Selgitus

Kui viskad palli õhku, tuleb pall alla tagasi. See on sellepärast, et gravitatsiooni– seesama jõud, mis hoiab meid Maal ja ei lase meil avakosmosesse lennata.

Satelliidid saadetakse orbiidile rakettidega. Rakett peab kiirendama kuni 29 000 km/h! See on piisavalt kiire, et ületada tugev gravitatsioon ja pääseda Maa atmosfäärist. Kui rakett jõuab soovitud punkti Maa kohal, vabastab see satelliidi.

Satelliit kasutab liikumiseks püsimiseks raketilt saadud energiat. Seda liikumist nimetatakse impulss.

Kuidas aga satelliit orbiidil püsib? Kas ta ei lendaks otse kosmosesse?

Mitte päris. Isegi kui satelliit on tuhandete kilomeetrite kaugusel, tõmbab Maa gravitatsioon seda ikkagi. Maa gravitatsioon koos raketi impulsiga paneb satelliidi järgima ringteed ümber Maa - orbiit.

Kui satelliit on orbiidil, on sellel ideaalne tasakaal impulsi ja Maa gravitatsioonijõu vahel. Kuid selle tasakaalu leidmine on üsna keeruline.

Gravitatsioon on seda tugevam, mida lähemal on objekt Maale. Ja ümber Maa tiirlevad satelliidid peavad orbiidil püsimiseks liikuma väga suure kiirusega.

Näiteks satelliit NOAA-20 tiirleb Maast vaid mõnesaja kilomeetri kõrgusel. Orbiidil püsimiseks peab see liikuma kiirusega 27 300 km/h.

Teisest küljest tiirleb NOAA satelliit GOES-East ümber Maa 35 405 km kõrgusel. Gravitatsiooni ületamiseks ja orbiidil püsimiseks vajab see kiirust umbes 10 780 km/h.

ISS asub 400 km kõrgusel, seega on selle kiirus 27 720 km/h

Satelliidid võivad püsida orbiidil sadu aastaid, nii et me ei pea muretsema nende Maale kukkumise pärast.

Täna võime varahommikul või õhtul oma kodust välja astuda ja näha pea kohal lendamas eredat kosmosejaama. Kuigi kosmosereisid on muutunud kaasaegse maailma tavaliseks osaks, jäävad ruum ja sellega seotud probleemid paljude inimeste jaoks saladuseks. Nii et näiteks paljud inimesed ei saa aru, miks satelliidid ei kuku Maale ega lenda kosmosesse?

Elementaarfüüsika

Kui me viskame palli õhku, naaseb see peagi Maale, nagu iga teinegi objekt, näiteks lennuk, kuul või isegi õhupall.

Et mõista, miks kosmoselaev suudab vähemalt tavaoludes tiirleda ümber Maa ilma kukkumata, peame tegema mõtteeksperimendi. Kujutage ette, et olete sellel, kuid seal pole õhku ega atmosfääri. Peame õhust lahti saama, et saaksime oma mudeli võimalikult lihtsaks muuta. Nüüd peate vaimselt ronima relvaga kõrge mäe tippu, et mõista, miks satelliidid Maale ei kuku.

Teeme katse

Sihime püssitoru täpselt horisontaalselt ja laseme läänehorisondi poole. Mürsk lendab suurel kiirusel koonust välja ja suundub läände. Niipea, kui mürsk tünnist väljub, hakkab see lähenema planeedi pinnale.

Kui kahuri kuul liigub kiiresti läände, tabab see maad mäetipust mõnel kaugusel. Kui jätkame püssi võimsuse suurendamist, kukub mürsk laskepunktist palju kaugemal maapinnale. Kuna meie planeet on pallikujuline, siis iga kord, kui kuul lahkub koonust, langeb see veelgi, sest ka planeet jätkab pöörlemist ümber oma telje. Seetõttu ei lange satelliidid gravitatsiooni tõttu Maale.

Kuna tegemist on mõttekatsetusega, saame relvatule võimsamaks muuta. Võime ju ette kujutada olukorda, kus mürsk liigub planeediga sama kiirusega.

