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地球低軌道上のスペースデブリの量は着実に増加しています。 コラムニストは、使用済みの衛星が地球に落下したときに何が起こるかを解明することにしました。 ドイツの科学者はこの問題を研究しています。
ウィレムスが「最も興味深いもの」を私に見せてくれる予定の建物は、ケルンにあるドイツ航空宇宙センター (DLR) の航空力学研究研究所に属しています。
ウィレムス氏はまた、「最も面白くない」ものとして、多くのセンサー、スイッチ、ボタンを備えた巨大な古いリモコンのある風洞制御室を挙げています。
巨大な防爆ドアを通過すると、窓のない部屋に入ります。 壁は煤で覆われ、火薬の匂いが空気中にはっきりと感じられます。
ここではロケットエンジンの空力試験が行われます。
しかし、結局のところ、これは最も興味深いものではありません。
ウィレムスはケルンセンターの風洞の一つで「最も興味深い」実験を行っています。 衛星が地球軌道から離れる様子をシミュレートします。
「現在、膨大な数の人工衛星が地球の周りを回っていますが、遅かれ早かれそのすべてが軌道を離れることになります」とウィレムス氏は説明します。
大気圏で燃え尽きなかった衛星の破片が何か、あるいは誰かの上に落ちた可能性はあるのでしょうか？
「宇宙船は大気圏に突入すると破壊されます。私たちはその破片が生き残る可能性がどれくらいあるのかに興味があります。」
言い換えれば、大気圏で燃え尽きなかった使用済み衛星の破片が地球上の何か、または誰かに落ちる可能性はあるのでしょうか?
ウィレムスの実験用に割り当てられたコンクリートの床に設置された風洞は、汽船に接続された半分分解された巨大な掃除機に似ています。
光沢のあるユニットはパイプと電線のネットワークで覆われています。 通常、このパイプは超音速および極超音速の航空機のモデルを吹き飛ばすために使用されます。パイプ内で生成される空気流の速度は音速の 11 倍を超えることがあります。
空からはどんどん人工衛星が落ちてくるだろう
「パイプ」自体は高さ2メートルの球形の金属製チャンバーで、その中にパージ用のモデルが特別なクランプで固定されています。
しかし、ウィレムス氏はクランプを必要とせず、空気が時速約 3000 km (音速の 2 倍) で逆方向に流れるパイプの中に物体を投げ込むだけです。
イラスト著作権ゲッティイメージズ画像キャプション 原則として、人工衛星は大気圏に突入すると破壊されます。このようにして、地球の大気中を周回する衛星の飛行がシミュレートされます。
「物体を空気の流れの中に置き、自由落下をシミュレートしたときに物体がどのように動作するかを確認しました」とウィレムス氏は言います。
「各実験の所要時間はわずか 0.2 秒ですが、多くの写真を撮り、必要な測定を行うには十分な時間です。」
実験中に得られたデータはコンピューターモデルに入力されるため、軌道を離れるときの宇宙船の挙動をより正確に予測できるようになります。 ( このビデオでは DLR地球の大気中でのロサット衛星の破壊がシミュレートされました。)
現在、地球の周りには約50万個の軌道デブリがあり、小さな金属片から、2012年4月に突然運用を停止した欧州宇宙機関のエンビサット衛星など、バスほどの大きさの宇宙船全体に至るまでさまざまだ。
英国のサウサンプトン大学で航空機およびロケット科学の上級講師を務めるヒュー・ルイス氏は、「全体的に、私たちが軌跡を追跡しているデブリの数は増加している」と話す。
軌道上のデブリの量が増えると、稼働中の人工衛星や有人宇宙船と衝突する可能性も高まります。
軌道上のデブリの問題は長期にわたって続くだろう
このため、現在でも国際宇宙ステーションの軌道は定期的に調整する必要があります。
ルイス氏は、「宇宙探査が始まって以来、使用済みの宇宙船の破片が軌道を離脱し続けている。通常、大きな物体は3～4日に一度大気圏に突入するが、この問題は長期間にわたって残るだろう」と述べた。
大気圏にある衛星は過負荷や高温によって破壊されますが、一部の大きな破片は比較的無傷で地球に落下します。
「たとえば、燃料タンクには小型車ほどの大きさのものもあります。」とルイス氏は言います。
イラスト著作権ゲッティイメージズ画像キャプション 使用済み衛星のほとんどは軌道を離脱し、無人の海洋域の上空で大気中で崩壊します。ウィレムス氏は車を風洞に投げ込むわけではないが、彼の目標は、大きな物体が破壊されたときにどのように挙動するのか、理論的にはその破片のうちどれが地表に到達する可能性があるのかを確認することだ。
「ある構成要素の周囲の流れは、隣接する構成要素の周りの流れに影響を与えます。それらが個別に地球に落下するか、それとも集団として地球に落下するかによって、大気中で完全燃焼する確率も変わります。」と彼は説明します。
しかし、スペースデブリが頻繁に軌道を離れるのであれば、なぜその破片が家の屋根を突き破って私たちの頭の上に落ちないのでしょうか?
