Как известно, геостационарные спутники висят неподвижно над землёй над одной и той же точкой. Почему они не падают? На той высоте не действует сила притяжения?
Ответ
Геостационарный искусственный спутник Земли представляет собой аппарат, который движется вокруг планеты в восточном направлении (в том же, в каком вращается сама Земля), по круговой экваториальной орбите с периодом обращения, равным периоду собственного вращения Земли.
Таким образом, если смотреть с Земли на геостационарный спутник, мы будем видеть его неподвижно висящим на одном и том же месте. Из-за этой неподвижности и большой высоты около 36 000 км, с которой видна почти половина поверхности Земли, на геостационарную орбиту выводят спутники-ретрансляторы для телевидения, радио и коммуникаций.
Из того, что геостационарный спутник висит постоянно над одной и той же точкой поверхности Земли, некоторые делают неверный вывод, что на геостационарный спутник не действует сила притяжения к Земле, что сила тяготения на определённом расстоянии от Земли исчезает, т. е. они опровергают самого Ньютона. Конечно это не так. Сам запуск спутников на геостационарную орбиту рассчитывается именно по закону всемирного тяготения Ньютона.
Геостационарные спутники, как и все остальные спутники, на самом деле падают на Землю, но не достигают её поверхности. На них действует сила притяжения к Земле (гравитационная сила), направленная к её центру, а в обратном направлении на спутник действует отталкивающая от Земли центробежная сила (сила инерции), которые уравновешивают друг друга - спутник не улетает от Земли и не падает на неё точно так же, как ведро, раскручиваемое на верёвке, остаётся на своей орбите.
Если бы спутник совсем не двигался, то он упал бы на Землю под действием притяжения к ней, но спутники движутся, в том числе и геостационарные (геостационарные - с угловой скоростью равной угловой скорости вращения Земли, т. е. один оборот за сутки, а у спутников нижележащих орбит угловая скорость больше, т. е. за сутки они успевают совершить вокруг Земли несколько оборотов). Линейная скорость, сообщаемая спутнику параллельно поверхности Земли при непосредственном выводе на орбиту сравнительно большая (на низкой околоземной орбите - 8 километров в секунду, на геостационарной орбите - 3 километра в секунду). Если бы не было Земли, то спутник с такой скоростью летел бы по прямой, но наличие Земли заставляет спутник падать на неё под действием силы притяжения, искривляя траекторию по направлению к Земле, но поверхность Земли не плоская, она искривлена. На сколько спутник приближается к поверхности Земли, на столько поверхность Земли уходит из-под спутника и, таким образом, спутник постоянно находится на одной и той же высоте, двигаясь по замкнутой траектории. Спутник всё время падает, но никак не может упасть.
Итак, все искусственные спутники Земли падают на Землю, но - по замкнутой траектории. Спутники находятся в состоянии невесомости, как все падающие тела (если лифт в небоскрёбе сорвётся и начнёт свободно падать, то люди внутри тоже будут находиться в состоянии невесомости). Космонавты внутри МКС находятся в невесомости не потому, что на орбите не действует сила притяжения к Земле (она там почти такая же как и на поверхности Земли), а потому, что МКС свободно падает на Землю - по замкнутой круговой траектории.
Международная космическая станция (МКС) - это масштабный и, пожалуй, самый сложный по своей организации реализованный технический проект за всю историю человечества. Ежедневно сотни специалистов по всему миру трудятся над тем, чтобы МКС могла полноценно выполнять свою основную функцию - быть научной площадкой для изучения безграничного космического пространства и, конечно же, нашей планеты.
Когда смотришь новости про МКС, то возникает множество вопросов, относительно того, как космическая станция вообще может работать в экстремальных условиях космоса, как она летает по орбите и не падает, как в ней могут жить люди, не страдая от высоких температур и солнечной радиации.
Изучив данную тему и собрав всю информацию в кучу, признаться, я вместо ответов получил еще больше вопросов.
На какой высоте летает МКС?
МКС летает в термосфере на высоте примерно 400 км от Земли (для информации - расстояние от Земли до Луны составляет примерно 370 тысяч км). Сама термосфера представляет собой атмосферный слой, который, по сути, еще не совсем является космосом. Этот слой простирается от Земли на расстояние от 80 км до 800 км.
