Zakaj satelit ne pade na Zemljo? Ali vam lahko satelit pade na glavo? Kako pa satelit ostane v orbiti? Ali ne bi poletel naravnost v vesolje?

Avtorske pravice ilustracij Getty Images

Količina vesoljskih odpadkov v nizki zemeljski orbiti vztrajno narašča. Kolumnist se je odločil ugotoviti, kaj se zgodi, ko izrabljeni sateliti padejo na Zemljo. Nemški znanstveniki preučujejo ta problem.

Stavba, v kateri mi bo Willems pokazal "najbolj zanimive stvari", pripada inštitutu za aerodinamične raziskave nemškega letalskega in vesoljskega centra (DLR), ki se nahaja v Kölnu.

Willems našteje tudi "ne najbolj zanimivo" stvar kot kontrolno sobo v vetrovniku z ogromnim starim daljinskim upravljalnikom, ki ima veliko senzorjev, stikal in gumbov.

Mimo masivnih vrat, odpornih na udarce, vstopimo v sobo brez oken. Stene so prekrite s sajami, v zraku pa se jasno čuti vonj po smodniku.

Tu se izvajajo aerodinamični testi raketnih motorjev.

A to, kot kaže, ni najbolj zanimivo.

Willems izvaja svoje "najbolj zanimive" eksperimente v enem od vetrovnikov kölnskega centra. Simulira odhod satelita iz Zemljine orbite.

"Zemljo kroži ogromno umetnih satelitov in vsi bodo prej ali slej zapustili orbito," pojasnjuje Willems.

Ali lahko satelitski odpadki, ki niso zgoreli v ozračju, padejo na nekaj – ali na koga?

"Ko vstopijo v atmosfero, se vesoljska plovila uničijo. Zanima nas, kakšna je verjetnost, da bodo njihovi drobci preživeli."

Z drugimi besedami, ali bi lahko ostanki izrabljenih satelitov, ki niso zgoreli v ozračju, padli na nekaj - ali nekoga - na Zemlji?

Vetrovnik, nameščen na betonskih tleh, ki je bil namenjen Willemsovim poskusom, spominja na ogromen, napol razstavljen sesalnik, povezan s parnikom.

Svetleča enota je prekrita z mrežo cevi in ​​električnih žic. Običajno se ta cev uporablja za pihanje modelov nadzvočnih in hiperzvočnih letal - hitrost zračnega toka, ustvarjenega v njej, lahko 11-krat preseže hitrost zvoka.

Vedno več satelitov bo padlo z neba

Sama "cev" je dva metra visoka sferična kovinska komora, znotraj katere so v posebnih objemkah pritrjeni modeli za čiščenje.

A Willems ne potrebuje sponk – predmete preprosto vrže v cev, skozi katero teče zrak v nasprotni smeri s hitrostjo približno 3000 km/h (kar je dvakrat večja od hitrosti zvoka).

Na ta način se simulira let satelita, ki izhaja iz orbite skozi zemeljsko atmosfero.

"Predmete postavimo v zračni tok, da vidimo, kako se obnašajo pri simuliranem prostem padu," pravi Willems.

"Trajanje vsakega poskusa je le 0,2 sekunde, vendar je to dovolj časa za veliko slik in potrebne meritve."

Podatki, pridobljeni med poskusi, bodo vneseni v računalniške modele, zahvaljujoč katerim bo mogoče natančneje napovedati obnašanje vesoljskih plovil ob zapuščanju orbite. ( V tem videu DLR simulirano je bilo uničenje satelita Rosat v zemeljski atmosferi.)

Okoli Zemlje trenutno kroži približno 500.000 kosov orbitalnih odpadkov, od majhnih kovinskih drobcev do celih vesoljskih plovil v velikosti avtobusov, kot je satelit Envisat Evropske vesoljske agencije, ki je aprila 2012 nenadoma prenehal delovati.

"Na splošno število kosov odpadkov, katerih poti sledimo, narašča," pravi Huw Lewis, višji predavatelj letalstva in raketne znanosti na britanski univerzi Southampton.