Sellel kiirusel, ilma õhutakistuseta seda aeglustada, jätkab mürsk pidevalt planeedi poole langedes tiirlemist ümber Maa igavesti, kuid ka Maa jätkab sama kiirusega langemist, justkui "põgeneks" mürsu eest. Seda seisundit nimetatakse vabaks langemiseks.

Praktikas

Päriselus pole kõik nii lihtne kui meie mõtteeksperimendis. Nüüd peame tegelema õhutakistusega, mis põhjustab mürsu aeglustumist, röövides lõpuks sellelt kiiruse, mida ta vajab orbiidil püsimiseks ja Maale kukkumise vältimiseks.

Isegi mitmesaja kilomeetri kaugusel Maa pinnast püsib endiselt teatav õhutakistus, mis mõjub satelliitidele ja kosmosejaamadele ning põhjustab nende aeglustumist. See takistus põhjustab lõpuks kosmoselaeva või satelliidi sisenemise atmosfääri, kus see tavaliselt õhuga hõõrdumise tõttu põleb.

Kui kosmosejaamadel ja teistel satelliitidel poleks kiirendust, et neid orbiidil kõrgemale lükata, kukuksid nad kõik ebaõnnestunult Maale. Seega on satelliidi kiirus reguleeritud nii, et see langeb planeedi poole sama kiirusega, kui planeet kõverdub satelliidist eemale. Seetõttu ei kuku satelliidid Maale.

Planeetide vastastikmõju

Sama protsess kehtib ka meie Kuu kohta, mis liigub vabalangemise orbiidil ümber Maa. Iga sekundiga läheneb Kuu Maale umbes 0,125 cm, kuid samal ajal nihkub meie sfäärilise planeedi pind sama kaugele, vältides Kuut, nii et nad jäävad üksteise suhtes oma orbiitidele.

Orbiitides ega vabalanguses pole midagi maagilist; need selgitavad ainult seda, miks satelliidid Maale ei kuku. See on lihtsalt gravitatsioon ja kiirus. Kuid see on uskumatult huvitav, nagu kõik muu kosmosega seotud.

Illustratsiooni autoriõigus Getty Images

Kosmoseprügi hulk madalal Maa orbiidil kasvab pidevalt. Kolumnist otsustas välja mõelda, mis juhtub siis, kui kasutatud satelliidid kukuvad Maale. Saksa teadlased uurivad seda probleemi.

Hoone, milles Willems mulle "kõige huvitavamaid asju" näitab, kuulub Kölnis asuvale Saksa lennundus- ja kosmosekeskuse (DLR) aerodünaamiliste uuringute instituudile.

Willems loetleb ka tuuletunneli juhtimiskeskuse koos hiigelsuure vana puldiga, millel on palju andureid, lüliteid ja nuppe, kui “mitte kõige huvitavam”.

Möödudes massiivsest plahvatuskindlast uksest, siseneme akendeta ruumi. Seinad on kaetud tahmaga, õhus on selgelt tunda püssirohu lõhna.

Siin tehakse rakettmootorite aerodünaamilisi katseid.

Kuid see, nagu selgub, pole kõige huvitavam.

Willems teeb oma "kõige huvitavamad" katsed ühes Kölni keskuse tuuletunnelis. See simuleerib satelliidi lahkumist Maa orbiidilt.

"Maa ümber tiirleb praegu tohutult palju tehissatelliite ja kõik nad lahkuvad varem või hiljem orbiidilt," selgitab Willems.

Kas satelliidi praht, mis atmosfääris ära ei põlenud, võib millegi või kellegi peale kukkuda?

"Kui kosmoselaevad atmosfääri sisenevad, need hävivad. Meid huvitab, milline on tõenäosus, et nende killud jäävad ellu."

Teisisõnu, kas kasutatud satelliitide praht, mis ei põlenud atmosfääris, võib langeda millelegi või kellelegi Maale?

Willemsi katseteks eraldatud betoonpõrandale paigaldatud tuuletunnel meenutab tohutut, pooleldi lahtivõetud tolmuimejat, mis on ühendatud aurutiga.

Läikiv seade on kaetud torude ja elektrijuhtmete võrguga. Tavaliselt kasutatakse seda toru ülehelikiirusega ja hüperhelikiirusega lennukite mudelite läbi puhumiseks - selles tekkiva õhuvoolu kiirus võib heli kiirust 11 korda ületada.

