Определяющим фактором высоты космической орбиты является не только расстояние от поверхности Земли. Она открывает возможности для выполнения задач, которые не под силу другим орбитам. В нашей новой статье мы расскажем, какие существуют высокие околоземные орбиты, какие преимущества они предоставляют спутникам и каким образом создают для них уникальные условия эксплуатации.
Все выше, и выше, и выше
Преодолев границу атмосферы, условную линию Кармана, расположенную на высоте 100 километров, ракета-носитель увеличивает высоту полета примерно вдвое и при этом придает ему горизонтальное направление. На отметке 185–200 километров ступень ракеты, несущая полезную нагрузку, достигает скорости около 7,8 километра в секунду, необходимой для поддержания орбиты на такой высоте. С этого момента груз переходит на орбитальную траекторию.
Здешняя атмосфера оказывает небольшое сопротивление, что снижает орбиту на несколько километров за оборот и облегчает выход с неё. В связи с этим, на такой низкой высоте объекты не задерживаются надолго, если только это не связано с конкретными задачами. Ступень ракеты, несущая полезную нагрузку (или сама полезная нагрузка), ещё не совершив полного оборота вокруг Земли, активирует двигатель, ускоряется и переходит на более высокую орбиту.
Высота орбиты определяется задачами, которые выполняет полезная нагрузка. Подавляющее большинство спутников располагается на низких орбитах, находящихся на расстоянии до 2000 километров над поверхностью Земли. Некоторые спутники функционируют на средних высотах, в частности, спутники систем глобального позиционирования. Их орбиты являются круговыми и располагаются на высоте 19 100 километров («Глонасс»), 20 200 километров (GPS), 21 528 километров («Бэйдоу»), 23 222 километра («Галилео»).
На расстоянии 35 786 километров от экватора, значительно выше, находится обширное и современное скопление спутников. Они движутся по единой круговой орбите, общей для всех (хотя реальные траектории спутников незначительно отклоняются от неё). Эта орбита, известная как геостационарная (ГСО), характеризуется особыми свойствами, определяющими её расположение в плоскости земного экватора и высоту. В соответствии с общепринятой классификацией, данная высота завершает группу средних орбит, расположенных ниже, и открывает группу высоких орбит.
Спутник, расположенный на геостационарной орбите на высоте 35 786 км над экватором Земли, совершает полный оборот за одни сутки, подобно вращению всей поверхности планеты
Геостационарный спутник, расположенный над экватором, не оставляет ее позади и не опережает. Он также не отклоняется в сторону, поскольку перемещается в плоскости экватора. Спутник остается неподвижным относительно экватора, а, следовательно, и относительно любой другой точки земной поверхности. Для наблюдателя на Земле спутник не перемещается и не изменяет своего положения в небе, всегда оставаясь на одном и том же месте. Его неподвижность по отношению к земной поверхности можно охарактеризовать как стационарность. Именно это свойство и определяет название всей орбиты.
Направленная антенна, ориентированная на спутник, будет постоянно находиться в зоне максимальной чувствительности антенны. Фиксация антенны обеспечит стабильный и надежный прием сигнала, будь то телевизионное, радиовещательное или любое другое вещание.
Значительные преимущества геостационарных орбит с большой высотой
Неподвижность спутника, наблюдаемая в небе, не является его единственным достоинством, хотя и играет важную роль. Значительным преимуществом также является большая высота геостационарной орбиты, составляющая 35 786 километров – это почти три средних диаметра Земли (12 742 километра). Расположенный на таком расстоянии от поверхности планеты, спутник охватывает очень большую территорию и доступен для наблюдения из множества точек. В результате, количество пользователей, обслуживаемых таким спутником, может быть весьма значительным, а их географическое распределение – очень широким.
Иногда спутник выполняет обратную задачу — не быть наблюдаемым, а, напротив, обеспечивать обзор обширных участков земной поверхности. Речь идет о мониторинге метеорологических условий или решении оборонительных задач, таких как инфракрасное (тепловое) обнаружение пусков межконтинентальных баллистических ракет. При этом фиксируется не только сам факт запуска, но и измеряется разгон ракеты с целью прогнозирования зоны поражения ее боеголовок.
