Šiuo metu Žemės orbitoje yra daugiau nei 1000 dirbtinių palydovų. Jie atlieka įvairias užduotis ir turi skirtingą dizainą. Tačiau jie turi vieną bendrą bruožą – palydovai sukasi aplink planetą ir nekrenta.

Greitas paaiškinimas

Tiesą sakant, palydovai nuolat krenta į Žemę dėl gravitacijos. Tačiau jie visada praleidžia, nes jie turi šoninį greitį, kurį nustato inercija paleidimo metu.

Palydovo sukimasis aplink Žemę reiškia, kad jis nuolat krenta pro šalį.

Paaiškinimas

Jei mesti kamuolį į orą, kamuolys nukrenta atgal. Tai yra, nes gravitacija– ta pati jėga, kuri laiko mus Žemėje ir neleidžia skristi į kosmosą.

Palydovai į orbitą iškeliami raketomis. Raketa turi įsibėgėti iki 29 000 km/val! Tai pakankamai greita, kad įveiktų stiprią gravitaciją ir ištrūktų iš Žemės atmosferos. Kai raketa pasiekia norimą tašką virš Žemės, ji paleidžia palydovą.

Palydovas naudoja energiją, gautą iš raketos, kad išliktų judėjimas. Šis judėjimas vadinamas impulsas.

Bet kaip palydovas išlieka orbitoje? Ar jis neskris tiesiai į kosmosą?

Ne visai. Net kai palydovas yra už tūkstančių kilometrų, Žemės gravitacija jį vis tiek traukia. Žemės gravitacija kartu su raketos impulsu priverčia palydovą skrieti apskritimu aplink Žemę – Orbita.

Kai palydovas yra orbitoje, jis puikiai subalansuoja impulsą ir Žemės gravitacijos jėgą. Tačiau rasti šią pusiausvyrą gana sunku.

Gravitacija tuo stipresnė, kuo objektas arčiau Žemės. O palydovai, kurie skrieja aplink Žemę, turi skristi labai dideliu greičiu, kad išliktų orbitoje.

Pavyzdžiui, NOAA-20 palydovas skrieja vos kelis šimtus kilometrų virš Žemės. Kad išliktų orbitoje, jis turi važiuoti 27 300 km/val.

Kita vertus, NOAA palydovas GOES-East skrieja aplink Žemę 35 405 km aukštyje. Norint įveikti gravitaciją ir išlikti orbitoje, jam reikia maždaug 10 780 km/val.

TKS yra 400 km aukštyje, todėl jo greitis siekia 27 720 km/val.

Palydovai gali išbūti orbitoje šimtus metų, todėl mums nereikia jaudintis, kad jie nukris į Žemę.

Šiandien galime anksti ryte ar vakare išeiti už savo namų ir pamatyti virš galvos skrendančią ryškią kosminę stotį. Nors kelionės į kosmosą tapo įprasta šiuolaikinio pasaulio dalimi, daugeliui žmonių erdvė ir su ja susijusios problemos lieka paslaptimi. Taigi, pavyzdžiui, daugelis žmonių nesupranta, kodėl palydovai nenukrenta į Žemę ir neskrenda į kosmosą?

Elementarioji fizika

Jeigu mes išmesime kamuolį į orą, jis greitai grįš į Žemę, kaip ir bet kuris kitas objektas, pavyzdžiui, lėktuvas, kulka ar net balionas.

Kad suprastume, kodėl erdvėlaivis gali skrieti aplink Žemę nenukrisdamas, bent jau normaliomis aplinkybėmis, turime atlikti minties eksperimentą. Įsivaizduokite, kad esate ant jo, bet nėra oro ar atmosferos. Turime atsikratyti oro, kad galėtume padaryti savo modelį kuo paprastesnį. Dabar turėsite mintyse užkopti į aukšto kalno viršūnę su ginklu, kad suprastumėte, kodėl palydovai nenukrenta į Žemę.

Padarykime eksperimentą

Nutaikome ginklo vamzdį tiksliai horizontaliai ir šauname vakarų horizonto link. Sviedinys dideliu greičiu išskris iš snukio ir pasuks į vakarus. Kai tik sviedinys paliks vamzdį, jis pradės artėti prie planetos paviršiaus.

Patrankos sviediniui greitai judant į vakarus, jis nukris ant žemės tam tikru atstumu nuo kalno viršūnės. Jei ir toliau didinsime ginklo galią, sviedinys nukris ant žemės daug toliau nuo šaudymo vietos. Kadangi mūsų planeta yra rutulio formos, kiekvieną kartą, kai kulka palieka snukį, ji kris toliau, nes planeta taip pat toliau sukasi apie savo ašį. Štai kodėl palydovai nenukrenta į Žemę dėl gravitacijos.