Z naraščanjem količine orbitalnih odpadkov se bo povečala tudi verjetnost trkov z delujočimi sateliti ali vesoljskimi plovili s posadko.

Problem orbitalnih odpadkov bo še dolgo aktualen

Že sedaj je treba zaradi tega občasno prilagajati orbito Mednarodne vesoljske postaje.

"Fragmenti izrabljenih vozil se od začetka raziskovanja vesolja spuščajo iz orbite," je dejal Lewis. "Običajno velik predmet vstopi v atmosfero enkrat na tri do štiri dni in ta problem bo ostal pomemben še dolgo."

Čeprav satelite v atmosferi uničijo preobremenitve in visoke temperature, nekateri veliki odpadki padejo na Zemljo relativno nedotaknjeni.

"Na primer, rezervoarji za gorivo," pravi Lewis, "nekatera vesoljska plovila imajo velikost majhnega avtomobila."

Čeprav Willems ne meče avtomobilov v vetrovnik, je njegov cilj videti, kako se veliki predmeti obnašajo, ko so uničeni, in kateri od njihovih drobcev bi teoretično lahko dosegli zemeljsko površje.

"Tok okoli ene komponente vpliva na tok okoli njenih sosedov," pojasnjuje "Glede na to, ali padejo na Zemljo posamično ali kot skupina, se spreminja tudi stopnja verjetnosti njihovega popolnega zgorevanja v ozračju."

Toda če vesoljski odpadki tako pogosto zapustijo orbito, zakaj se njihovi odpadki ne prebijejo skozi strehe hiš in nam padejo na glavo?

V večini primerov je odgovor ta, da se izrabljeni sateliti namenoma odstranijo iz orbite z uporabo preostalega goriva na krovu.

Verjetnost, da bo kos satelita padel na vas, je izjemno majhna

V tem primeru se spustne poti izračunajo tako, da sateliti zgorijo v ozračju nad nenaseljenimi območji oceanov.

A veliko večjo nevarnost predstavljajo nenačrtovani deorbiti.

Eden zadnjih takih primerov je bil leta 2011 nenačrtovani izstop iz orbite raziskovalnega satelita Upper Atmosphere Research Satellite (UARS) ameriške vesoljske agencije NASA leta 2011.

Kljub temu, da 70 % Zemlje pokrivajo oceani in so velike površine kopnega še vedno redko poseljene, je bila verjetnost, da bi padec UARS povzročil uničenje na Zemlji, po ocenah Nase 1 proti 2500, ugotavlja Lewis.

"To je zelo visok odstotek - začnemo skrbeti, ko je možno tveganje za prebivalstvo 1 proti 10.000," pravi.

"Ne govorimo o tem, da bo kos satelita padel na vas - verjetnost tega je zanemarljiva, kar mislimo, da bo načeloma padel na nekoga."

Glede na to, da vsako leto v prometnih nesrečah po vsem svetu umre več kot milijon ljudi, je verjetnost, da bi kos orbitalnih odpadkov povzročil znatno uničenje na Zemlji, zelo majhna.

Več satelitov kot je postavljenih v orbito, več jih jo bo zapustilo

Pa vendar ni zanemarjena, saj država, ki izstreli vesoljska plovila, v skladu z dogovori ZN nosi pravno in finančno odgovornost za morebitno škodo, ki jo povzročijo tovrstne dejavnosti.

Zaradi tega si vesoljske agencije prizadevajo čim bolj zmanjšati tveganja, povezana s padanjem predmetov iz orbite.

Poskusi DLR bodo znanstvenikom pomagali bolje razumeti in natančneje spremljati obnašanje vesoljskih odpadkov, tudi med nenačrtovanimi izhodi iz orbite.

Stroški izstrelitev v vesolje postopoma padajo, sateliti pa postajajo vse manjši, zato bo njihovo število v prihodnjih desetletjih le še naraščalo.

"Človeštvo vedno bolj uporablja vesolje, vendar se problem orbitalnih odpadkov povečuje," pravi Lewis.