Особенность термосферы в том, что температура с высотой повышается и при этом может значительно колебаться. Выше 500 км возрастает уровень солнечной радиации, который может запросто вывести из строя технику и негативно повлиять на здоровье космонавтов. Поэтому МКС выше 400 км не поднимается.
Так выглядит МКС с Земли
Какая температура за боротом МКС?
Информации на данную тему совсем мало. Разные источники говорят по-разному. Говорят, что на уровне 150 км температура может достигать 220-240°, а на уровне 200 км более 500°. Выше температура продолжает расти и на уровне 500-600 км она уже якобы превышает 1500°.
По словам самих космонавтов, на высоте 400 км, на которой летает МКС, температура постоянно меняется в зависимости от светотеневой обстановки. Когда МКС находится в тени, температура за бортом опускается до -150°, а если она под прямыми лучами солнца, то температура повышается до +150°. И это уже даже не парилка в бане! Как при такой температуре космонавты вообще могут находиться в открытом космосе? Неужели их спасает супер термокостюм?
Работа космонавта в открытом космосе при +150°
Какая температура внутри МКС?
В отличие от температуры за бортом внутри МКС удается сохранить стабильную температуру, пригодную для жизни людей - приблизительно +23°. Причем как это делается, совершенно непонятно. Если за бортом, например, +150°, то как удается охладить температуру внутри станции или наоборот и постоянно держать её в норме?
Как влияет радиация на космонавтов в МКС?
На высоте 400 км радиационный фон в сотни раз превышает земной. Поэтому космонавты на МКС, когда они оказываются на солнечной стороне, получают облучение, уровень которого в несколько раз превышает дозу, например, полученную при рентгене грудной клетки. А в моменты мощных вспышек на Солнце работники станции могут схватить дозу, в 50 раз превышающую норму. Как им при этом удается работать в таких условиях длительное время, также остается загадкой.
Как влияет космическая пыль и мусор на МКС?
По данным NASA, на околоземной орбите около 500 тысяч больших обломков (частей отработанных ступеней или других деталей космических кораблей и ракет) и ещё неизвестно, сколько подобного мелкого мусора. Всё это «добро» вращается вокруг Земли со скоростью 28 тысяч км/ч и почему-то не притягивается к Земле.
Кроме того, существует и космическая пыль - это всевозможные метеоритные осколки или микрометеориты, которые постоянно притягиваются планетой. Причём, если даже пылинка весит всего 1 грамм, она превращается в бронебойный снаряд, способный продырявить станцию.
Говорят, что если к МКС приближаются такие объекты, то космонавты меняют курс станции. Но мелкий мусор или пыль невозможно отследить, поэтому получается, что МКС постоянно подвергается огромной опасности. Как с этим справляются космонавты, опять же непонятно. Получается, что каждый день они сильно рискуют своей жизнью.
Отверстие в шаттле Индевор STS-118 от попадания космического мусора похоже на пулевое отверстие
Почему МКС не падает?
В различных источниках пишут о том, что МКС не падает благодаря слабой гравитации Земли и космической скорости станции. То есть, вращаясь вокруг Земли со скорость 7,6 км/с (для информации - период обращения МКС вокруг Земли составляет всего 92 мин 37 секунд), МКС как бы постоянно промахивается и не падает. Кроме того, на МКС есть двигатели, которые позволяют постоянно корректировать положение 400-тонной махины.
Или почему спутники не падают? Орбита спутника представляет собой хрупкий баланс между инерцией и гравитацией. Сила тяжести непрерывно притягивает спутник к Земле, в то время как инерция спутника стремится поддерживать его движение прямолинейным. Если бы не было силы тяжести, инерция спутника отправила бы его прямо с земной орбиты в открытый космос. Однако в каждой точке орбиты сила тяжести держит спутник на привязи.
Чтобы достичь равновесия между инерцией и силой тяжести, спутник должен иметь строго определенную скорость. Если он летит слишком быстро, инерция преодолевает силу тяжести и спутник покидает орбиту. (Вычисление так называемой второй космической скорости, позволяющей спутнику покидать околоземную орбиту, играет важную роль в запуске межпланетных космических станций.) Если спутник движется слишком медленно, сила тяжести победит в борьбе с инерцией и спутник упадет на Землю. Именно это случилось в 1979 году, когда американская орбитальная станция Скайлэб начала снижаться в результате растущего сопротивления верхних слоев земной атмосферы. Попав в железные клещи гравитации, станция вскоре упала на Землю.