Kadangi tai yra minties eksperimentas, mes galime padaryti ginklą galingesnį. Juk galime įsivaizduoti situaciją, kai sviedinys juda tokiu pat greičiu kaip ir planeta.

Tokiu greičiu, nesant oro pasipriešinimo jį sulėtinti, sviedinys ir toliau skries aplink Žemę amžinai, nes nenutrūkstamai kris planetos link, tačiau Žemė taip pat toliau kris tokiu pat greičiu, tarsi „ištrūktų“ nuo sviedinio. Ši sąlyga vadinama laisvu kritimu.

Apie praktiką

Realiame gyvenime viskas nėra taip paprasta, kaip mūsų minties eksperimente. Dabar turime susidoroti su oro pasipriešinimu, dėl kurio sviedinys sulėtėja ir galiausiai atima greitį, kurio reikia, kad išliktų orbitoje ir išvengtų kritimo į Žemę.

Net ir kelių šimtų kilometrų atstumu nuo Žemės paviršiaus vis dar yra tam tikras oro pasipriešinimas, kuris veikia palydovus ir kosmines stotis ir priverčia juos sulėtėti. Dėl šio pasipriešinimo erdvėlaivis ar palydovas galiausiai patenka į atmosferą, kur paprastai sudega dėl trinties su oru.

Jei kosminės stotys ir kiti palydovai neturėtų tokio pagreičio, kad galėtų juos išstumti aukščiau orbitoje, jie visi nesėkmingai nukristų į Žemę. Taigi palydovo greitis sureguliuojamas taip, kad jis nukristų link planetos tokiu pačiu greičiu, kaip planeta krypsta nuo palydovo. Štai kodėl palydovai nenukrenta į Žemę.

Planetų sąveika

Tas pats procesas galioja ir mūsų Mėnulyje, kuris juda laisvo kritimo orbita aplink Žemę. Kas sekundę Mėnulis prie Žemės priartėja apie 0,125 cm, tačiau tuo pačiu metu mūsų sferinės planetos paviršius pasislenka tokiu pat atstumu, aplenkdamas Mėnulį, todėl jie lieka savo orbitose vienas kito atžvilgiu.

Orbitose ar laisvajame kritime nėra nieko stebuklingo, jie tik paaiškina, kodėl palydovai nenukrenta į Žemę. Tai tik gravitacija ir greitis. Bet tai nepaprastai įdomu, kaip ir visa kita, kas susijusi su kosmosu.

Iliustracijos autorinės teisės Getty Images

Kosminių šiukšlių kiekis žemoje Žemės orbitoje nuolat auga. Kolekcininkas nusprendė išsiaiškinti, kas nutinka, kai į Žemę nukrenta panaudoti palydovai. Vokiečių mokslininkai tiria šią problemą.

Pastatas, kuriame Willemsas man parodys „įdomiausius dalykus“, priklauso Vokietijos aviacijos ir kosmoso centro (DLR) aerodinaminių tyrimų institutui, įsikūrusiam Kelne.

Willemsas taip pat įvardija vėjo tunelio valdymo centrą su didžiuliu senu nuotolinio valdymo pulteliu, kuriame yra daug jutiklių, jungiklių ir mygtukų, kaip „ne patį įdomiausią“.

Praėję masyvias sprogimui atsparias duris, patenkame į kambarį be langų. Sienos padengtos suodžiais, o ore aiškiai jaučiamas parako kvapas.

Čia atliekami raketų variklių aerodinaminiai bandymai.

Bet tai, kaip paaiškėjo, nėra įdomiausia.

Willemsas atlieka savo „įdomiausius“ eksperimentus viename iš Kelno centro vėjo tunelių. Jis imituoja palydovo išvykimą iš Žemės orbitos.

„Dabar aplink Žemę sukasi daugybė dirbtinių palydovų, ir visi jie anksčiau ar vėliau paliks orbitą“, – aiškina Willemsas.

Ar atmosferoje nesudegusios palydovinės šiukšlės gali nukristi ant kažko – ar ant ko nors?

"Kai erdvėlaiviai patenka į atmosferą, jie sunaikinami. Mus domina, kokia tikimybė, kad jų fragmentai išliks."

Kitaip tariant, ar atmosferoje nesudegusių panaudotų palydovų nuolaužos gali nukristi ant kažko ar ko nors Žemėje?

