ОРБИТА
ПОЛЕВОЙ СПРАВОЧНИК ПО МКС И «МИРУ»
Десять глав о том, почему космический аппарат не падает, как две станции строились в четырёхстах километрах над Землёй, и чего стоит вернуть станцию домой. Пролистайте вниз, чтобы начать миссию.
НАЧАТЬ — ГЛАВА 01 →Падать — и промахиваться мимо земли
Любой спутник, станция или космический аппарат на орбите — падает. Гравитация никогда не отпускает его. То, что удерживает их от падения на Землю, — не отсутствие гравитации, а горизонтальная скорость.
Исаак Ньютон описал это мысленным экспериментом: выстрелите пушечным ядром достаточно быстро, горизонтально, с достаточно высокой горы — и кривизна его падения совпадёт с кривизной уходящей из-под него Земли. Оно никогда не приземлится. Оно выйдет на орбиту.
Измените начальную скорость и посмотрите, как одно и то же ядро находит три разные судьбы. Кривые — настоящие орбиты вокруг Земли как точечной массы; ядро выпущено с вершины воображаемой горы высотой 100 км; как и у Ньютона, воздух не учитывается. Там для круговой орбиты нужно 7,84 км/с, а для ухода — 11,09 км/с, чуть меньше значений у поверхности из следующей главы.
Три порога — три судьбы
В советской и российской космонавтике выделяют три критические скорости. Каждая — порог: выйти на орбиту Земли, покинуть Землю и покинуть Солнечную систему.
Скорость круговой орбиты у самой поверхности, если бы не было воздуха. Ниже этого порога объект падает обратно на Землю. Чем выше, тем она меньше: на высоте МКС, 415 км, — 7,66 км/с.
Вторая космическая скорость — скорость, необходимая для полного разрыва с земной гравитацией: аппарат уходит прочь и уже не возвращается, не тратя больше топлива.
Отсчитывается относительно Земли — при старте у поверхности по направлению орбитального движения Земли; это скорость, необходимая, чтобы полностью покинуть Солнечную систему. На расстоянии Земли для ухода от Солнца нужно 42,1 км/с; бо́льшую часть даёт орбитальная скорость самой Земли, 29,8 км/с, поэтому аппарат должен уйти из поля тяготения Земли с запасом 12,3 км/с — а для этого при старте нужно √(12,3² + 11,2²) ≈ 16,6 км/с. «Пионеры» и «Вояджеры» набрали скорость ухода из Солнечной системы лишь благодаря гравитационному манёвру у Юпитера (см. ПРАЩА).
Крупнейшая орбитальная лаборатория человечества
Сборка началась в 1998 году, когда на орбите соединили российский модуль «Заря» и американский узловой модуль Unity. Больше десяти лет к ним добавлялись новые модули, фермы и солнечные батареи; станцию построили и эксплуатируют пять космических агентств из 15 стран [1]. Экипаж живёт на ней без перерыва с ноября 2000 года [1], а летает она примерно в 415 км над Землёй по орбите с наклонением 51,6° к экватору [2].
РИС. 3.1 — СХЕМА МОДУЛЕЙ (НЕ В МАСШТАБЕ). ВЫБЕРИТЕ МОДУЛЬ.
День без верха и низа
Станция живёт по Гринвичу — независимо от примерно шестнадцати восходов, которые видит экипаж за сутки. Выберите фазу распорядка дня.
Шестнадцать восходов в сутки
На высоте около 415 км [2] МКС делает виток за 93 минуты, а Земля тем временем вращается под ней, поэтому наземная трасса смещается к западу с каждым витком. Трасса никогда не уходит дальше 51,6° северной или южной широты, но видна станция и дальше: с высоты 415 км она поднимается выше 10° над горизонтом для всех, кто находится в пределах примерно 1 400 км от точки под ней. Выберите город, чтобы посчитать пролёты.
Модель: круговая орбита 415 км с наклонением 51,6° [2], Земля — шар; пролёт засчитывается, когда станция поднимается выше 10° над горизонтом, днём или ночью, с усреднением по всем начальным положениям орбиты. Глазом видны лишь пролёты, когда станция освещена Солнцем, а небо тёмное.
Почему экипаж парит
Часто говорят, что наверху нет гравитации. Это не так: на высоте станции притяжение Земли составляет около 90 процентов от того, что у поверхности [4]. Экипаж парит, потому что станция и всё, что в ней, вместе падают вокруг Земли, — как ядро из главы 1. Меняйте высоту и смотрите, что меняется, а что нет.
