Дәл қазір Жер орбитасында 1000-нан астам жасанды серік бар. Олар әртүрлі тапсырмаларды орындайды және әртүрлі дизайнға ие. Бірақ олардың бір ортақ қасиеті бар – спутниктер планетаның айналасында айналады және құлап кетпейді.

Жылдам түсіндіру

Шындығында, жерсеріктер тартылыс күшінің әсерінен Жерге үнемі түсіп отырады. Бірақ олар әрқашан жіберіп алады, өйткені олар ұшыру кезінде инерциямен белгіленген бүйірлік жылдамдыққа ие.

Жер серігінің айналуы оның тұрақты құлауы болып табылады.

Түсіндіру

Допты ауаға лақтырсаң, доп қайта түседі. Бұл себебі ауырлық- бізді Жерде ұстап тұратын және ғарыш кеңістігіне ұшуымызға кедергі болатын сол күш.

Жер серіктері орбитаға зымыран арқылы шығарылады. Зымыран жеделдету керек 29 000 км/сағ дейін! Бұл күшті гравитацияны жеңуге және Жер атмосферасынан құтылуға жеткілікті жылдам. Зымыран Жердің үстіндегі қажетті нүктеге жеткенде, ол спутникті шығарады.

Спутник қозғалыста болу үшін зымыраннан алынған энергияны пайдаланады. Бұл қозғалыс деп аталады импульс.

Бірақ спутник орбитада қалай қалады? Ол тікелей ғарышқа ұшпай ма?

Онша емес. Спутник мыңдаған шақырым қашықтықта болса да, Жердің тартылыс күші оны әлі де тартады. Жердің тартылыс күші зымыранның импульсімен қосылып, спутниктің Жерді айналмалы жолмен жүруіне әкеледі - орбита.

Спутник орбитада болған кезде импульс пен Жердің тартылыс күші арасында тамаша теңгерім болады. Бірақ бұл теңгерімді табу өте қиын.

Ауырлық күші объект Жерге неғұрлым жақын болса, соғұрлым күшті болады. Ал Жерді айналып өтетін спутниктер орбитада қалу үшін өте жоғары жылдамдықпен жүруі керек.

Мысалы, NOAA-20 спутнигі Жерден бірнеше жүз шақырым биіктікте айналады. Орбитада қалу үшін ол 27 300 км/сағ жылдамдықпен жүруі керек.

Екінші жағынан, NOAA-ның GOES-East спутнигі Жерді 35 405 км биіктікте айналып өтеді. Гравитацияны жеңу және орбитада қалу үшін оған шамамен 10 780 км/сағ жылдамдық қажет.

ХҒС 400 км биіктікте орналасқан, сондықтан оның жылдамдығы 27 720 км/сағ.

Жерсеріктер орбитада жүздеген жылдар бойы тұра алады, сондықтан олардың Жерге құлап кетуіне алаңдаудың қажеті жоқ.

Бүгін біз таңертең немесе кешке үйіміздің сыртына шығып, төбесінде ұшып жатқан жарқын ғарыш станциясын көре аламыз. Ғарышқа саяхат қазіргі әлемнің кәдімгі бөлігіне айналғанымен, көптеген адамдар үшін ғарыш және оған қатысты мәселелер жұмбақ күйінде қалып отыр. Мәселен, көптеген адамдар неліктен спутниктердің Жерге құлап, ғарышқа ұшпайтынын түсінбейді?

Бастауыш физика

Егер біз допты ауаға лақтырсақ, ол ұшақ, оқ, тіпті әуе шары сияқты кез келген басқа заттар сияқты тез арада Жерге оралады.

Неліктен ғарыш кемесі, кем дегенде, қалыпты жағдайда, Жерді құламай орбиталай алатынын түсіну үшін біз ойлау тәжірибесін жасауымыз керек. Сіз оның үстінде екеніңізді елестетіп көріңіз, бірақ ауа немесе атмосфера жоқ. Үлгімізді мүмкіндігінше қарапайым етіп жасау үшін ауадан құтылуымыз керек. Енді спутниктердің Жерге неге құламайтынын түсіну үшін зеңбірекпен биік таудың басына шығу керек болады.