Z drugimi besedami, čeprav je verjetnost, da nas zadenejo ostanki vesoljskih plovil, še vedno zanemarljiva, bo z neba padlo vedno več satelitov.

Noben predmet, izstreljen v nizko zemeljsko orbito, ne more tam ostati za vedno.

Trenutno je v Zemljini orbiti več kot 1000 umetnih satelitov. Opravljajo najrazličnejše naloge in imajo različne oblike. Imajo pa eno skupno stvar – sateliti se vrtijo okoli planeta in ne padejo.

Hitra razlaga

Dejstvo je, da sateliti ves čas padajo na Zemljo zaradi gravitacije. Vedno pa zgrešijo, saj imajo bočno hitrost, ki jo določa vztrajnost ob izstrelitvi.

Vrtenje satelita okoli Zemlje je njegova stalna padajoča preteklost.

Pojasnilo

Če vržete žogo v zrak, se žoga vrne nazaj. To je zato, ker gravitacija- ista sila, ki nas drži na Zemlji in nam preprečuje, da bi poleteli v vesolje.

Sateliti se v orbito izstreljujejo z raketami. Raketa mora pospešiti do 29.000 km/h! To je dovolj hitro, da premaga močno gravitacijo in pobegne iz Zemljinega ozračja. Ko raketa doseže želeno točko nad Zemljo, izpusti satelit.

Satelit uporablja energijo, ki jo prejme od rakete, da ostane v gibanju. To gibanje se imenuje impulz.

Kako pa satelit ostane v orbiti? Ali ne bi poletel naravnost v vesolje?

res ne. Tudi ko je satelit oddaljen več tisoč kilometrov, ga Zemljina gravitacija še vedno privlači. Zemljina gravitacija v kombinaciji z zagonom iz rakete povzroči, da satelit sledi krožni poti okoli Zemlje – orbita.

Ko je satelit v orbiti, ima popolno ravnovesje med gibalno količino in silo Zemljine gravitacije. Toda najti to ravnotežje je precej težko.

Gravitacija je močnejša, čim bližje je predmet Zemlji. In sateliti, ki krožijo okoli Zemlje, morajo potovati z zelo velikimi hitrostmi, da ostanejo v orbiti.

Na primer, satelit NOAA-20 kroži le nekaj sto kilometrov nad Zemljo. Potovati mora s hitrostjo 27.300 km/h, da ostane v orbiti.

Po drugi strani pa satelit NOAA GOES-East kroži okoli Zemlje na višini 35.405 km. Da premaga gravitacijo in ostane v orbiti, potrebuje hitrost približno 10.780 km/h.

ISS se nahaja na nadmorski višini 400 km, zato je njena hitrost 27.720 km/h

Sateliti lahko ostanejo v orbiti več sto let, zato nam ni treba skrbeti, da bodo padli na Zemljo.

Zemlja ima močno gravitacijsko polje, ki privlači ne le predmete, ki se nahajajo na njeni površini, ampak tudi tiste vesoljske predmete, ki se iz nekega razloga znajdejo v njeni neposredni bližini. Če pa je tako, kako potem razložiti dejstvo, da umetni sateliti, ki jih človek izstreli v zemeljsko orbito, ne padejo na njeno površje?

V skladu z zakoni fizike mora vsak predmet, ki se nahaja v zemeljski orbiti, pasti na njeno površino, pri čemer ga privlači njeno gravitacijsko polje. Vse to je popolnoma res, vendar le, če je planet imel obliko idealne krogle in nobena zunanja sila ni delovala na predmete, ki se nahajajo v njegovi orbiti. Pravzaprav temu ni tako. Zemlja je zaradi vrtenja okoli lastne osi na ekvatorju nekoliko napihnjena, na polih pa sploščena. Poleg tega na umetne satelite vplivajo zunanje sile, ki izhajajo iz Sonca in Lune. Zaradi tega ne padejo na površje Zemlje.

