Kodėl palydovas nenukrenta į Žemę? Ar gali palydovas nukristi ant galvos? Bet kaip palydovas išlieka orbitoje? Ar jis neskris tiesiai į kosmosą?

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 išvardija „ne patį įdomiausią“ – vėjo tunelio valdymo kambarį su didžiuliu senu nuotolinio valdymo pulteliu, kuriame yra daug jutiklių, jungiklių ir mygtukų.

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

Kitaip tariant, ar atmosferoje nesudegusių panaudotų palydovų šiukšlės gali nukristi ant kažko – ar ant 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).

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 elgseną paliekant orbitą. ( 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 iškrenta iš orbitos nuo pat kosmoso tyrinėjimų pradžios, – sakė Lewisas, – įprastai didelis objektas į atmosferą patenka kartą per tris 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.

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 retai apgyvendinti, tikimybė, kad UARS smūgis sukels Žemę sunaikinimą, 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 neapleidžiama, 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.

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 yra nuolatinė krintanti praeitis.

Paaiškinimas

Jei mesti kamuolį į orą, kamuolys nukrenta atgal. Taip yra todėl 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 liktų judesyje. Šis judėjimas vadinamas impulsas.

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

Tikrai ne. Net kai palydovas yra už tūkstančių kilometrų, Žemės gravitacija vis tiek jį traukia. Žemės gravitacija kartu su raketos impulsu priverčia palydovą skrieti apskritimu aplink Žemę - orbita.

Kai palydovas yra orbitoje, jis turi tobulą impulso ir Žemės gravitacijos jėgos pusiausvyrą. 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.

Žemė turi galingą gravitacinį lauką, kuris traukia ne tik jos paviršiuje esančius objektus, bet ir tuos kosminius objektus, kurie dėl tam tikrų priežasčių atsiduria arti jos. Bet jei taip yra, tai kaip paaiškinti faktą, kad dirbtiniai palydovai, kuriuos žmogus paleido į žemės orbitą, nenukrenta ant jos paviršiaus?

Remiantis fizikos dėsniais, bet kuris objektas, esantis Žemės orbitoje, turi nukristi ant jo paviršiaus, traukiamas gravitacinio lauko. Visa tai yra absoliuti tiesa, bet tik tuo atveju, jei planeta turėtų idealios sferos formą ir jos orbitoje esančių objektų neveikė jokios išorinės jėgos. Tiesą sakant, taip nėra. Žemė dėl savo sukimosi aplink savo ašį yra šiek tiek išpūsta ties pusiauju ir suplota ties ašigaliais. Be to, dirbtinius palydovus veikia išorinės jėgos, sklindančios iš Saulės ir Mėnulio. Dėl šios priežasties jie nenukrenta į Žemės paviršių.

Orbitoje jie laikomi būtent todėl, kad mūsų planeta nėra idealios formos. Iš Žemės sklindantis gravitacinis laukas linkęs pritraukti palydovus, neleisdamas to daryti Mėnuliui ir Saulei. Kompensuojamos palydovus veikiančios gravitacinės jėgos, dėl to jų orbitų parametrai nekinta. Jiems artėjant prie ašigalių, Žemės gravitacija mažėja, o Mėnulio gravitacinė jėga didėja. Palydovas pradeda judėti jos kryptimi. Jai pereinant per pusiaujo zoną situacija tampa visiškai priešinga.

Yra savotiška natūrali dirbtinių palydovų orbitos korekcija. Dėl šios priežasties jie nenukrenta. Be to, veikiamas žemės gravitacijos, palydovas skris apvalia orbita, bandydamas priartėti prie žemės paviršiaus. Bet kadangi Žemė yra apvali, šis paviršius nuolat nuo jos bėgs.