Эксперимент жасайық

Біз мылтық ұңғысын дәл көлденең бағыттап, батыс көкжиекке қарай атамыз. Снаряд аузынан үлкен жылдамдықпен ұшып, батысқа қарай бет алады. Снаряд ұңғыдан шыққан бойда планетаның бетіне жақындай бастайды.

Зеңбірек добы батысқа қарай жылдам қозғалғанда, ол таудың басынан біршама қашықтықта жерге тиеді. Мылтық қуатын арттыра берсек, снаряд атыс нүктесінен әлдеқайда алыс жерге түседі. Біздің планетамыздың пішіні шар тәрізді болғандықтан, оқ аузынан шыққан сайын ол одан әрі құлап кетеді, өйткені планета да өз осінде айналуын жалғастырады. Сондықтан жер серігі тартылыс күші әсерінен Жерге түспейді.

Бұл ойлау эксперименті болғандықтан, біз мылтық атуды күштірек ете аламыз. Өйткені, снаряд планетамен бірдей жылдамдықпен қозғалатын жағдайды елестете аламыз.

Бұл жылдамдықта, оны бәсеңдетуге ауа кедергісі болмаса, снаряд планетаға қарай үздіксіз құлаған кезде Жерді мәңгілікке айналдыра береді, бірақ Жер де снарядтан «қашып кеткендей» сол жылдамдықпен құлай береді. Бұл жағдай еркін құлау деп аталады.

Іс жүзінде

Шынайы өмірде бәрі біздің ойлау экспериментіндегідей қарапайым емес. Енді снарядтың баяулауына әкеліп соқтыратын, сайып келгенде, оның орбитада қалуы және Жерге құлап кетпеуі үшін қажетті жылдамдықтан айыратын ауа қарсылығымен күресуіміз керек.

Жер бетінен бірнеше жүз километр қашықтықта болса да, спутниктер мен ғарыш станцияларына әсер ететін және олардың баяулауына әкелетін кейбір ауа кедергісі әлі де бар. Бұл сүйреу, сайып келгенде, ғарыш кемесі немесе спутниктің атмосфераға енуіне әкеледі, ол әдетте ауамен үйкеліс салдарынан жанып кетеді.

Егер ғарыш станциялары мен басқа спутниктерде оларды орбитада жоғарылататын үдеу болмаса, олардың барлығы Жерге сәтсіз құлап кетер еді. Осылайша, спутниктің жылдамдығы планетаның спутниктен қисық қисайып кетуімен бірдей жылдамдықпен планетаға қарай түсетіндей етіп реттеледі. Сондықтан спутниктер Жерге түспейді.

Планеталардың өзара әрекеттесуі

Дәл осындай процесс Жердің айналасында еркін құлау орбитасында қозғалатын біздің Айға да қатысты. Әр секунд сайын Ай Жерге шамамен 0,125 см жақындайды, бірақ сонымен бірге біздің сфералық планетамыздың беті Айды айналып өтіп, бірдей қашықтыққа жылжиды, сондықтан олар бір-біріне қатысты орбиталарында қалады.

Орбиталардың немесе еркін құлаудың сиқырлы ештеңесі жоқ; олар тек спутниктердің Жерге неге құламайтынын түсіндіреді. Бұл жай ғана гравитация мен жылдамдық. Бірақ бұл ғарышқа қатысты барлық нәрсе сияқты керемет қызықты.

Иллюстрацияның авторлық құқығы Getty Images

Төменгі Жер орбитасында ғарыштық қоқыстардың саны тұрақты өсуде. Бағанашы пайдаланылған спутниктер Жерге құлаған кезде не болатынын анықтауды шешті. Бұл мәселені неміс ғалымдары зерттеп жатыр.

Виллемс маған «ең қызық нәрселерді» көрсететін ғимарат Кельн қаласында орналасқан неміс авиация және ғарыш орталығының (DLR) аэродинамикалық зерттеулер институтына тиесілі.