Taevast langeb järjest rohkem satelliite

"Toru" ise on kahe meetri kõrgune sfääriline metallkamber, mille sees on spetsiaalsete klambritega kinnitatud puhastamiseks mõeldud mudelid.

Aga Willems ei vaja klambreid – ta lihtsalt viskab esemeid torusse, mille kaudu õhk voolab vastassuunas kiirusega umbes 3000 km/h (mis on kaks korda suurem helikiirusest).

Illustratsiooni autoriõigus Getty Images Pildi pealkiri Reeglina hävivad satelliidid atmosfääri sisenemisel.

Nii simuleeritakse läbi maa atmosfääri deorbiidil oleva satelliidi lendu.

"Panime objektid õhuvoolu, et näha, kuidas nad käituvad simuleeritud vabalangemisel," ütleb Willems.

"Iga katse kestus on vaid 0,2 sekundit, kuid see on piisav aeg paljude piltide tegemiseks ja vajalike mõõtmiste tegemiseks."

Katsete käigus saadud andmed sisestatakse arvutimudelitesse, tänu millele on võimalik täpsemalt ennustada kosmoselaevade käitumist orbiidilt lahkumisel. ( Selles videos DLR simuleeriti Rosati satelliidi hävimist Maa atmosfääris.)

Praegu tiirleb ümber Maa umbes 500 000 tükki orbitaalset prahti, alates väikestest metallikildudest kuni tervete bussisuuruste kosmoselaevadeni, nagu Euroopa Kosmoseagentuuri satelliit Envisat, mis 2012. aasta aprillis järsult tegevuse lõpetas.

"Üldiselt kasvab prügitükkide arv, mille trajektoore me jälgime," ütleb Huw Lewis, Suurbritannia Southamptoni ülikooli lennuki- ja raketiteaduse vanemlektor.

Orbiidi prahi mahu kasvades suureneb ka kokkupõrgete tõenäosus töötavate satelliitide või mehitatud kosmoselaevadega.

Orbiidi prahi probleem jääb aktuaalseks pikka aega

Juba praegu tuleb sel põhjusel rahvusvahelise kosmosejaama orbiiti perioodiliselt kohandada.

"Kasutatud sõidukite fragmendid on kosmoseuuringute algusest saadik deorbiidil liikunud," ütles Lewis. "Tavaliselt satub suur objekt atmosfääri kord kolme-nelja päeva jooksul ja see probleem jääb aktuaalseks veel pikaks ajaks."

Kuigi atmosfääris olevad satelliidid hävivad ülekoormuse ja kõrge temperatuuri tõttu, langeb osa suuri prahti Maale suhteliselt tervena.

"Näiteks kütusepaagid," ütleb Lewis. "Mõnel kosmoselaeval on need väikese auto suurused."

Illustratsiooni autoriõigus Getty Images Pildi pealkiri Enamik kasutatud satelliite deorbiidil, nii et need lagunevad atmosfääris asustamata ookeanialade kohal.

Kuigi Willems ei viska autosid tuuletunnelisse, on tema eesmärk näha, kuidas käituvad suured objektid hävimisel ning millised nende killud võiksid teoreetiliselt maapinnale jõuda.

"Ühe komponendi ümber olev vool mõjutab voolu naaberriikide ümber," selgitab ta. "Sõltuvalt sellest, kas nad langevad Maale üksikult või rühmana, muutub ka nende täieliku põlemise tõenäosus atmosfääris."

Aga kui kosmosepraht nii sageli orbiidile lahkub, siis miks ei murra selle praht läbi majade katuste ega kuku meile pähe?

Enamikul juhtudel on vastus selles, et kasutatud satelliidid suunatakse sihipäraselt orbiidile, kasutades pardakütust.

Tõenäosus, et satelliiditükk teile peale kukub, on äärmiselt väike

Sellisel juhul arvutatakse laskumistee trajektoorid nii, et satelliidid põlevad atmosfääris ookeanide asustamata alade kohal.

Kuid planeerimata deorbiidid kujutavad endast palju suuremat ohtu.