Šį faktą galima įrodyti paprastu pavyzdžiu. Jei pririšite svarmenį prie virvės ir pradėsite sukti jį ratu, jis nuolat bandys nuo jūsų bėgti, bet negalės to padaryti, laikydamas virvės, kuri palydovų atžvilgiu yra Žemės gravitacijos analogas. . Būtent ji savo orbitoje laiko palydovus, kurie bando skristi į kosmosą. Dėl šios priežasties jie amžinai suksis aplink planetą. Nors tai grynai teorija. Yra daugybė papildomų veiksnių, galinčių pakeisti šią situaciją ir priversti palydovą nukristi į Žemę. Dėl šios priežasties toje pačioje TKS nuolat atliekama orbitos korekcija.

Žemėje yra daugiau nei tūkstantis veikiančių palydovų. Ir jei mes nesustojame savo raidoje, jų skaičius iki amžiaus pabaigos gali padidėti eilės tvarka. Nepaisant to, pati gana sėkmingo jų veikimo priežastis, kaip paaiškėjo, nėra visiškai aiški. Taip, taip, iš tikrųjų jie turėtų kristi.

Įsivaizduokite sferinę Žemę vakuume. Pasirinkus šią parinktį, palydovų orbitos nėra paveiktos nerimą keliančių veiksnių ir jie gali likti ten, virš mūsų galvų, beveik amžinai.

Jei Žemė būtų tokia apvali, kaip nuotraukoje, Mėnulio gravitacija per kelis mėnesius išmestų iš orbitos bet kurį palydovą be galingų nonijinių variklių. (Iliustracija Shutterstock)

Tikroji Žemė taip pat gyvena vakuume, tačiau ji nėra griežtai sferinė. Be to, jame yra Mėnulis – kūnas, kuris savo gravitacija sukelia pagrindinį sutrikimą nedraugiškai aplinkinių palydovų ir kosminių šiukšlių šeimai. Tiesioginis dangaus mechanikos dėsnių taikymas Mėnulio įtakai dirbtiniams erdvės objektams leidžia daryti išvadą, kad tai per trumpą laiką turėtų lemti tokių kūnų kritimą į žemės atmosferą ir vėlesnį jų degimą.

Jei instinktyviai pažvelgėte į savo navigatorių, kad įsitikintumėte, jog GPS/GLONASS palydovai dar nenukrito ant jūsų galvos, mes jus suprantame. Situacija atrodo šiek tiek paslaptinga. Kokia taupymo jėga išlaiko visas šias tonas geležies aukštyje?

Žinomas Scottas Tremaine'as ir Tomer Yavetz iš Prinstono universiteto (JAV) rimtai susidomėjo šia problema ir, pasitelkę kompiuterinį modeliavimą, bandė išsiaiškinti, kas trukdo palydovams atsitrenkti į dangaus Žemės skliautą. Remiantis skaičiavimais, dėl to kaltas minėtas mūsų planetos „nesferiškumas“, taip pat Saulės įtaka.

Mūsų planeta, jei prisimenate, yra šiek tiek išlyginta ties ašigaliais ir šiek tiek išgaubta išilgai pusiaujo, o tai yra natūralus jos sukimosi rezultatas. Ir šis pats pusiaujo „antplūdis“ sukuria tokį žemės gravitacijos priedą, apskaičiuotą sferai, kad bet kokia Mėnulio ar kitų didelių objektų įtaka yra kompensuojama ir vienas ar kitas palydovas negali greitai pasislinkti į vieną pusę, paprastai turi keletą metų. orbitoje.

Be to, jei nebūtų gravitacinės Saulės įtakos, tai vien to nepakaktų Mėnulio įtakai kompensuoti. Ir tik šios gulbės, vėžiai ir lydekos laiko šalia Žemės esančio erdvėlaivio vežimėlį, neleidžiant jam nuslysti į žemės atmosferos daubą.


Shutterstock iliustracija.