Однако, не стоит ограничиваться только межконтинентальными баллистическими ракетами. С геостационарной орбиты можно засечь пуски ракет средней дальности и даже тактических, более легких моделей. Замечены также и другие тепловые явления: извержения вулканов, крупные природные пожары, мощные взрывы. Главное – чувствительность инфракрасных сенсоров спутника и используемые алгоритмы обработки данных.
Геостационарный спутник обладает обширной зоной видимости, охватывающей почти треть поверхности Земли. Для мониторинга большей части планеты потребуется всего несколько таких аппаратов на геостационарной орбите – от четырех до шести, если учитывать перекрытия зон видимости вблизи краев. Небольшие полярные регионы не будут охвачены наблюдениями, поскольку они находятся за пределами досягаемости геостационарных спутников, то есть лежат под их горизонтом.
Высотная орбита, несмотря на свои преимущества, сопряжена с рядом недостатков. Среди них – значительные затраты энергии, необходимые для выведения аппарата на такую траекторию.
Высокий расход топлива значительно уменьшает массу полезной нагрузки по сравнению с низкой опорной орбитой. Для вывода аппарата на геостационарную орбиту необходим отдельный разгонный блок. Кроме того, расположение геостационарной орбиты в плоскости экватора предполагает дополнительные затраты топлива на изменение наклонения начальной орбиты, что актуально, если запуск осуществляется не с экватора, как это обычно и происходит).
Высота ГСО имеет и другие недостатки, такие как значительная задержка сигнала по сравнению с низкими орбитами (в несколько десятков раз). Кроме того, разрешение земных объектов оказывается существенно ниже, поскольку они находятся на большом расстоянии и не видны в деталях. Увеличенное расстояние также уменьшает чувствительность к слабым и тусклым объектам, расположенным как на поверхности Земли, так и в ее атмосфере.
Даже самый совершенный спутник не может различить удаленные источники излучения с такой же четкостью. Запуск межконтинентальной ракеты хорошо заметен благодаря сильному тепловому излучению от многометрового раскаленного выхлопа ее двигателей. Однако полет гиперзвуковых целей в атмосфере, которые в сотню раз менее заметны, сегодня неразличим для спутников, расположенных на геостационарной орбите.
Высокие эллиптические орбиты характеризуются длительным пребыванием в заданной области пространства
Ранее обсуждалось, что приполярные районы с геостационарной орбитой недоступны для наблюдения, и наоборот, геостационарные спутники не видны оттуда. Более конкретно, они невидимы на широтах выше 81°, а в пределах полосы – до 75°. Объекты, находящиеся на этих широтах, видны очень низко над горизонтом и могут быть скрыты местностью или постройками. Но что касается таких высоких широт? Там также есть устройства приема спутникового телевидения, а запуск баллистической ракеты с подводной лодки, расположенной в полярном районе, также необходимо обнаружить и отслеживать. В этом случае на помощь приходят высокоэллиптические орбиты.
В отличие от круговых экваториальных геостационарных орбит, высокие эллиптические орбиты характеризуются вытянутой формой, а их наиболее удаленная точка, апогей, располагается на еще большей высоте
Расположение плоскостей орбит (как и любых других) в пространстве может быть произвольным. Например, можно задать такую орбиту, чтобы её апогей (наивысшая точка) находился над высокими северными или южными широтами, обеспечивая широкий обзор приполярных регионов. При этом из участка орбиты, соответствующего апогею, спутник мог бы наблюдать обширные северные или южные территории.
На орбитальная скорость всегда зависит от высоты: на круговой орбите высота постоянна, соответственно, и скорость во всех точках одинакова. Спутник на геостационарной орбите движется с постоянной скоростью, составляющей примерно два километра в секунду. На эллиптической орбите спутник замедляется, приближаясь к апогею, и разгоняется, опускаясь к перигею — самой нижней точке траектории, подобно катанию с горки на санках.
Когда эллиптическая орбита приближается к круговой, скорость в самой верхней точке будет меньше, чем на круговой орбите в соответствующей точке. Разница в скорости тем больше, чем ниже перигей и тем ниже полная орбитальная энергия спутника. Это связано с тем, что для достижения апогея необходимо преодолеть большее расстояние и испытать более сильное замедление.