Ant betoninių grindų įrengtas vėjo tunelis, kuris buvo skirtas Willemso eksperimentams, primena didžiulį, pusiau išardytą dulkių siurblį, sujungtą su garlaiviu.

Blizgantis įrenginys yra padengtas vamzdžių ir elektros laidų tinklu. Paprastai šiuo vamzdžiu prapūsti viršgarsinių ir hipergarsinių orlaivių modelius – jame sukuriamo oro srauto greitis gali 11 kartų viršyti garso greitį.

Iš dangaus kris vis daugiau palydovų

Pats „vamzdis“ yra dviejų metrų aukščio sferinė metalinė kamera, kurios viduje specialiais spaustukais tvirtinami prapūtimo modeliai.

Tačiau Willemsui nereikia spaustukų – jis paprasčiausiai meta daiktus į vamzdį, kuriuo oras teka priešinga kryptimi maždaug 3000 km/h greičiu (tai dvigubai viršija garso greitį).

Iliustracijos autorinės teisės Getty Images Vaizdo antraštė Paprastai palydovai sunaikinami patekę į atmosferą.

Tokiu būdu imituojamas palydovo skrydis iš orbitos per žemės atmosferą.

„Mes įdedame objektus į oro srautą, kad pamatytume, kaip jie elgiasi imituojant laisvą kritimą“, – sako Willemsas.

„Kiekvieno eksperimento trukmė – tik 0,2 sekundės, tačiau tiek laiko pakanka padaryti daug nuotraukų ir atlikti būtinus matavimus.

Eksperimentų metu gauti duomenys bus suvesti į kompiuterinius modelius, kurių dėka bus galima tiksliau prognozuoti erdvėlaivių elgesį išvažiuojant iš orbitos. ( Šiame vaizdo įraše DLR buvo imituojamas palydovo Rosat sunaikinimas žemės atmosferoje.)

Šiuo metu aplink Žemę skrieja apie 500 000 orbitinių nuolaužų – nuo ​​mažų metalinių skeveldrų iki ištisų autobusų dydžio erdvėlaivių, tokių kaip Europos kosmoso agentūros palydovas Envisat, kuris staiga nustojo veikti 2012 m. balandį.

„Apskritai nuolaužų, kurių trajektorijas stebime, skaičius auga“, – sako Huw Lewisas, Didžiosios Britanijos Sautamptono universiteto orlaivių ir raketų mokslo vyresnysis dėstytojas.

Didėjant orbitinių šiukšlių kiekiui, taip pat padidės susidūrimų su veikiančiais palydovais ar pilotuojamais erdvėlaiviais tikimybė.

Orbitos šiukšlių problema išliks aktuali ilgą laiką

Jau dabar dėl šios priežasties Tarptautinės kosminės stoties orbitą tenka periodiškai koreguoti.

„Panaudotų transporto priemonių fragmentai skrieja iš orbitos nuo pat kosmoso tyrinėjimų pradžios“, – sakė Lewisas, – „Paprastai didelis objektas į atmosferą patenka kartą per tris ar keturias dienas, ir ši problema išliks aktuali ilgą laiką.

Nors palydovus atmosferoje sunaikina perkrovos ir aukšta temperatūra, kai kurios didelės šiukšlės į Žemę nukrenta palyginti nepažeistos.

„Pavyzdžiui, degalų bakai, – sako Lewisas, – kai kurie erdvėlaiviai turi mažo automobilio dydį.

Iliustracijos autorinės teisės Getty Images Vaizdo antraštė Dauguma panaudotų palydovų yra deorbituojami taip, kad suyra atmosferoje virš negyvenamų vandenynų sričių.

Nors Willemsas nemeta automobilių į vėjo tunelį, jo tikslas – pamatyti, kaip sunaikinami dideli objektai elgiasi ir kurios jų skeveldros teoriškai galėtų pasiekti žemės paviršių.

„Srautas aplink vieną komponentą turi įtakos srautui aplink jo kaimynus“, - aiškina jis: „Priklausomai nuo to, ar jie patenka į Žemę atskirai, ar kaip grupė, jų visiško degimo atmosferoje tikimybė taip pat keičiasi.

Bet jei kosminės šiukšlės taip dažnai iškeliauja iš orbitos, kodėl jų nuolaužos neprasiskverbia pro namų stogus ir nenukrenta mums ant galvų?

Daugeliu atvejų atsakymas yra toks, kad panaudoti palydovai yra tikslingai deorbituojami naudojant laive esantį kuro likutį.