Скорость и расстояние
Поскольку земное притяжение ослабевает с расстоянием, скорость, необходимая для удержания спутника на орбите, изменяется с высотой над уровнем моря. Инженеры могут вычислять, как быстро и как высоко спутник должен вращаться на орбите. Например, геостационарный спутник, расположенный всегда над одной и той же точкой земной поверхности, должен совершать один виток за 24 часа (что соответствует времени одного оборота Земли вокруг своей оси) на высоте 357 километров.
Сила тяжести и инерция
Балансирование спутника между силой тяжести и инерцией может быть сымитировано вращением груза на привязанной к нему веревке. Инерция груза стремится переместить его подальше от центра вращения, в то время как натяжение веревки, выполняющее роль гравитации, удерживает груз на круговой орбите. Если веревку перерезать, груз улетит по прямолинейной траектории перпендикулярно радиусу своей орбиты.
Размеры МКС достаточны для её наблюдения невооружённым глазом с поверхности Земли. Станция наблюдается как весьма яркая звезда, быстро летящая по небу с запада на восток (угловая скорость около 4 градусов в минуту). Однако наблюдать её можно не везде и не всегда, даже если вы делаете это в темное время суток. Поскольку орбита Международной космической станции постоянно меняется (факторы, влияющие на это, мы и рассмотрим ниже), то для уточнения мест на Земле, где в определенный момент времени можно наблюдать МКС, необходимо смотреть этот сайт или сайт Роскосмоса . А происходят эти изменения районов наблюдения вот почему…
Во-первых, МКС может находиться на высоте от 280 до 460 километров. Даже на такой высокой орбите она постоянно испытывает затормаживающее воздействие верхних, очень разряженных слоёв атмосферы Земли. Да-да, и в ближнем Космосе есть частички воздуха! Каждые сутки МКС теряет примерно по 5 см/с своей скорости и около 100 метров высоты. Поэтому периодически приходится поднимать станцию, сжигая топливо космических грузовиков «Прогресс» и других приходящих кораблей. А почему нельзя поднять станцию сразу выше, чтобы избежать этих затрат?
Дело в том, что заложенный при проектировании диапазон и текущее реальное положение орбиты определены несколькими причинами.
Первая: ежедневно наши космонавты, а также астронавты других стран (США, Европа, Канада, Япония и т.д.) получают на этой орбите достаточно высокие дозы радиации. А вот за отметкой в 500 км её уровень резко повышается и она становится просто смертельной
Кстати, так едва не погиб в 1965 году советский экипаж Беляева и Леонова, когда, вопреки расчетам, их космический корабль «Восход-2» забросили на орбиту 495 километров, так что СССР мог вместо героического леоновского выхода в Космос получить двух мертвых космонавтов.
Предел за полугодовое пребывание для космонавтов установлен всего в 1/2 зиверта, при этом на всю космическую карьеру разрешен лишь зиверт (каждый зиверт радиационного излучения увеличивает риск онкологических заболеваний на 5,5 процентов).
На Земле от смертоносных космических лучей люди защищены радиационным поясом магнитосферы нашей планеты и её атмосферой, но в ближнем Космосе защита уже намного слабее. В некоторых частях орбиты (Южно-атлантическая аномалия, например, является таким пятном повышенной радиации) иногда могут проявляться странные эффекты: у человека при закрытых глазах появляются вспышки. Считается, что космические частицы проходят через глазное яблоко. Подобное может не только мешать спать, но и в лишний раз неприятно напоминает о высоком уровне радиации на МКС.
Кроме этого, российские «Союзы» и «Прогрессы», которые сейчас являются основными кораблями смены экипажа и снабжения, сертифицированы на работу на высоте до 460 км. Чем выше находится МКС, тем соответственно меньше груза можно будет доставить. Но, с другой стороны, чем ниже «висит» МКС, тем сильнее она тормозится, то есть больше доставляемого груза должно быть топливом для последующей коррекции орбиты.