Виллемс сонымен қатар көптеген сенсорлары, қосқыштары мен түймелері бар үлкен ескі қашықтан басқару пульті бар жел туннельдерін басқару орталығын «ең қызық емес» деп санайды.

Жарылыстан қорғайтын үлкен есіктен өтіп, біз терезесіз бөлмеге кіреміз. Қабырғалары күйе басып, оқтың иісі ауада анық сезіледі.

Мұнда зымыран қозғалтқыштарының аэродинамикалық сынақтары жүргізіледі.

Бірақ бұл, белгілі болғандай, ең қызықты емес.

Виллемс өзінің «ең қызықты» эксперименттерін Кельн орталығының жел туннельдерінің бірінде жасайды. Ол спутниктің Жер орбитасынан кетуін имитациялайды.

«Қазір Жерді айналып жүрген көптеген жасанды серіктер бар және олардың барлығы ерте ме, кеш пе орбитадан шығады», - деп түсіндіреді Виллемс.

Атмосферада жанбаған спутник қалдықтары бір нәрсеге немесе біреуге түсуі мүмкін бе?

"Ғарыш аппараттары атмосфераға енген кезде олар жойылады. Біз олардың фрагменттерінің аман қалу ықтималдығы қаншалықты болатыны қызықтырады".

Басқаша айтқанда, атмосферада жанбаған пайдаланылған спутниктердің қалдықтары Жердегі бір нәрсеге немесе біреуге түсуі мүмкін бе?

Виллемс тәжірибелері үшін бөлінген бетон еденге орнатылған жел туннелі пароходқа қосылған үлкен, жартылай бөлшектелген шаңсорғышқа ұқсайды.

Жылтыр қондырғы құбырлар мен электр сымдарының желісімен жабылған. Әдетте, бұл құбыр дыбыстан жоғары және гипер дыбыстық ұшақтардың үлгілерін үрлеу үшін қолданылады - онда жасалған ауа ағынының жылдамдығы дыбыс жылдамдығынан 11 есе асып кетуі мүмкін.

Аспаннан спутниктер көбірек түседі

«Құбырдың» өзі биіктігі екі метр болатын сфералық металл камера, оның ішінде тазартуға арналған модельдер арнайы қысқыштармен бекітілген.

Бірақ Виллемс қысқыштарды қажет етпейді - ол жай ғана ауа шамамен 3000 км/сағ жылдамдықпен (бұл дыбыс жылдамдығынан екі есе жоғары) қарсы бағытта ауа ағып жатқан құбырға заттарды лақтырады.

Иллюстрацияның авторлық құқығы Getty ImagesСуреттің тақырыбы Әдетте, спутниктер атмосфераға енген кезде жойылады.

Осылайша жер атмосферасы арқылы орбитадан шығып жатқан спутниктің ұшуы имитацияланады.

Виллемс: «Біз объектілерді еркін құлау кезінде қалай әрекет ететінін көру үшін ауа ағынына орналастырамыз», - дейді.

«Әр тәжірибенің ұзақтығы небәрі 0,2 секунд, бірақ бұл көптеген суреттер мен қажетті өлшемдерді түсіруге жеткілікті уақыт».

Эксперимент кезінде алынған мәліметтер компьютерлік модельдерге енгізіледі, соның арқасында ғарыш аппараттарының орбитадан шығу кезіндегі әрекетін дәлірек болжауға болады. ( Бұл бейнеде DLRЖер атмосферасында Rosat спутнигінің жойылуы модельденді.)

Қазіргі уақытта 2012 жылдың сәуірінде кенет жұмысын тоқтатқан Еуропалық ғарыш агенттігінің Envisat спутнигі сияқты шағын металл сынықтарынан бастап автобустар көлеміндегі бүкіл ғарыш аппараттарына дейінгі аралықта шамамен 500 000 орбиталық қоқыс бар.

«Жалпы, біз траекториясын бақылап отырған қоқыс бөліктерінің саны артып келеді», - дейді Хуу Льюис, Ұлыбританияның Саутгемптон университетінің ұшақ және зымыран ғылымының аға оқытушысы.