Эллиптическая орбита приводит к тому, что спутник задерживается в верхней, наиболее удаленной от Земли точке траектории – апогее, где его скорость значительно снижается. Если апогей располагается высоко над полярной или северной областью (или южной, хотя там плотность населения ниже), спутник будет медленно перемещаться в небе в течение нескольких часов. Таким образом, в течение этого времени он будет хорошо заметен с обширных северных территорий.
За это время наша планета совершит оборот вокруг своей оси, а спутник достигнет точки своей орбиты, наиболее удаленной от Земли, и заметно приблизится к горизонту. В связи с этим, новый спутник должен будет заранее начать подниматься на другую орбиту, апогей которой будет расположен над той же областью.
Несколько орбит, расположенных в различных плоскостях, могут своими дальними точками касаться полярных областей планеты, напоминая лепестки цветка. Порядок достижения спутниками своих дальних точек можно синхронизировать с вращением Земли. В результате над определённой территорией постоянно будет находиться один из них, двигающийся с небольшой скоростью.
СССР впервые разработал и вывел на высокие эллиптические орбиты системы спутников в 1960-х годах, чтобы обеспечить телесигналом обширные северные территории страны. В настоящее время этот тип орбит известен под названиями «Молния» и «Тундра». Эти орбиты характеризуются определенными особенностями: период обращения вокруг Земли составляет половину суток для «Молнии» и сутки для «Тундры», что обеспечивает большую синхронность с вращением планеты.
Эти аспекты мы оставим без внимания, сосредоточившись на роли высоты, которая обеспечивает длительную и обширную видимость спутника. Апогей «Молнии» находится на отметке в 40 тысяч километров, а у «Тундры» – на высоте от 46 до 52 тысячи километров.
Подобные орбиты применимы не только для радиосвязи: стоит обратить внимание на задачи наблюдения за земной поверхностью. Именно по такой траектории осуществлялся вывод советских и российских спутников УС-К космической системы раннего предупреждения о ракетном нападении (СПРН) «Око». Они использовали орбиту «Молния» с апогеем над территорией США, обеспечивая визуальный контроль над всей этой территорией. Современная российская СПРН «Купол», заменившая «Око», использует орбиту «Тундра».
Ультравысокие эллипсы
Тундра» также не предназначена для работы на больших высотах. Спутники успешно функционируют на значительно более удаленных эллиптических орбитах. С их самой дальней точки орбиты Земля предстает как яблоко в вытянутой руке.
С такой высоты трудно что-либо различить. Действительно, с нее мало что можно рассмотреть. Но эти высокие орбиты и не созданы для наблюдения за Землей. Напротив, их выбрали для противоположной цели: чтобы планета как можно дольше не попадала в поле зрения. Это орбиты космических обсерваторий.
Космический рентгеновский телескоп XMM-Newton движется по эллиптической орбите, имеющей апогей на высоте 114 тысяч километров. Рентгеновский телескоп «Чандра» находится на орбите с апогеем высотой 135 тысяч километров, что составляет примерно треть расстояния до Луны. Космическая рентгеновская обсерватория «Интеграл», проект с российским участием, функционировала на орбите в течение 22 года и прекратила наблюдения в последний день зимы 2025 года, достигая апогея на высоте 153 тысячи километров.
Российский аппарат «Спектр-Р», являвшийся частью проекта «Радиоастрон» и функционировавший в космосе почти восемь лет, поднимался на высоту до 338,5 тысячи километров, приближаясь к лунной орбите. Для корректировки плоскости своей орбиты «Спектр-Р» на апогее использовал гравитационное воздействие Луны.
Для орбит с таким высоким значением перигея, он находится на относительно небольшом расстоянии от Земли: 14,3 тысячи километров у «Чандры», 10,6 тысячи километров у «Спектра-Р», 5,7 тысячи километров у XMM-Newton. Как известно, чем ниже перигей, тем более заметно замедляется спутник в апогее из-за значительного гравитационного подъема. Поэтому скорость движения в апогейных точках таких высоких и вытянутых орбит крайне мала. Из-за этого время полного оборота по орбите увеличивается до 2,5-3 суток. Обсерватория большую часть этого времени находится в верхней части орбиты, где Земля выглядит как небольшое пятнышко.