Плюс (а вернее, минус) — раньше МКС не выставлялась на высоты даже в 390-400 км , так как на такую орбиту не могли подниматься американские шаттлы. Поэтому станция удерживалась на высотах 330-350 км путём более частой периодической коррекции двигателями. В связи с окончанием программы полёта шаттлов в 2014 году, это ограничение наконец было снято.
Научные задачи могут быть выполнены, таким образом, наиболее идеально на высоте в 400-460 километров. Вот почему средняя высота орбиты МКС в настоящее время составляет примерно 420 км. Естественно, что, чем выше высота, тем большая часть Земли может одновременно наблюдать станцию. Правда, в этом случае будет падать и ее видимая величина!
Наконец, на положение станции влияет и космический мусор: вышедшие из строя ракеты, спутники, их обломки, которые имеют огромную скорость относительно МКС, что делает столкновение с ними разрушительным.
Разгонять МКС могут космические аппараты, расположенные в задней части станции: это грузовики «Прогресс» (в основном) и ATV (реже), при необходимости - служебный модуль «Звезда» и Cygnus (крайне редко). Станцию поднимают часто и незначительно: коррекция происходит примерно раз в месяц маленькими порциями (около 900 секунд работы двигателя), а сам подъем может достигать, к примеру, 100-200 метров.
Некоторые параметры орбиты диктуются не только техническими особенностями, но и политическими реалиями. Космическому аппарату при запуске с Земли возможно придать любую ориентацию, но наиболее экономичным будет использовать скорость, которую даёт вращение Земли. Таким образом, дешевле запускать аппарат на орбиту с наклоном, равным широте. Любые маневры и переход на иной наклон потребуют дополнительного расхода топлива: больше для движения к экватору, меньше при движении к полюсам. Наклон орбиты МКС в 51,6 градуса может показаться странным: аппараты НАСА, запускаемые с мыса Канаверал, традиционно имеют наклонение примерно в 28 градусов. Это потому, что когда в конце девяностых годов обсуждалось местоположение будущей станции МКС, то было принято решение принять российские параметры орбиты. Однако если космодром Байконур находится на широте в приблизительно 46 градусов, почему же тогда обычным для российских запусков является наклонение в 51,6 °?! Дело тут исключительно в том, что к востоку есть соседи (Монголия и Китай), которые, разумеется, не обрадуются, если на них начнет что-то падать из Космоса. А при регулярных запусках ракет это происходило бы постоянно…
Наблюдение станции МКС, летящей по нашему небу яркой звездой, всегда восхищает и радует. Ведь на сегодня она — главное космическое достижение человечества, успешно работающее на протяжении более 20 лет. Будем верить, что Международная космическая станция даст максимально большой позитивный баланс от своего существования. И, конечно, пусть однажды, когда ресурс входящих в нее узлов будет полностью исчерпан, на смену нынешней МКС придет новый аналогичный, еще более совершенный проект международного сотрудничества. Ведь Космос можно осваивать только усилиями всех государств и людей Земли!
Алексей Королёв, историк космонавтики
УЗНАТЬ БОЛЬШЕ ОБ МКС Вы можете также в нашей группе
Расстояние от Земли до МКС – вариативная цифра, значение которой постоянно меняется. Высота, на которой летает от Земли космическая станция, может показаться незначительной, если учесть, какие расстояния отделяют от планеты ближний и дальний космос. Однако расстояние от нашей планеты до станции МКС – не случайная величина. Ее выбирали с учетом отдельных обстоятельств, целесообразности, экономии и средств, также были приняты во внимание особенности атмосферы Земли, способной тормозить движение по орбите.
Международная космическая станция
Что такое космическая станция
Чтобы понять, почему именно такое расстояние до МКС от Земли в километрах было выбрано при ее создании, нужно немного знать историю проекта. МКС, или International Space Station, – это совместное многоцелевое начинание с участием 14 мировых государств – Российской Федерации, американского континента (США и Канады), Японии, стран Скандинавии, европейских – Франции, Бельгии, Испании, Нидерландов и ФРГ.
Англия и Бразилия, анонсировавшие поддержку стартапа в начале проекта, впоследствии отказались от него. Приведем некоторые факты из истории МКС:
- Станция «Мир» первоначально называлась Freedom и планировалась к созданию совместными усилиями и вложениями западных стран.