V orbiti se zadržujejo prav zato, ker naš planet ni idealne oblike. Gravitacijsko polje, ki izvira iz Zemlje, skuša k sebi pritegniti satelite, kar preprečuje Luni in Soncu, da bi storila enako. Gravitacijske sile, ki delujejo na satelite, so kompenzirane, zaradi česar se parametri njihovih orbit ne spremenijo. Ko se približujejo poloma, postane Zemljina gravitacija manjša, gravitacijska sila Lune pa večja. Satelit se začne premikati proti njej. Med prehodom skozi območje ekvatorja postane situacija ravno nasprotna.

Obstaja nekakšna naravna korekcija orbite umetnih satelitov. Zaradi tega ne padejo. Poleg tega bo satelit pod vplivom zemeljske gravitacije letel v zaobljeni orbiti in se poskušal približati zemeljski površini. A ker je Zemlja okrogla, ji bo ta površina nenehno bežala.

To dejstvo je mogoče dokazati s preprostim primerom. Če privežete utež na vrv in jo začnete vrteti v krogu, vam bo ves čas poskušala pobegniti, vendar tega ne more storiti, saj jo drži vrv, ki je v primerjavi s sateliti analog Zemljine gravitacije. . Ona je tista, ki v svoji orbiti drži satelite, ki poskušajo poleteti v vesolje. Zaradi tega se bodo večno vrteli okoli planeta. Čeprav je to zgolj teorija. Obstaja ogromno dodatnih dejavnikov, ki lahko spremenijo to situacijo in povzročijo padec satelita na Zemljo. Zaradi tega se korekcija orbite nenehno izvaja na isti ISS.

Zemlja ima več kot tisoč delujočih satelitov. In če ne bomo zastali v našem razvoju, se lahko njihovo število do konca stoletja poveča za red velikosti. Kljub temu pa razlog za njihovo relativno uspešno delovanje, kot kaže, ni povsem jasen. Da, da, pravzaprav bi morali pasti.

Predstavljajte si sferično Zemljo v vakuumu. Pri tej možnosti na orbite satelitov ne vplivajo moteči dejavniki in lahko tam, nad našimi glavami, ostanejo skoraj za vedno.

Če bi bila Zemlja tako okrogla, kot je na sliki, bi gravitacija Lune vrgla vsak satelit iz orbite brez močnih vernier motorjev v nekaj mesecih. (Ilustracija Shutterstock)

Prava Zemlja prav tako živi v vakuumu, vendar ni strogo sferična. Poleg tega ima Luno – telo, ki s svojo gravitacijo vnaša glavni nered v neprijazno družino obkrožnih satelitov in vesoljskih odpadkov. Neposredna uporaba zakonov nebesne mehanike na vpliv Lune na umetne objekte v vesolju vodi do zaključka, da bi moralo v kratkem času privesti do padca takšnih teles v zemeljsko atmosfero s kasnejšim zgorevanjem.

Če ste instinktivno pogledali svojo navigacijo, da bi se prepričali, da vam sateliti GPS/GLONASS še niso padli na glavo, potem vas razumemo. Situacija je videti malce skrivnostna. Kakšna rešilna sila drži vse te tone železa na višini?

Znana Scott Tremaine in Tomer Yavetz z univerze Princeton (ZDA) sta se resno zanimala za to vprašanje in poskušala z računalniškim modeliranjem ugotoviti, kaj preprečuje, da bi sateliti strmoglavili v nebesni svod Zemlje. Po izračunih naj bi bila za to kriva prej omenjena »nesferičnost« našega planeta, pa tudi vpliv Sonca.

Naš planet, če se spomnite, je rahlo sploščen na polih in rahlo izbočen vzdolž ekvatorja, kar je naravna posledica njegovega vrtenja. In prav ta ekvatorialni "priliv" ustvari takšen dodatek k zemeljski gravitaciji, izračunani za kroglo, da je kakršen koli vpliv Lune ali drugih velikih predmetov kompenziran in se en ali drug satelit ne more hitro premakniti v eno smer, običajno traja več let v orbiti.