Üks viimaseid selliseid juhtumeid oli Ameerika kosmoseagentuuri NASA Upper Atmosphere Research Satellite (UARS) planeerimata deorbiit 2011. aastal.

Hoolimata asjaolust, et 70% Maast on kaetud ookeanidega ja suured maa-alad on endiselt hõredalt asustatud, oli tõenäosus, et UARS-i kukkumine viib Maal hävinguni, NASA hinnangul 1:2500, märgib Lewis.

"See on väga suur protsent – ​​hakkame muretsema siis, kui võimalik risk elanikkonnale on 1:10 000," ütleb ta.

"Me ei räägi sellest, et satelliiditükk teile peale kukub - selle tõenäosus on tühine. Peame silmas tõenäosust, et see kukub põhimõtteliselt kellelegi."

Arvestades, et igal aastal hukkub üle maailma autoõnnetustes üle miljoni inimese, on tõenäosus, et orbitaalpraht põhjustab Maal märkimisväärset hävingut, väga väike.

Mida rohkem satelliite orbiidile pannakse, seda rohkem neid sealt lahkub

Ja ometi ei jäeta seda tähelepanuta, kuna riik, kes kosmoselaevu teele laseb, kannab ÜRO kokkulepete kohaselt juriidilist ja rahalist vastutust sellise tegevusega tekitatud kahju eest.

Sel põhjusel püüavad kosmoseagentuurid minimeerida orbiidilt kukkuvate objektide riske.

DLR-i katsed aitavad teadlastel paremini mõista ja täpsemalt jälgida kosmoseprahi käitumist, sealhulgas planeerimata deorbiitide ajal.

Kosmosesse saatmise hind langeb järk-järgult ja satelliidid muutuvad üha miniatuursemaks, mistõttu nende arv järgmistel aastakümnetel ainult suureneb.

"Inimkond kasutab üha enam ruumi, kuid orbiidi prahi probleem muutub hullemaks," ütleb Lewis. "Mida rohkem satelliite orbiidile pannakse, eemaldatakse sealt rohkem."

Teisisõnu, kuigi tõenäosus kosmoselaevade prahist tabada on endiselt tühine, kukub taevast alla üha rohkem satelliite.

Ükski madala Maa orbiidile lastud objekt ei saa sinna jääda igavesti.

Või miks satelliidid ei kuku? Satelliidi orbiit on delikaatne tasakaal inertsi ja gravitatsiooni vahel. Gravitatsioonijõud tõmbab satelliiti pidevalt Maa poole, samal ajal kui satelliidi inerts hoiab selle liikumist sirgena. Kui gravitatsiooni poleks, saadaks satelliidi inerts selle otse Maa orbiidilt avakosmosesse. Kuid igas orbiidi punktis hoiab gravitatsioon satelliidi lõastatuna.

Inertsi ja gravitatsiooni vahelise tasakaalu saavutamiseks peab satelliidil olema rangelt määratletud kiirus. Kui see lendab liiga kiiresti, ületab inerts gravitatsiooni ja satelliit lahkub orbiidilt. (Planeetidevaheliste kosmosejaamade startimisel mängib olulist rolli nn teise põgenemiskiiruse arvutamine, mis võimaldab satelliidil Maa orbiidilt lahkuda.) Kui satelliit liigub liiga aeglaselt, võidab gravitatsioon võitluses inertsi vastu ja satelliit saab hakkama. kukkuda Maa peale. Täpselt nii juhtus 1979. aastal, kui Ameerika orbitaaljaam Skylab hakkas maakera atmosfääri ülemiste kihtide takistuse suurenemise tagajärjel alla minema. Gravitatsiooni raudsesse haardesse sattunud jaam langes peagi Maale.

Kiirus ja vahemaa

Kuna Maa gravitatsioon vahemaa kasvades nõrgeneb, muutub satelliidi orbiidil hoidmiseks vajalik kiirus sõltuvalt kõrgusest. Insenerid saavad arvutada, kui kiiresti ja kui kõrgel peaks satelliit tiirlema. Näiteks geostatsionaarne satelliit, mis asub alati maapinna sama punkti kohal, peab 24 tunni jooksul (mis vastab Maa ühe pöörde ajale ümber oma telje) 357 kilomeetri kõrgusel ühe orbiidi tegema.