Tikimybė, kad palydovo gabalas nukris ant jūsų, yra labai maža

Šiuo atveju nusileidimo trajektorijos apskaičiuojamos taip, kad palydovai sudegtų atmosferoje virš negyvenamų vandenynų plotų.

Tačiau neplanuoti deorbitai kelia daug didesnį pavojų.

Vienas iš naujausių tokių atvejų buvo neplanuota Amerikos kosmoso agentūros NASA Upper Atmosphere Research Satellite (UARS) deorbita 2011 m.

Nepaisant to, kad 70% Žemės dengia vandenynai, o dideli sausumos plotai vis dar yra retai apgyvendinti, tikimybė, kad UARS kritimas sukels sunaikinimą Žemėje, NASA skaičiavimais buvo 1 iš 2500, pažymi Lewisas.

„Tai labai didelis procentas – pradedame nerimauti, kai galimas pavojus gyventojams yra 1 iš 10 000“, – sako jis.

„Mes nekalbame apie tai, kad ant jūsų nukris palydovo gabalas – tikimybė, kad tai bus nereikšminga, yra tikimybė, kad jis iš esmės nukris ant ko nors.

Atsižvelgiant į tai, kad automobilių avarijose visame pasaulyje kasmet žūsta daugiau nei milijonas žmonių, tikimybė, kad orbitos nuolaužos sukels reikšmingą sunaikinimą Žemėje, yra labai maža.

Kuo daugiau palydovų bus iškelta į orbitą, tuo daugiau jų paliks ją

Ir vis dėlto tai nėra pamirštama, nes šalis, paleidžianti erdvėlaivius, pagal JT susitarimus prisiima teisinę ir finansinę atsakomybę už bet kokią tokios veiklos padarytą žalą.

Dėl šios priežasties kosmoso agentūros stengiasi sumažinti riziką, susijusią su objektų kritimu iš orbitos.

DLR eksperimentai padės mokslininkams geriau suprasti ir atidžiau stebėti kosminių šiukšlių elgesį, taip pat ir neplanuotų deorbitų metu.

Paleidimų į kosmosą kaina po truputį mažėja, o palydovai tampa vis miniatiūriškesni, todėl ateinančiais dešimtmečiais jų skaičius tik didės.

„Žmonija vis dažniau naudojasi kosmosu, tačiau orbitos šiukšlių problema vis blogėja“, – sako Lewisas: „Kadangi į orbitą iškeliama daugiau palydovų, iš jos bus pašalinta daugiau.

Kitaip tariant, nors tikimybė, kad juos nukentės erdvėlaivio nuolaužos, išlieka nereikšminga, vis daugiau palydovų kris iš dangaus.

Joks objektas, paleistas į žemąją Žemės orbitą, negali likti ten amžinai.

Arba kodėl nekrenta palydovai? Palydovo orbita yra subtilus balansas tarp inercijos ir gravitacijos. Gravitacijos jėga nuolat traukia palydovą link Žemės, o palydovo inercija linkusi išlaikyti jo judėjimą tiesiai. Jei nebūtų gravitacijos, palydovo inercija jį siųstų tiesiai iš Žemės orbitos į kosmosą. Tačiau kiekviename orbitos taške gravitacija palaiko palydovą pririštą.

Norint pasiekti pusiausvyrą tarp inercijos ir gravitacijos, palydovas turi turėti griežtai apibrėžtą greitį. Jei jis skrenda per greitai, inercija įveikia gravitaciją ir palydovas palieka orbitą. (Paleidžiant tarpplanetines kosmines stotis svarbų vaidmenį atlieka vadinamojo antrojo pabėgimo greičio, leidžiančio palydovui palikti Žemės orbitą, apskaičiavimas.) Jei palydovas judės per lėtai, kovą su inercija laimės gravitacija, o palydovas nukristi į Žemę. Būtent taip atsitiko 1979 m., kai dėl augančio viršutinių žemės atmosferos sluoksnių pasipriešinimo Amerikos orbitinė stotis Skylab pradėjo nykti. Pagauta geležinių gravitacijos gniaužtų, stotis netrukus nukrito į Žemę.

Greitis ir atstumas

Kadangi Žemės gravitacija mažėja didėjant atstumui, greitis, reikalingas palydovui išlaikyti orbitoje, skiriasi priklausomai nuo aukščio. Inžinieriai gali apskaičiuoti, kokiu greičiu ir kokio aukščio turi skrieti palydovas. Pavyzdžiui, geostacionarus palydovas, visada esantis virš to paties žemės paviršiaus taško, turi apskrieti vieną orbitą per 24 valandas (tai atitinka vieno Žemės apsisukimo aplink savo ašį laiką) 357 kilometrų aukštyje.