- После того как Р. Рейган с помпой провозгласил открытие нового многоцелевого проекта, результатом которого должна была стать пилотируемая орбитальная станция, оказалось, что странам-участницам не хватает средств на его разработку и осуществление. Поэтому России и было предложено работать для его создания. Это было решение, принятое не только на основании финансового дефицита, но и из практических соображений.
- У американцев не было опыта транспортировки необходимого и доставки модулей, которыми должны были заниматься шаттлы. Также это было связано с техническими характеристиками шаттлов и способностью преодолеть расстояние от Земли до космической станции (МКС). Проблема состояла в невозможности преодоления ими дистанционного барьера до орбиты МКС.
- У преемницы Советского Союза и обладательницы многочисленных наработок того периода в освоении космического пространства такой опыт имелся. Станции «Салют» и «Мир», многочисленные планы по осуществлению проекта «Мир-2», приостановленного из-за заявленных финансовых сложностей, – все это могло оказать существенную помощь в помпезном начинании.
Спустя 4 года после заключения соглашения о сотрудничестве, после преодоления многочисленных бюрократических препон и откровенного недоброжелательства в адрес российской стороны, космический проект наконец был принят обеими сторонами.
Конфигурация нового совместного проекта предполагалась к исполнению в виде двух сегментов – американского и сделанного Россией.
Причем последний предлагался к самостоятельному осуществлению, а в американском участвовали японцы, канадцы, испанцы и бельгийцы, страны Скандинавии, Бразилия.
Вид на планету
Этапы создания МКС: таблица событий
Колоссальный орбитальный комплекс создавался с учетом нескольких существенных моментов: ограниченности выделенных некоторыми западными странами средств и постоянных изменениях в их планах, которые вносились иногда из исключительно политических соображений.
Читайте также: Как можно определить расстояние до звезд: измерения по формуле в астрономии
Это была наглядная демонстрация желания людей науки работать над совместным освоением космоса в интересах всего человечества и амбиций политиков, для которых эти амбиции были важнее, а противостояние оказалось выгодным. В целом, станция создавалась обоюдными усилиями, но нагляднее это продемонстрировано в таблице ниже.
| Год | РФ | США |
| 1998 | Произведен вывод стартово-базового элемента МКС на орбиту («Протон-К», российская ракета доставила ФГБ «Заря») | Модуль «Юнити» был успешно транспортирован шаттлом |
| 2000 | Модуль «Звезда» успешно воссоединен с Зарей, и было осуществлено прибытие ТПК «Союз ТМ-31» на борт МКС экипажей поэтапных экспедиций | - |
| 2001 | - | Модуль «Дестини» доставлен шаттлом «Атлантис» |
| 2003 | Доставка необходимых грузов российскими ТГК «Прогресс» на МКС | Произошла катастрофа «Колумбии», что повлекло невозможность доставки груза для снабжения сегмента США |
| 2005 | - | Произошел успешный старт «Дискавери», возобновление полетов на МКС |
| 2006 | - | Произведена доставка космонавта из ФРГ, а также транспортировано оборудование |
| 2007 | - | Модуль «Гармония» впервые был пристыкован к «Юнити» |
| 2008 | - | Появились модули «Коламбус» от ЕКА и «Кибо» – от Японии |
| 2009 | «Союз ТМА-14» и «Союз ТМА-15» доставили 2 экипажа на МКС, также был пристыкован модуль «Поиск» – причал для кораблей России и научной работы | - |
| 2010 | ИМ «Рассвет» пристыкован к МКС | - |
В 2016 году Международная космическая станция в 100000 раз совершила виток вокруг планеты.
Россия планирует один из модулей заменить на «Пирс», доставив 2 модуля, а затем еще 2 НЭМ, хотя и были заявления о прекращении российского участия в разработке проекта. МКС планируется оставить на земной орбите до 2024 года, а затем провести затопление в тихоокеанских водах.
На какой высоте летает МКС
Впервые озвученная дистанция до МКС в км не вселяет энтузиазма в сторонников планомерного освоения Вселенной и читателей научно-фантастических романов, привычно оперирующих понятиями «световой год» и «парсек».
Это нестабильная величина, которая изменяется в зависимости от обстоятельств. Однозначно ответить, на каком расстоянии находится МКС от Земли, не представляется возможным. Но при этом данная цифра колеблется в определенных рамках.