Орбиталық қоқыстардың көлемі ұлғайған сайын жұмыс істеп тұрған жерсеріктермен немесе басқарылатын ғарыш аппараттарымен соқтығысу ықтималдығы да артады.

Орбиталық қоқыс мәселесі ұзақ уақыт бойы өзекті болып қала береді

Қазірдің өзінде осы себепті Халықаралық ғарыш стансасының орбитасы мезгіл-мезгіл реттелуі керек.

"Пайдаланылған көліктердің фрагменттері ғарышты игеру басталғаннан бері орбитадан шығып жатыр, - деді Льюис. - Әдетте, үлкен нысан атмосфераға үш-төрт күнде бір рет түседі және бұл мәселе ұзақ уақыт өзекті болып қала береді".

Атмосферадағы спутниктер шамадан тыс жүктеме мен жоғары температура әсерінен жойылғанымен, кейбір ірі қоқыс Жерге салыстырмалы түрде бүлінбеген күйде түседі.

«Мысалы, жанармай цистерналары, - дейді Льюис, - кейбір ғарыштық аппараттарда олардың көлемі шағын автомобильдікіндей болады».

Иллюстрацияның авторлық құқығы Getty ImagesСуреттің тақырыбы Пайдаланылған спутниктердің көпшілігі мұхиттың адам қоныстанбаған аймақтарында атмосферада ыдырайтындай орбитаға шығарылады.

Виллемс көліктерді жел туннеліне лақтырмаса да, оның мақсаты - ірі нысандар жойылған кезде қалай әрекет ететінін және олардың қандай фрагменттері теориялық тұрғыдан жер бетіне жете алатынын көру.

«Бір құрамдас бөліктің айналасындағы ағын оның көршілерінің айналасындағы ағынға әсер етеді, - деп түсіндіреді ол, - Жерге жеке немесе топ болып түсуіне байланысты олардың атмосферада толық жану ықтималдығының дәрежесі де өзгереді».

Бірақ ғарыш қоқыстары орбитадан жиі шығып кетсе, неге оның қоқыстары үйлердің шатырын жарып өтіп, басымызға түспейді?

Көп жағдайда пайдаланылған спутниктер борттық отынның қалдығын пайдаланып мақсатты түрде орбитадан шығарылады деген жауап бар.

Жерсеріктің бір бөлігінің сізге құлау ықтималдығы өте төмен

Бұл жағдайда түсу траекториялары спутниктер мұхиттардың адам қоныстанбаған аумақтарында атмосферада жанып кететіндей етіп есептеледі.

Бірақ жоспардан тыс деорбиталар әлдеқайда үлкен қауіп тудырады.

Осындай соңғы жағдайлардың бірі 2011 жылы американдық NASA ғарыш агенттігінің Атмосфераның жоғарғы қабатын зерттеу спутнигінің (UARS) жоспардан тыс деорбитасы болды.

Жер шарының 70%-ын мұхиттар алып жатқанына және жердің үлкен аумақтарында әлі де аз қоныстанғанына қарамастан, UARS құлауының жер бетінде жойылу ықтималдығы, NASA бағалауы бойынша, 2500-ден 1-ді құрады, Льюис.

«Бұл өте жоғары пайыз – біз халық үшін ықтимал қауіп 10 000-нан 1 болған кезде алаңдай бастаймыз», - дейді ол.

«Біз жер серігінің бір бөлігінің сізге құлауы туралы айтып отырған жоқпыз - оның ықтималдығы шамалы. Біздің айтқымыз келетіні оның біреудің үстіне құлау ықтималдығы».

Дүние жүзінде жыл сайын миллионнан астам адам көлік апаттарынан қайтыс болатынын ескерсек, орбиталық қоқыс бөлігінің Жерде айтарлықтай жойылу ықтималдығы өте аз.

Орбитаға неғұрлым көп спутниктер шығарылса, соғұрлым олар одан көп шығады

Бірақ бұл да назардан тыс қалмайды, өйткені ғарыш аппаратын ұшырған ел БҰҰ келісіміне сәйкес мұндай әрекеттерден келтірілген залал үшін заңдық және қаржылық жауапкершілікті көтереді.