Gravitacija ir inercija

Palydovo pusiausvyrą tarp gravitacijos ir inercijos galima imituoti sukant svorį ant prie jo pritvirtintos virvės. Krovinio inercija linkusi jį atitolinti nuo sukimosi centro, o lyno įtempimas, veikdamas kaip gravitacija, išlaiko krovinį apskritime. Jei virvė bus nupjauta, krovinys nuskris tiesiu keliu, statmenu jo orbitos spinduliui.

Paprasti klausimai. Knyga, panaši į enciklopediją Antonets Vladimiras Aleksandrovičius

Kodėl palydovai nenukrenta į Žemę?

Atsakymas į šį klausimą grąžinamas mokykloje. Tuo pačiu metu jie paprastai taip pat paaiškina, kaip atsiranda nesvarumas. Visa tai taip nesuderinama su intuicija, pagrįsta žemiškojo gyvenimo patirtimi, kad ją sunku suvokti. Ir todėl, kai sutrinka mokyklinės žinios (yra netgi toks pedagoginis terminas - „likusios žinios“), žmonės vėl stebisi, kodėl palydovai nenukrenta į Žemę ir skrydžio metu erdvėlaivio viduje atsiranda nesvarumas.

Beje, jei galime atsakyti į šiuos klausimus, tai tuo pačiu ir patys išsiaiškinsime, kodėl Mėnulis nekrenta į Žemę, o Žemė savo ruožtu nekrenta į Saulę, nors gravitacinė jėga Žemę veikianti Saulė yra milžiniška – apytiksliai 3,6 mlrd. tonų. Beje, 75 kg sveriantį žmogų Saulė traukia maždaug 50 g jėga.

Kūnų judėjimas labai tiksliai paklūsta Niutono dėsniams. Pagal šiuos dėsnius du sąveikaujantys kūnai, kurių neveikia jokios išorinės jėgos, vienas kito atžvilgiu gali būti ramybėje tik tada, kai jų sąveikos jėgos yra subalansuotos. Mums pavyksta stovėti nejudėdami ant žemės paviršiaus, nes gravitacijos jėgą tiksliai kompensuoja žemės paviršiaus slėgio jėga mūsų kūno paviršiuje. Tuo pačiu metu Žemė ir mūsų kūnas deformuojasi, todėl jaučiame sunkumą. Jei, pavyzdžiui, pradedame kelti kokį nors krūvį, jo svorį pajusime per raumenų įtempimą ir kūno deformaciją, per kurią krūvis remiasi į žemę.

Jei tokio jėgų kompensavimo nėra, kūnai pradeda judėti vienas kito atžvilgiu. Šis judėjimas visada turi kintamą greitį, gali keistis ir greičio dydis, ir jo kryptis. Dabar įsivaizduokite, kad mes pagreitinome kokį nors kūną, nukreipdami jo judėjimą lygiagrečiai Žemės paviršiui. Jei pradinis greitis buvo mažesnis nei 7,9 km/s, tai yra mažesnis už vadinamąjį pirmąjį kosminį greitį, tada, veikiant gravitacijai, kūno greitis pradės keistis tiek dydžiu, tiek kryptimi ir tikrai sumažės iki Žemė. Jei pagreičio greitis buvo didesnis nei 11,2 km/s, tai yra antrasis kosminis greitis, kūnas nuskris ir niekada negrįš į Žemę.

Jei greitis buvo didesnis už pirmąjį, bet mažesnis už antrąjį kosminį greitį, tai kūnui judant pasikeis tik greičio kryptis, o dydis išliks pastovus. Kaip suprantate, tai įmanoma tik tuo atveju, jei kūnas juda uždaru ratu, kurio skersmuo tuo didesnis, kuo greitis arčiau antrojo kosminio greičio. Tai reiškia, kad kūnas tapo dirbtiniu Žemės palydovu. Tam tikromis sąlygomis judėjimas vyks ne apskritimu, o pailgu elipsiniu keliu.

Jeigu Žemės regione esantis kūnas bus pagreitintas statmena atkarpai, jungiančiai Žemę su Saule, kryptimi iki 42 km/s greičio, jis amžiams paliks Saulės sistemą. Žemės skriejimo greitis siekia vos 29 km/s, tad, laimei, ji negali nei nuskristi nuo Saulės, nei ant jos nukristi ir amžinai išliks jos palydovu.

Šis tekstas yra įvadinis fragmentas.