Įdomu tai, kad skaičiavimai aiškiai rodo: jei mūsų planeta būtų šiek tiek arčiau sferos, palydovai neišvengiamai ir gana greitai paliktų savo orbitas. Viena vertus, tai, žinoma, išgelbėtų mus nuo kai kurių kosminių šiukšlių. Kita vertus, kokia nauda iš vilkiko, kuris medžioja visus kelyje esančius automobilius, o ne tik nerūpestingai pastatytus?

Parengta iš NewScientist. „Shutterstock“ suteiktas „Slash“ vaizdas.

Kodėl palydovas nenukrenta į Žemę?

Šį klausimą galima išgirsti dažnai. Kokybinį atsakymą į tai galima gauti naudojant šį minties eksperimentą. Tarkime, kad Žemėje yra 200 km aukščio kalnas ir jūs kylate į viršūnę. Mesti akmenį nuo kalno viršūnės. Kuo daugiau siūbuosi, tuo toliau akmuo skris. Pirmiausia jis nukris ant kalno šono, paskui į jo papėdę, o galiausiai kritimo taškas išnyks kažkur už horizonto. Žinoma, darome prielaidą, kad turite tikrai herkulišką jėgą (tai, žinoma, labai palengvino švarus kalnų oras). Galite mesti akmenį taip, kad jis nukristų į priešingą Žemės pusę ir net į kalno papėdę, bet kitoje pusėje, apsukdamas Žemę Dar viena nedidelė pastanga ir akmuo, sukdamas aplink Žemę, nušvilps virš jūsų galva, virsta savotišku bumerangu Ir taip Dabar akmens skrydį prijunkite su klausimu – kodėl palydovas nenukrenta į Žemę.

Minėtas eksperimentas rodo, kad palydovas nuolat krenta į Žemę. Nenustebkite, jis krenta ir bando liestis su Žemės paviršiumi. Kas atsitiko? Tarkime, kad Žemė yra sferinė, jos laukas yra centrinis, o palydovų skrydis vyksta tiesiai virš jos paviršiaus, tarkime, vieno metro aukštyje. Teoriškai tai galima leisti. Fig. 21 iki OA nurodo palydovo žiedinės orbitos spindulį. Tegul kurį nors momentą palydovas yra taške A ir jo skrydžio greitis nukreiptas išilgai tiesės AB, statmenos spinduliui OA.

Jei nebūtų Žemės gravitacijos, tai po kurio laiko palydovas atsidurtų taške B, gulėdamas ant greičio vektoriaus tęsinio, ir nutoltų nuo taško A iki atstumo AB. Tačiau dėl Žemės gravitacijos jos skrydžio trajektorija bus išlenkta, todėl palydovas atsidurs tam tikrame taške C. Tai reiškia, kad vertinant palydovo skrydį pastoviu greičiu su tuo pačiu „kritimu“ link Žemės jos sunkumui, mes negauname nieko daugiau, kaip tik „Roundabout Circulation“. Dabar tampa aišku, kodėl palydovas nepasiekia Žemės paviršiaus: kiek palydovas nukrypsta nuo tiesinio judėjimo dėl Žemės gravitacinių jėgų įtakos, Žemės paviršius „nukryps“ nuo tiesės dėl savo sferiškumo. Vaizdžiai tariant, palydovas nuolatos bando pasiekti Žemės paviršių, o Žemės paviršius vingiuodamas nuo jo bėga. Ir šis procesas tęsiasi viso skrydžio metu, dėl to palydovas negali pasiekti Žemės paviršiaus. Tačiau šio reiškinio paradoksalus pobūdis nenuostabu. Prisiminkite eksperimentą, kai svarstėte galimybę pasukti svarmenį ant ištiestos stygos. Sukimosi metu stygos pagalba nuolat traukiate svorį link savęs, tačiau jis niekada nepasiekia jūsų rankos ir tai jūsų visiškai nestebina. Kažkas panašaus nutinka kosminiu mastu: Žemės gravitacinė jėga yra ta pati virvė, kuri laiko palydovą ir verčia jį suktis aplink Žemę.