Осы себепті ғарыш агенттіктері орбитадан құлаған объектілерге байланысты тәуекелдерді барынша азайтуға тырысады.

DLR эксперименттері ғалымдарға ғарыштық қоқыстардың әрекетін, оның ішінде жоспардан тыс орбиталар кезіндегі әрекеттерін жақсырақ түсінуге және мұқият бақылауға көмектеседі.

Ғарыштық ұшыру құны бірте-бірте төмендейді, ал спутниктер барған сайын миниатюралық болып келеді, сондықтан олардың саны алдағы онжылдықтарда ғана өседі.

«Адамзат ғарышты көбірек пайдаланады, бірақ орбиталық қоқыс мәселесі қиындап барады», - дейді Льюис. «Орбитаға көбірек спутниктер шығарылған сайын, одан да көп жер шығарылады».

Басқаша айтқанда, ғарыш кемесі қоқыстарының соғылу ықтималдығы шамалы болып қала берсе де, аспаннан көбірек спутниктер құлайтын болады.

Төменгі жер орбитасына шығарылған бірде-бір нысан онда мәңгі қала алмайды.

Немесе спутниктер неге құламайды? Спутниктің орбитасы инерция мен гравитация арасындағы нәзік тепе-теңдік болып табылады. Ауырлық күші жер серігін үздіксіз Жерге қарай тартады, ал спутниктің инерциясы оның қозғалысын түзу ұстауға ұмтылады. Егер гравитация болмаса, спутниктің инерциясы оны Жер орбитасынан тікелей ғарыш кеңістігіне жіберер еді. Дегенмен, орбитаның әрбір нүктесінде гравитация спутникті байланыстырады.

Инерция мен гравитация арасындағы тепе-теңдікке жету үшін спутникте қатаң белгіленген жылдамдық болуы керек. Егер ол тым жылдам ұшса, инерция гравитацияны жеңіп, спутник орбитадан шығады. (Спутниктің Жер орбитасынан шығуына мүмкіндік беретін екінші қашу жылдамдығын есептеу планетааралық ғарыш станцияларын ұшыруда маңызды рөл атқарады.) Егер спутник тым баяу қозғалса, гравитация инерциямен күресте жеңеді және спутник жерге құлау. Дәл осындай жағдай 1979 жылы американдық «Скайлэб» орбиталық станциясы жер атмосферасының жоғарғы қабаттарының қарсылығының күшеюі нәтижесінде құлдырай бастаған кезде болды. Ауырлық күшінің темір құрсауында қалған станция көп ұзамай Жерге құлады.

Жылдамдық және қашықтық

Жердің тартылыс күші қашықтыққа қарай әлсірейтіндіктен, спутникті орбитада ұстау үшін қажетті жылдамдық биіктікке байланысты өзгереді. Инженерлер спутниктің қаншалықты жылдамдықпен және қаншалықты биіктікте айналу керектігін есептей алады. Мысалы, әрқашан жер бетіндегі бір нүктеден жоғары орналасқан геостационарлық спутник 357 километр биіктікте 24 сағат ішінде (бұл Жердің өз осінің айналасында бір рет айналу уақытына сәйкес келеді) бір орбита жасауы керек.

Гравитация және инерция

Жер серігінің ауырлық күші мен инерция арасындағы теңдестірілуін оған бекітілген арқандағы салмақты айналдыру арқылы модельдеуге болады. Жүктің инерциясы оны айналу центрінен алыстатуға ұмтылады, ал арқанның тартылуы ауырлық күшінің рөлін атқара отырып, жүкті дөңгелек орбитада ұстайды. Егер арқан кесілсе, жүк өз орбитасының радиусына перпендикуляр түзу жолмен ұшып кетеді.

Қарапайым сұрақтар. Антонец Владимир Александрович энциклопедиясына ұқсас кітап

Неліктен спутниктер Жерге түспейді?