ほとんどの場合、その答えは、使用済み衛星は、搭載された残りの燃料を使用して意図的に軌道から取り外されるということです。
衛星の破片があなたに落ちる可能性は非常に低いです
この場合、降下軌道は、人工衛星が海洋の無人地域の上空で大気中で燃え尽きるように計算されます。
しかし、計画外の軌道離脱はさらに大きな危険をもたらします。
そのような最新の事例の 1 つは、2011 年にアメリカの宇宙機関 NASA の高層大気研究衛星 (UARS) が予定外に軌道から離脱したことです。
地球の70％が海洋で覆われ、陸地の大部分は依然として人口がまばらであるという事実にもかかわらず、NASAの推定によると、UARSの衝突が地球に破壊を引き起こす可能性は2,500分の1であるとルイス氏は指摘する。
「これは非常に高い割合です。人口に対する潜在的なリスクが10,000人に1人になると、私たちは心配し始めます」と彼は言います。
「私たちは衛星の破片があなたに落ちるという事実について話しているのではありません。その確率は無視できるものです。私たちが言いたいのは、原則としてそれが誰かに落ちる確率です。」
毎年、世界中で100万人以上が交通事故で亡くなっていることを考えると、軌道上の破片が地球に重大な破壊を引き起こす可能性は非常に低いです。
より多くの衛星が軌道上に投入されれば、より多くの衛星が軌道から離れることになる
しかし、宇宙船を打ち上げる国は、国連の協定に従って、そのような活動によって生じた損害に対して法的および財政的責任を負うため、この問題は無視されません。
このため、宇宙機関は物体が軌道から落下するリスクを最小限に抑えるよう努めています。
DLR の実験は、科学者が計画外の軌道離脱中を含むスペースデブリの挙動をより深く理解し、より綿密に監視するのに役立ちます。
宇宙打ち上げのコストは徐々に低下しており、衛星はますます小型化しているため、その数は今後数十年間で増加する一方です。
「人類は宇宙をますます利用していますが、軌道上にあるゴミの問題は悪化しています。軌道上に投入される衛星が増えれば増えるほど、そこから除去されるものも増えます。」とルイス氏は言います。
言い換えれば、宇宙船の破片が衝突する可能性は依然として無視できるものの、空から落下する人工衛星はますます多くなるということです。
地球低軌道に打ち上げられた物体は、そこに永久に留まることができません。
現在、地球の軌道上には 1,000 基以上の人工衛星があります。 彼らはさまざまなタスクを実行し、さまざまなデザインを持っています。 しかし、それらには1つの共通点があります。それは、衛星が地球の周りを回転し、落下しないということです。
簡単な説明
実際、衛星は重力により常に地球に落下します。 しかし、発射時の慣性によって横方向の速度が設定されるため、常に外れてしまいます。
地球の周りを衛星が回転するということは、衛星が絶え間なく過ぎ去っていくということです。
説明
ボールを空中に投げると、ボールは下に戻ってきます。 それの訳は 重力- 私たちを地球に留め、宇宙へ飛び出すのを妨げるのと同じ力です。
衛星はロケットによって軌道に打ち上げられます。 ロケットは加速しなければなりません 最大29,000km/h！ これは、強い重力を克服して地球の大気圏を脱出するのに十分な速さです。 ロケットが地球上の目的の地点に到達すると、衛星を放出します。
衛星はロケットから受け取ったエネルギーを利用して動き続けます。 この動きはと呼ばれます 衝動.
しかし、衛星はどうやって軌道上に留まるのでしょうか? そのまま宇宙へ飛んでいくんじゃないでしょうか？
あまり。 たとえ衛星が数千キロメートル離れていても、地球の重力は依然として衛星を引き付けます。 地球の重力とロケットからの運動量の組み合わせにより、衛星は地球の周りの円軌道をたどります。 軌道.