В связи с этим, наша планета продолжительное время не перекрывает обзор для основного оборудования обсерватории, будь то телескоп определенного диапазона. Это обеспечивает ему два значимых условия для работы. Во-первых, возможность точного наведения телескопа на наблюдаемый объект. Такая настройка может занимать от получаса до сорока минут и более. Она необходима для устранения (в пределах заданных, очень малых значений) остаточных незначительных, микроскопических вращательных перемещений и колебаний.
Ключевым фактором является продолжительная выдержка, во время которой сенсор прибора находится на объекте. Продолжительность воздействия позволяет матрице устройства получать больше энергии, что, в свою очередь, обеспечивает получение более четкого и детализированного изображения.
На близких орбитах оборот вокруг Земли занимает около полутора часов. Как только телескоп наводится на объект, он оказывается скрыт за планетой, которая быстро заслоняет обзор обсерватории. Однако подобной проблемы не возникает на верхних участках сильно вытянутых эллиптических орбит, где обсерватория может функционировать в течение суток и дольше, прежде чем начнет заметно сближаться с планетой.
Высокие переходные орбиты
Речь пойдет о рабочих орбитах, предназначенных для продолжительного пребывания и выполнения задач. Существует и другая категория орбит – переходные, такие как низкая опорная орбита, упомянутая в начале, которая используется для краткосрочных миссий и перехода на другие траектории.
Для достижения геостационарной орбиты часто применяют переходные эллиптические траектории, в которых высота апогея совпадает с высотой геостационарной орбиты. В некоторых случаях для выведения на геостационарную орбиту используют суперпереходную траекторию с апогеем на отметке 70 000 километров. Это позволяет сократить потребление топлива, необходимого для изменения наклона орбитальной плоскости до экваториального, равного нулю. Однако и эти орбиты не характеризуются выдающимися высотными показателями.
Наивысшие околоземные переходные орбиты простираются на значительные расстояния, их высота превышает 300-350 тысяч километров, что приближает их к лунной орбите и самой Луне
Их наивысшие точки уже настолько сильно подвержены влиянию гравитации нашего естественного спутника, что на лунных станциях без труда осуществляется переход на окололунные (селеноцентрические) орбиты с использованием двигателей, превращая их в искусственные спутники Луны.
Все отдаленные орбиты, как предназначенные для длительной работы, так и временные переходные, определяются тремя законами, сформулированными Иоганном Кеплером. Он вывел их для описания движения тела, которое движется под воздействием только одной силы – гравитационного притяжения центрального тела, являющегося источником гравитационного поля, без использования двигателей или каких-либо других сил. Форма кеплеровских эллипсов (окружность является частным случаем эллипса) и законы, управляющие движением по ним, полностью определяются и выражаются математическими формулами, отличающимися ясностью и краткостью.
Выше самых высоких
На первый взгляд, кажется, что за пределами лунной орбиты космические аппараты перестанут оставаться возле Земли. Однако существуют особые типы рабочих орбит, рассчитанных на длительный срок, которые значительно превышают высоту указанных выше. На этих орбитах также функционируют космические аппараты, которые уже не являются спутниками Земли. Это не околоземные орбиты, но они «связаны» с нашей планетой и постоянно остаются вблизи нее.
Определения высоты орбиты и перигея с апогеем утрачивают актуальность для таких кривых. Традиционное понимание высоты, привязанное к земной поверхности и измеряемое от нее по вертикали, заменяется на более широкое понятие расстояния. Эти кривые не образуют строго замкнутые фигуры, которые можно описать точными математическими формулами. Они скорее напоминают огромную бухту скрученного провода или веревки, причем бухту неровную и слегка изогнутую. В ней каждый последующий оборот создает новую неровную петлю, которая не повторяет ни одну из предыдущих. И она не поддается аналитическому описанию, то есть выражению строгими законами и точной математикой, подобно орбитам, описываемым законами Кеплера.
Это гало-орбиты, расположенные вокруг первой и второй точек Лагранжа системы Солнце — Земля, известных как L1 и L2. Подробно о физических принципах, определяющих гало-орбиты, мы сейчас не будем рассказывать. Однако стоит отметить, что они формируются под воздействием одновременного притяжения Солнца и Земли, а также вращением гравитационной системы.
Существует пять точек Лагранжа, причем первые две находятся на наименьшем расстоянии от Земли. Одна из них расположена в полутора миллионах километров в сторону Солнца, а другая — в противоположной. Вокруг каждой из них, приблизительно перпендикулярно линии, соединяющей Солнце и Землю, простираются гало-орбиты.