Бұл сұрақтың жауабы мектепте қайтарылады. Сонымен бірге олар әдетте салмақсыздықтың қалай пайда болатынын түсіндіреді. Мұның бәрі жердегі өмір тәжірибесіне негізделген интуицияға сәйкес келмейтіні сонша, оны түсіну қиын. Сондықтан, мектептегі білім тозған кезде (тіпті мұндай педагогикалық термин бар - «қалдық білім»), адамдар жер серігі неге жерге түспейді және ұшу кезінде ғарыш кемесі ішінде салмақсыздық пайда болады деп тағы да таң қалады.

Айтпақшы, егер біз осы сұрақтарға жауап бере алсақ, онда Айдың Жерге неліктен түспейтінін, ал Жердің, өз кезегінде, тартылыс күші болғанымен, Күнге түспейтінін біз өзімізге нақтылаймыз. Жерге әсер ететін Күн орасан зор – шамамен 3,6 миллиард тонна. Айтпақшы, салмағы 75 кг адамды Күн шамамен 50 г күшпен тартады.

Денелердің қозғалысы Ньютон заңдарына өте жоғары дәлдікпен бағынады. Бұл заңдарға сәйкес, ешбір сыртқы күштер әсер етпейтін өзара әрекеттесуші екі дене, егер олардың әрекеттесу күштері теңгерілген болса ғана, бір-біріне қатысты тыныштықта бола алады. Біз жер бетінде қозғалыссыз тұра аламыз, өйткені тартылыс күші жер бетінің біздің дене бетіндегі қысым күшімен дәл өтеледі. Сонымен бірге Жер мен біздің денеміз деформацияланады, сондықтан біз ауырлықты сезінеміз. Мысалы, біз жүктің қандай да бір түрін көтере бастасақ, біз оның салмағын бұлшықет кернеуі және дененің деформациясы арқылы сезінеміз, ол арқылы жүк жерге тіреледі.

Егер күштердің мұндай өтелуі болмаса, денелер бір-біріне қатысты қозғала бастайды. Бұл қозғалыс әрқашан айнымалы жылдамдыққа ие және жылдамдықтың шамасы да, оның бағыты да өзгеруі мүмкін. Енді біз қандай да бір дененің қозғалысын Жер бетіне параллель бағыттай отырып, оның жылдамдығын арттырдық деп елестетіңіз. Егер бастапқы жылдамдық 7,9 км/с-тан аз болса, яғни бірінші ғарыштық жылдамдық деп аталатыннан аз болса, онда ауырлық күшінің әсерінен дененің жылдамдығы шамасы жағынан да, бағыты бойынша да өзгере бастайды және ол сөзсіз төмендейді. Жер. Егер жеделдету жылдамдығы 11,2 км/с артық болса, яғни екінші ғарыштық жылдамдық болса, дене ұшып кетеді және ешқашан жерге оралмайды.

Егер жылдамдық біріншіден үлкен, бірақ екінші ғарыштық жылдамдықтан аз болса, онда дене қозғалған кезде жылдамдықтың бағыты ғана өзгереді, ал шамасы тұрақты болып қалады. Түсінгеніңіздей, бұл дене тұйық шеңбер бойымен қозғалса ғана мүмкін болады, оның диаметрі үлкенірек жылдамдық екінші ғарыштық жылдамдыққа жақындаған сайын. Бұл дененің Жердің жасанды серігіне айналғанын білдіреді. Белгілі бір жағдайларда қозғалыс айналмалы жолмен емес, ұзартылған эллиптикалық жолмен жүреді.

Егер Жер аймағындағы дене Жерді Күнмен байланыстыратын сегментке перпендикуляр бағытта 42 км/с жылдамдықпен үдетілсе, ол Күн жүйесінен мәңгілікке кетеді. Жердің орбиталық жылдамдығы небәрі 29 км/с, сондықтан, бақытымызға орай, ол Күннен ұшып кете алмайды және оған құлай алмайды және мәңгілік оның серігі болып қала береді.

Бұл мәтін кіріспе фрагмент болып табылады.