Максимальное удаление
Создатели проекта уверены, что такого расстояния вполне хватает для проведения научных экспериментов исследователями, постоянно присутствующими в космическом пространстве. Они мотивируют это следующими факторами:
- Условия невесомости, пространственный горизонт, отсутствие атмосферных помех, да еще и обозначение того, что человек есть в космосе – вот бонусы, для которых заявленного дистанцирования вполне достаточно. Отсутствие необходимого финансирования или простая ограниченность выделенных средств определяют и пределы, на которые можно запустить станцию, которая будет перманентно находиться на орбите. Ведь туда постоянно должны летать транспортные модули, для того чтобы обеспечить ее деятельность и существование людей на борту, а также доставить необходимое оборудование для научных экспериментов.
- Экономить на постройке, уменьшать расстояние до земной поверхности в проекте, направленном на благо всего человечества, кажется нелепым мечтателям, но вполне разумным политикам, которые выделяют гораздо больше денег на другие цели.
- Россия могла бы изменить орбиту и увеличить расстояние от Земли до станции Мир – для этого есть наработки, опыт и технические возможности. Но изначальная причина, почему выбрана именно такая дистанция, кроется в технических возможностях американских шаттлов, которые не могли подниматься выше 353 км. Минимальное расстояние в 340 километров от Земли выбрано в связи с тем, что это практически максимально возможное удаление для штатовских модулей. В 2011 году оно составляло 353 км, но уже через три года их ТМ могли приближаться на 417 км. Однако высоту полета на орбите было решено не менять, поскольку расчеты под нее осуществлялись заранее.
Спутники
Полет проходит на высоте от 340 до 400 км. Именно таким цифрам соответствуют минимальная и максимальная дистанции от поверхности Земли, несмотря на то, что здесь все еще присутствуют частицы разреженной земной атмосферы, тормозящие полет орбитальной станции.
Читайте также: Какое расстояние от Земли до космоса: км от открытой поверхности
С борта МКС можно в режиме онлайн смотреть видео, специально установленная наружная камера ведет постоянную трансляцию. Те, кому интересно, могут увидеть, как выглядит Солнце в практически безатмосферном пространстве, а также наблюдать за звездами и спутником Земли.
Не прибегая к камере, можно заметить станцию с поверхности планеты. Для этого во Всемирной информационной сети есть специальные ссылки с указанием времени прохождения над земными сегментами.
Рабочий день на МКС
Но это можно сделать только при чистом небе и ночью, да и без должного опыта найти на небе светящуюся точку будет несколько затруднительно. А многочисленные фото, размещенные в средствах массовой информации, не передадут очарования космоса и его довольно опасной для человека атмосферы.
Хотя сделать их на такой дистанции – это уже большое достижение. И оно стало возможным только благодаря талантливым людям, сумевшим разработать аппаратуру, которая способна безупречно работать на высоте 340–400 километров от Земли.
Макеты транспортных кораблей
Смотрите видео на эту тему.
Причины изменения расстояний
На вопрос, сколько же все-таки километров составляет дистанция от Земли до МКС в данный конкретный отрезок времени, можно ответить только среднеарифметическим значением. Это 370 километров. Максимум, которого достигает орбитальная станция – 400 км, минимум – 340, а среднее расстояние составляет 370 км.
Исследователи космоса отмечают, что изменение расстояния необходимо периодически осуществлять, потому что на минимальном станцию тормозит влияние земной атмосферы.
Если бы она перманентно находилась на высоте в четыре сотни километров, такое торможение практически отсутствовало бы. Но МКС проектировалась с учетом существующих на тот момент средств доставки.
Орбиты планет
С тех пор многое изменилось:
- повысились мощности и техническая оснащенность новых космических челноков и модулей, так что МКС не случайно собираются убирать с орбиты в 2024 году, а Россия отказывается от участия в проекте на 4 года раньше;
- это происходит еще и по той простой причине, что такая дальность не является открытым космосом. МКС летает в термосфере, а кроме нее есть еще экзосфера, которая начинается на расстоянии 690 км;
- пилотируемый объект не может летать ниже, чем 200 км, потому что там его сильно тормозит воздух, но и выше 500 – тоже вряд ли, потому что на человеческие экипажи будет сильно влиять радиация.