Модель: круговая орбита вокруг шарообразной Земли (R = 6 378 км, GM = 398 600 км³/с²), без воздуха. «Витков в сутки» — число оборотов за 24 часа; восходов почти столько же. Человек на башне такой высоты весил бы указанную долю; на станции весы показывают ноль, потому что падают вместе с ним.
Зачем лаборатория в состоянии невесомости
Микрогравитация убирает одну переменную — вес, — с которой приходится считаться в любом эксперименте на Земле. Это делает МКС испытательным полигоном для медицины, материаловедения и технологий, которые понесут человека дальше.
Легендарная предшественница
Название «Мир» значит и «мир» как отсутствие войны, и «мир» как весь свет (по-английски — peace и world). Станция провела на орбите пятнадцать лет, втрое дольше расчётных пяти [9]. Она приняла 28 долговременных экспедиций, а всего — 125 космонавтов и астронавтов из 12 стран [10]. Пролистайте хронологию.
Станция, собранная модуль за модулем
«Мир» первым воплотил принцип, который позже переняла каждая станция: небольшой базовый блок, расширяемый модуль за модулем, — пять исследовательских модулей, добавленных с 1987 по 1996 год [11], бо́льшая часть из них — вокруг узла в передней части базового блока. Выберите модуль.
Управляемое завершение
К осени 2000 года все попытки найти деньги на продолжение полёта «Мира» провалились, и РКК «Энергия» и российское правительство приняли решение свести станцию с орбиты [11][12]. Чтобы 135 тонн конструкций [11] не вошли в атмосферу там, куда их случайно приведёт торможение, специалисты по управлению полётом спланировали намеренный спуск в южную часть Тихого океана. Пройдите по этапам.
Тормозные импульсы в цифрах
Тормозной импульс в высшей точке орбиты опускает противоположную, низшую точку. Калькулятор находит наименьший такой импульс — мгновенный, ровно в высшей точке — и сравнивает его с тем, что на самом деле выполнил пристыкованный к «Миру» «Прогресс» [11]. Настоящие импульсы обошлись дороже: им нужно было ещё и поставить низшую точку, а с ней и обломки, над районом падения.
Модель: кеплеровы орбиты вокруг шарообразной Земли, высоты отсчитаны от 6 378 км, один мгновенный импульс вдоль скорости в высшей точке. Орбиты и импульсы «Мира» — реконструкция ЕКА для 23 марта 2001 года [11]; высота начала разрушения 110–100 км — из плана спуска [12].
МКС завершит работу так же
Положение на 10 октября 2026 года: США, Япония, Канада и страны ЕКА обязались эксплуатировать станцию до 2030 года [13]. Россия, до этого обязавшаяся лишь до 2028-го, в июле 2026 года на переговорах с NASA согласилась поддерживать работу станции тоже до 2030 года; NASA подтвердило эти сведения [14]. Конгресс обязал NASA поддерживать работу станции как минимум до 30 сентября 2030 года [2]. В июне 2024 года NASA поручила SpaceX построить американский корабль для сведения станции с орбиты (US Deorbit Vehicle); контракт стоит до 843 млн долларов, а задача корабля — направить станцию в безлюдный район океана [13].
Почему бы не поднять её повыше? На высоте около 415 км без подъёмов орбиты станция упала бы за один-два года [2]. По оценке NASA, подъём на орбиту, где станция продержится 100 лет, стоит 120–140 м/с, а на орбиту, где она продержится больше 10 000 лет, — 760 м/с, тогда как управляемый спуск — 57 м/с [15]. К тому же выше теснее: ожидаемое время между пробивающими ударами обломков сокращается примерно с 51 года на высоте 415 км до менее чем 4 лет на 800 км [2] (см. ОБЛОМКИ).
Модель: двухимпульсный гомановский переход между круговыми орбитами с 415 км, без сопротивления воздуха. NASA не называет высоты, к которым относятся её оценки на 100 и 10 000 лет; сопоставление с 633–670 км и 2 000 км — вывод этой модели.
От «Салюта» — к тому, что дальше
Каждая станция — довод в пользу следующей. Пятьдесят пять лет непрерывной, перетекающей друг в друга инженерной традиции отделяют первую пилотируемую станцию от тех, что сейчас проектируют для низкой орбиты, окололунного пространства и дальше. О станциях между ними — в справочниках «Салют» и «Тяньгун».
Источники, на которые ссылается этот справочник
Номера в квадратных скобках в тексте выше соответствуют источникам ниже.