Gravitatsioon ja inerts

Satelliidi tasakaalustamist gravitatsiooni ja inertsi vahel saab simuleerida, pöörates selle külge kinnitatud köiel raskust. Koorma inerts kipub seda pöörlemiskeskmest eemale nihutama, samas kui raskusjõuna toimiv trossi pinge hoiab koormat ringikujulisel orbiidil. Kui köis on läbi lõigatud, lendab koorem mööda sirget rada, mis on risti selle orbiidi raadiusega.

Lihtsad küsimused. Antonets Vladimir Aleksandrovitš entsüklopeedia sarnane raamat

Miks satelliidid Maale ei kuku?

Vastus sellele küsimusele antakse koolis tagasi. Samas selgitavad nad enamasti ka, kuidas kaaluta olek tekib. Kõik see on maise elu kogemusel põhineva intuitsiooniga nii vastuolus, et seda on raske mõista. Ja seetõttu, kui kooliteadmised murenevad (seal on isegi selline pedagoogiline termin - "jääkteadmised"), imestavad inimesed jälle, miks satelliidid ei kuku Maale ja kosmoselaeva sees tekib lennu ajal kaalutus.

Muide, kui suudame neile küsimustele vastata, siis teeme samal ajal endale selgeks, miks Kuu ei kuku Maale ja Maa omakorda ei kuku Päikesele, kuigi gravitatsioonijõud Maale mõjuv Päike on tohutu – ligikaudu 3,6 miljardit tonni. Muide, 75 kg kaaluvat inimest tõmbab Päike ligi 50 g jõuga.

Kehade liikumine järgib väga suure täpsusega Newtoni seadusi. Nende seaduste kohaselt saavad kaks vastastikku toimivat keha, mida ükski välisjõud ei mõjuta, üksteise suhtes puhata ainult siis, kui nende vastasmõju jõud on tasakaalus. Meil õnnestub maapinnal liikumatult seista, sest gravitatsioonijõudu kompenseerib täpselt maapinna survejõud meie keha pinnale. Samal ajal on Maa ja meie keha deformeerunud, mistõttu tunneme raskustunnet. Kui hakkame näiteks mingit koormust tõstma, tunneme selle raskust lihaspinge ja keha deformatsiooni kaudu, mille kaudu koorem toetub maapinnale.

Kui sellist jõudude kompenseerimist pole, hakkavad kehad üksteise suhtes liikuma. Sellel liikumisel on alati muutuv kiirus ja nii kiiruse suurus kui ka suund võivad muutuda. Kujutage nüüd ette, et oleme mingit keha kiirendanud, suunates selle liikumise paralleelselt Maa pinnaga. Kui stardikiirus oli alla 7,9 km/s ehk väiksem kui nn esimene kosmiline kiirus, siis gravitatsiooni mõjul hakkab keha kiirus muutuma nii suurusjärgus kui ka suunas ning kindlasti langeb Maa. Kui kiirenduskiirus oli suurem kui 11,2 km/s ehk teine ​​kosmiline kiirus, lendab keha minema ega naase enam Maale.

Kui kiirus oli suurem kui esimene, kuid väiksem kui teine ​​kosmiline kiirus, siis keha liikumisel muutub ainult kiiruse suund ja suurus jääb muutumatuks. Nagu aru saate, on see võimalik ainult siis, kui keha liigub suletud ringis, mille läbimõõt on seda suurem, mida lähemal on kiirus teisele kosmilisele kiirusele. See tähendab, et kehast on saanud Maa tehissatelliit. Teatud tingimustel ei toimu liikumine mööda ringikujulist rada, vaid piki piklikku elliptilist rada.

Kui Maa piirkonnas asuvat keha kiirendada Maad Päikesega ühendava lõiguga risti olevas suunas kiiruseni 42 km/s, lahkub see Päikesesüsteemist igaveseks. Maa tiirlemiskiirus on vaid 29 km/s, nii et õnneks ei saa ta Päikesest eemale lennata ega sellele peale kukkuda ning jääb igaveseks selle satelliidiks.

See tekst on sissejuhatav fragment.