衛星が軌道上にあるとき、衛星は運動量と地球の重力との間で完璧なバランスを保っています。 しかし、このバランスを見つけるのは非常に難しいです。
重力は物体が地球に近づくほど強くなります。 そして、地球の周りを周回する衛星は、軌道上に留まるために非常に高速で移動する必要があります。
たとえば、NOAA-20 衛星は地球からわずか数百キロメートル上空を周回しています。 軌道上に留まるには時速 27,300 km で移動する必要があります。
一方、NOAA の GOES-East 衛星は高度 35,405 km で地球を周回しています。 重力に打ち勝って軌道上に留まるには、時速約 10,780 km の速度が必要です。
ISSは高度400kmに位置しているため、速度は時速27,720kmです。
人工衛星は何百年も軌道上に留まることができるため、地球に落下することを心配する必要はありません。
地球には強力な重力場があり、その表面にある物体だけでなく、何らかの理由で地球に接近している宇宙物体も引き付けます。 しかし、もしそうだとしたら、人間が地球の軌道に打ち上げた人工衛星が地表に落ちないという事実はどう説明できるのでしょうか?
物理法則によれば、地球の軌道上にある物体はすべて、重力場に引き寄せられて地球の表面に落下するはずです。 これはすべて絶対に真実ですが、それは惑星が理想的な球の形をしていて、その軌道上にある物体に外力が作用しない場合に限られます。 実際にはそうではありません。 地球は、自らの軸を中心に回転するため、赤道では多少膨らみ、極では平らになります。 さらに、人工衛星は太陽や月から発せられる外力の影響を受けます。 このため、それらは地球の表面に落ちることはありません。
私たちの惑星が理想的な形ではないからこそ、それらは軌道上に保たれているのです。 地球から発せられる重力場は衛星を自分自身に引き寄せる傾向があり、月や太陽が同じことをするのを妨げます。 衛星に作用する重力は補償されるため、衛星の軌道パラメータは変化しません。 極に近づくにつれて、地球の重力は小さくなり、月の重力は大きくなります。 衛星は彼女の方向に移動し始めます。 赤道帯を通過すると、状況はまったく逆になります。
人工衛星の軌道には一種の自然修正が存在します。 このため、彼らは落ちません。 さらに、地球の重力の影響下で、衛星は丸い軌道を飛行し、地球の表面に近づこうとします。 しかし、地球は丸いので、この表面は常に地球から逃げていきます。
この事実は、簡単な例で証明できます。 おもりをロープに結び付けて円を描くように回転させ始めると、おもりは常にあなたから逃げようとしますが、ロープにつかまれているため逃げることができません。ロープは衛星との関係で地球の重力に似ています。 。 宇宙へ飛び出そうとする衛星を軌道上に保持しているのは彼女だ。 このため、それらは永遠に地球の周りを回転します。 ただし、これは単なる理論です。 この状況を変え、衛星を地球に落下させる可能性のある要因がさらに多数あります。 このため、同じISS上では常に軌道修正が行われています。
地球には 1,000 個以上の衛星が稼働しています。 そして、私たちが開発を停滞させなければ、その数は今世紀末までに一桁増加する可能性があります。 それにもかかわらず、結局のところ、それらが比較的うまく機能する理由自体は完全には明らかではありません。 はい、はい、実際には落ちるはずです。
真空の中に球形の地球があると想像してください。 このオプションでは、衛星の軌道は擾乱要因の影響を受けず、ほぼ永久に私たちの頭上に留まり続けることができます。
地球が写真のように丸い場合、強力なバーニア エンジンがなければ、衛星は月の重力によって数か月のうちに軌道から外れてしまいます。 （イラスト：シャッターストック）
現実の地球も真空の中に存在しますが、厳密には球形ではありません。 さらに、月という天体があり、この天体はその重力によって、地球周回衛星やスペースデブリなどの非友好的なグループに主な障害をもたらします。 宇宙にある人工物体に対する月の影響に天力学の法則を直接適用すると、短期間のうちにそのような物体は地球の大気中に落下し、その後の燃焼が起こるはずだという結論に達します。
GPS/GLONASS 衛星がまだ頭に落ちていないことを確認するために、直感的にナビゲーターを見たとしたら、私たちはその気持ちを理解しています。 状況は少し神秘的に見えます。 この何トンもの鉄を高所に保持するには、どのような保存力があるのでしょうか?