Poleg tega, če ne bi bilo gravitacijskega vpliva Sonca, potem samo to ne bi bilo dovolj za kompenzacijo vpliva Lune. In samo ti labodi, raki in ščuke držijo voziček vesoljskega plovila blizu Zemlje na mestu in preprečujejo, da bi zdrsnil v grapo zemeljske atmosfere.


Ilustracija Shutterstock.

Zanimivo je, da izračuni jasno kažejo: če bi bil naš planet nekoliko bližje krogli, bi sateliti neizogibno in relativno hitro zapustili svoje orbite. Po eni strani bi nas to seveda rešilo nekaj vesoljskih odpadkov. Po drugi strani pa, čemu služi avtovleka, ki lovi vse avtomobile na cesti in ne le malomarno parkiranih?

Pripravljeno iz NewScientist. Začetna slika z dovoljenjem Shutterstocka.

Zakaj satelit ne pade na Zemljo?

To vprašanje je mogoče pogosto slišati. Kakovosten odgovor na to lahko dobimo z naslednjim miselnim eksperimentom. Recimo, da je na Zemlji 200 km visoka gora in se povzpnete na vrh. Vrzi kamen z vrha gore. Bolj ko zamahujete, dlje bo kamen letel. Najprej bo padel ob bok gore, nato ob njeno vznožje in na koncu bo točka padca izginila nekje za obzorjem. Seveda predvidevamo, da imate res herkulsko moč (k čemur je seveda močno pripomogel čist gorski zrak). Lahko vržeš kamen tako, da pade na nasprotno stran Zemlje in celo ob vznožje gore, a na drugo stran, obkroži Zemljo Še malo in kamen, ki obkroži Zemljo, zažvižga nad tvojo glava, ki se spremeni v nekakšen bumerang In tako zdaj povežite let kamna z vprašanjem - zakaj satelit ne pade na Zemljo.

Zgornji miselni poskus kaže, da satelit nenehno pada na Zemljo. Naj vas ne preseneti, pade in poskuša priti v stik s površjem Zemlje. Kaj je narobe? Predpostavimo, da je Zemlja sferična, njeno polje je osrednje in letenje satelitov poteka neposredno nad njeno površino, recimo na višini enega metra. Teoretično je to mogoče dovoliti. Na sl. 21 skozi OA označuje polmer satelitove krožne orbite. Naj bo v nekem trenutku satelit v točki A in njegova hitrost leta usmerjena vzdolž črte AB, pravokotno na polmer OA.

Če ne bi bilo Zemljine gravitacije, bi satelit po kratkem času končal v točki B, ki leži na nadaljevanju vektorja hitrosti, in bi se od točke A oddaljil na razdaljo AB. Toda zaradi Zemljine gravitacije bo njegova pot leta upognjena in zato bo satelit končal na neki točki C. To pomeni, da če upoštevamo let satelita s konstantno hitrostjo s hkratnim "padcem" proti Zemlji zaradi njegovi gravitaciji ne dobimo nič drugega kot kroženje kroženja. Zdaj postane jasno, zakaj satelit ne doseže Zemljinega površja: za kolikor satelit odstopa od premočrtnega gibanja zaradi vpliva gravitacijskih sil Zemlje, se bo Zemljino površje zaradi svoje sferičnosti »odstopilo« od ravne črte. Figurativno rečeno, zdi se, da satelit nenehno poskuša doseči površje Zemlje, in površje Zemlje, ukrivljeno, beži od njega. In ta proces se nadaljuje ves čas leta, zaradi česar satelit ne more doseči površine Zemlje. Vendar pa paradoksalnost tega pojava ni presenetljiva, zanj je mogoče najti spodobno »zemeljsko« analogijo. Spomnite se poskusa, ko ste razmišljali o vrtenju uteži na iztegnjeni vrvici. Med postopkom vrtenja s pomočjo vrvice ves čas vlečete utež proti sebi, vendar kljub temu nikoli ne doseže vaše roke in vas to prav nič ne preseneča. Nekaj ​​podobnega se dogaja v vesoljskem merilu: gravitacijska sila Zemlje je tista vrv, ki drži satelit in ga vrti okoli Zemlje.