Их размеры, или, точнее, приблизительный диаметр (определить точное значение затруднительно, поскольку это не окружности), варьируются, и, в целом, речь идет о целых группах орбит, которые не обязательно имеют схожий вид. Движение по этим траекториям происходит медленно и может достигать скорости всего в 200 метров в секунду. Это скорость, скорее, авиационная, чем космическая: примерно с такой же скоростью летит на крейсерской высоте транспортный самолет Ил-76, полностью загруженный. С подобной скоростью перемещаются и космические аппараты, функционирующие в настоящее время вблизи обеих точек Лагранжа, расположенных недалеко от Земли.
Это также научные спутники, предназначенные для решения различных задач. Вблизи первой точки Лагранжа L1, расположенной ближе к Солнцу, функционируют американские аппараты ACE, WIND и DSCOVR, известная европейская солнечная обсерватория SOHO, индийская миссия «Адитья-L1» и китайский зонд «Чанъэ-5». С этих позиций ведется наблюдение за Солнцем и Землей, производится сбор данных о солнечной частицах и осуществляется поиск гравитационных волн.
В районе второй точки Лагранжа L2, расположенной дальше от Солнца, успешно функционируют шесть космических аппаратов. В настоящее время там находится китайская станция «Чанъэ-6», а также работают европейский широкоугольный космический телескоп «Евклид» и известный инфракрасный космический телескоп «Джеймс Уэбб».
Орбита этого объекта расположена относительно недалеко от земной (хотя расстояние между ними превышает миллион километров), и траектория его движения на этой орбите постоянно корректируется для достижения окрестности точки Лагранжа. В этом районе аппарат подвержен гравитационному воздействию Земли, но оно не является определяющим; здесь формируется гравитационное взаимодействие с Солнцем, которое и определяет дальнейшее движение по гало-орбите. Это наименее близкие орбиты, создаваемые под воздействием тяготения Земли.
Совместная российско-германская космическая обсерватория «Спектр-РГ» предназначена для изучения астрофизики высоких энергий. В космос она была отправлена 13 июля 2019 года с использованием ракеты-носителя «Протон-М» с космодрома Байконур. Российские и немецкие рентгеновские телескопы, составляющие научное оборудование общей массой 1,2 тонны, были интегрированы в спутниковую платформу «Навигатор», разработанную в НПО имени Лавочкина и имеющую массу 2,7 тонны. Путь к точке Лагранжа L2 занял ровно 100 дней и завершился 21 октября 2019 года выходом на рабочую гало-орбиту.
При запуске к точке Лагранжа системы Солнце-Земля космический аппарат не выходит на околоземную орбиту, а попадает на гелиоцентрическую, околосолнечную траекторию, вращаясь вокруг Солнца, как и Земля.
Полет до места назначения занимает от месяца до полутора, что сопряжено со значительным расходом энергии; подобное характерно для всех перелетов за пределы околоземного пространства. Перемещение по гало-орбитам носит квазиустойчивый характер, подразумевая периодическую необходимость в незначительных корректировках траектории посредством включения двигателей. В этом гало-орбиты не отличаются от обычных околоземных орбит, которые также нуждаются в регулярных коррекциях для устранения влияния гравитации Солнца и планет, солнечного давления и других факторов.
Вместо заключения
Да, орбиты, расположенные на еще больших расстояниях, действительно существуют, однако они больше не взаимодействуют с нашей планетой.
В окрестностях Солнца, на орбитах планет и астероидов функционировали или функционируют разнообразные космические аппараты. Некоторые созданные человеком конструкции покинули пределы Солнечной системы. К ним относятся известные «Вояджер-1» и «Вояджер-2», один из которых все еще находится в эксплуатации. Также к ним можно отнести уже вышедшие из строя «Пионер-10» и «Пионер-11», а еще современный зонд «Новые горизонты», стремительно удаляющийся в пояс Койпера, расположенный на границе наблюдаемой Солнечной системы.
Эти космические аппараты движутся по траекториям, отличным от орбит. Это пути, по которым они покидают область притяжения Солнца. Их также называют гиперболическими траекториями. Возвращение к Земле на них невозможно: расстояние до нее постоянно увеличивается и стремится к бесконечности. Впрочем, это уже другая история.