プリンストン大学 (米国) の有名なスコット トレメインとトマー ヤベッツは、この問題に真剣に興味を持ち、コンピューター モデリングを使用して、衛星が地球の天体に衝突するのを妨げるものを見つけようとしました。 計算によると、前述の地球の「非球形性」と太陽の影響が原因であると考えられています。
覚えていると思いますが、私たちの惑星は極でわずかに平らで、赤道に沿ってわずかに凸になっていますが、これは自転の自然な結果です。 そして、この赤道直下の「流入」は、球体で計算された地球の重力に非常に大きな増加をもたらすため、月や他の大きな天体の影響は相殺され、通常は数年かかるため、1つまたは別の衛星がすぐに一方向に移動することができなくなります。軌道上にあります。
さらに、太陽の重力の影響がなければ、それだけでは月の影響を補うことはできません。 そして、これらの白鳥、ザリガニ、パイクだけが、地球に近い宇宙船のカートを所定の位置に保持し、地球の大気圏の渓谷に滑り落ちないようにしています。
イラストはシャッターストックによる。
興味深いのは、計算結果が明確に示していることです。もし私たちの惑星が球体に少しでも近ければ、衛星は必然的に比較的早く軌道を離れることになります。 もちろん、一方では、これによって宇宙ゴミの一部から私たちが救われるでしょう。 一方、不用意に駐車されている車だけでなく、道路上のすべての車を追跡するレッカー車は何の役に立つのでしょうか?
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なぜ衛星は地球に落ちないのでしょうか？
この質問はよく聞かれます。 これに対する定性的な答えは、次の思考実験を使用して得ることができます。 地球上に高さ 200 km の山があり、その頂上まで登ると仮定します。 山の頂上から石を投げます。 振れば振るほど石は遠くへ飛びます。 まず、それは山の斜面に落ち、次にその麓に落ち、最後に落下地点は地平線の向こうのどこかに消えます。 もちろん、私たちはあなたが真に驚異的な強さを持っていることを前提としています（もちろん、それはきれいな山の空気によって大いに促進されました）。 地球の反対側、さらには山のふもとに落ちるように石を投げることもできますが、反対側では、地球を一周すると、石は地球を周回しながらあなたの上で笛を吹きます。頭は一種のブーメランに変わります。そして、石の飛行を質問、つまり衛星がなぜ地球に落ちないのかを結び付けます。
上記の思考実験は、衛星が継続的に地球に落下することを示しています。 驚かないでください、それは落下して地球の表面に接触しようとします。 どうしたの？ 地球は球形で、そのフィールドは中心にあり、衛星の飛行は地球の表面の真上、たとえば高さ 1 メートルで行われると仮定しましょう。 理論的には、これは許容できます。 図では、 21～ OA衛星の円軌道の半径を示します。 ある瞬間、衛星が点 A にあり、その飛行速度が半径に垂直な線 AB に沿って進んでいるとします。 OA.
地球の重力が存在しない場合、しばらくすると、衛星は速度ベクトルの延長線上にある点 B に到達し、点 A から距離 AB に移動します。 しかし、地球の重力により、その飛行経路は曲がるので、衛星はある点 C に到達することになります。これは、衛星が一定の速度で飛行し、同時に地球に向かって「落下」することを考慮した場合を意味します。その重力からすれば、ラウンドアバウト循環以外の何物も得られません。 これで、衛星が地表に到達しない理由が明らかになりました。衛星が地球の重力の影響で直線運動からどれだけ逸脱するかによって、地表は球形であるため、直線から「逸脱」します。 比喩的に言えば、衛星は継続的に地球の表面に到達しようとしているように見え、地球の表面は曲がりながら衛星から遠ざかっていきます。 そしてこのプロセスは飛行中ずっと続き、その結果、衛星は地表に到達できなくなります。 しかし、この現象の逆説的な性質は驚くべきことではありません。これについては適切な「地球的」類似点が見つかります。 伸ばした紐の上で重りを回転させることを考えたときの実験を思い出してください。 回転の過程では、紐の助けを借りて重りを常に自分の方に引っ張りますが、それにもかかわらず、重りが手に届くことはなく、これはまったく驚きません。 同様のことが宇宙規模でも起こります。地球の重力は、衛星を保持し、衛星を地球の周りで回転させるロープそのものです。
