Низкая околоземная орбита

Орбита вокруг Земли от 160 до 2000 км.

Вид с космической станции , находящейся на низкой околоземной орбите (НОО) на высоте около 400 км (250 миль), с желто-зеленым свечением воздуха , видимым на горизонте Земли , где примерно на высоте 100 км (62 мили) проходит граница между Землей и космическое пространство лежит, а скорости полета достигают орбитальных скоростей .

Низкая околоземная орбита ( НОО ) — это орбита вокруг Земли с периодом 128 минут или менее (совершающая не менее 11,25 витков в сутки) и эксцентриситетом менее 0,25. ^[1] Большинство искусственных объектов в космическом пространстве находятся на НОО, пик их количества приходится на высоту около 800 км (500 миль), ^[2] в то время как самые дальние на НОО, перед средней околоземной орбитой (СОО), имеют высоту более чем примерно одна треть радиуса Земли (или около 2000 километров), ^[3] примерно в начале внутреннего радиационного пояса Ван Аллена .

Термин «регион НОО» также используется для обозначения области космоса на высоте ниже 2000 км (1200 миль) (около одной трети радиуса Земли). ^[4] Объекты на орбитах, которые проходят через эту зону, даже если они имеют апогей дальше или находятся на суборбитальном уровне , тщательно отслеживаются, поскольку они представляют риск столкновения для многих спутников LEO.

Никаких полетов человека в космос, за исключением лунных миссий программы «Аполлон», за пределами НОО не проводилось. На сегодняшний день все космические станции работают геоцентрически в пределах НОО.

Определение характеристик

В самых разных источниках ^{[5] [6] [7]} НОО определяется с точки зрения высоты . Высота объекта на эллиптической орбите может значительно меняться вдоль орбиты. Даже для круговых орбит высота над землей может варьироваться на целых 30 км (19 миль) (особенно для полярных орбит ) из-за сжатия сфероидной формы Земли и местной топографии . Хотя определения, основанные на высоте, по своей сути неоднозначны, большинство из них попадают в диапазон, определяемый периодом орбиты в 128 минут, поскольку, согласно третьему закону Кеплера , это соответствует большой полуоси в 8 413 км (5 228 миль). Для круговых орбит это, в свою очередь, соответствует высоте 2042 км (1269 миль) над средним радиусом Земли, что соответствует некоторым верхним пределам высоты в некоторых определениях LEO.

Некоторые источники определяют регион LEO как область в космосе, которую занимают орбиты LEO. ^{[4] [8] [9]} Некоторые высокоэллиптические орбиты могут проходить через область НОО вблизи своей наименьшей высоты (или перигея ), но не находятся на НОО-орбите, поскольку их наибольшая высота (или апогей ) превышает 2000 км (1243 мили). Суборбитальные объекты также могут достигать области НОО, но не находятся на НОО-орбите, поскольку они повторно входят в атмосферу . Различие между орбитами НОО и областью НОО особенно важно для анализа возможных столкновений между объектами, которые сами могут не находиться на НОО, но могут столкнуться со спутниками или мусором на НОО.

Орбитальные характеристики

Средняя орбитальная скорость, необходимая для поддержания стабильной низкой околоземной орбиты, составляет около 7,8 км/с (4,8 миль/с), что соответствует 28 000 км/ч (17 000 миль в час). Однако это зависит от точной высоты орбиты. Рассчитанная для круговой орбиты длиной 200 км (120 миль) орбитальная скорость составляет 7,79 км/с (4,84 мили/с), но для более высокой орбиты 1500 км (930 миль) скорость снижается до 7,12 км/с (4,42 мили). /с). ^[10] Дельта-v ракеты-носителя, необходимая для достижения низкой околоземной орбиты, начинается со скорости около 9,4 км/с (5,8 миль/с).

Сила тяжести на НОО лишь немногим меньше, чем на поверхности Земли. Это связано с тем, что расстояние до НОО от поверхности Земли намного меньше радиуса Земли. Однако объект на орбите находится в постоянном свободном падении вокруг Земли, поскольку на орбите гравитационная и центробежная силы уравновешивают друг друга. ^[а] В результате космические корабли на орбите продолжают оставаться на орбите, а люди внутри или снаружи таких кораблей постоянно испытывают невесомость .

Объекты на НОО сталкиваются с атмосферным сопротивлением газов в термосфере (примерно 80–600 км над поверхностью) или экзосфере (примерно 600 км или 400 миль и выше), в зависимости от высоты орбиты. Орбиты спутников, достигающие высоты ниже 300 км (190 миль), быстро затухают из-за сопротивления атмосферы. Объекты на околоземной орбите вращаются вокруг Земли между более плотной частью атмосферы и ниже внутреннего радиационного пояса Ван Аллена .

Экваториальные низкие околоземные орбиты ( ELEO ) являются разновидностью LEO. Эти орбиты с небольшим наклоном к экватору позволяют быстро перемещаться по низкоширотным местам на Земле. Экваториальные НОО Prograde также имеют более низкие требования к запуску с дельта-v, поскольку они используют преимущества вращения Земли. Другие полезные орбиты LEO, включая полярные орбиты и солнечно-синхронные орбиты, имеют больший наклон к экватору и обеспечивают покрытие более высоких широт Земли. Некоторые спутники Starlink первого поколения использовали полярные орбиты, которые обеспечивают покрытие всей территории Земли. Более поздние созвездия Starlink вращаются по орбите с меньшим наклоном и обеспечивают большее покрытие населенных пунктов.

Более высокие орбиты включают среднюю околоземную орбиту (MEO), иногда называемую промежуточной круговой орбитой (ICO), и, выше, геостационарную орбиту (GEO). Орбиты выше низкой могут привести к преждевременному выходу из строя электронных компонентов из-за интенсивного излучения и накопления заряда.

В 2017 году в нормативных документах начали упоминаться « очень низкие околоземные орбиты » ( VLEO ) . Эти орбиты, расположенные ниже примерно 450 км (280 миль), требуют использования новых технологий для поднятия орбиты , поскольку они работают на орбитах, которые обычно затухают слишком рано, чтобы быть экономически полезными. ^{[11] [12]}

Использовать

Примерно половина орбиты Международной космической станции.

Низкая околоземная орбита требует наименьшего количества энергии для размещения спутников. Он обеспечивает высокую пропускную способность и низкую задержку связи . Спутники и космические станции на НОО более доступны для экипажа и обслуживания.

Поскольку для размещения спутника на LEO требуется меньше энергии , а для успешной передачи спутнику требуются менее мощные усилители, LEO используется во многих коммуникационных приложениях, таких как телефонная система Iridium . Некоторые спутники связи используют гораздо более высокие геостационарные орбиты и движутся с той же угловой скоростью, что и Земля, поэтому кажутся неподвижными над одним местом на планете.

Недостатки

В отличие от геосинхронных спутников , спутники на низкой орбите имеют небольшое поле зрения и могут наблюдать и общаться только с частью Земли в данный момент времени. Это означает, что для обеспечения непрерывного покрытия необходима большая сеть (или созвездие ) спутников.

Спутники на более низких высотах орбиты находятся в атмосфере и страдают от быстрого распада орбиты , что требует либо периодической перезагрузки для поддержания стабильных орбит, либо запуска замены тех, которые повторно входят в атмосферу. Последствия добавления такого количества испаренных металлов в стратосферу Земли потенциально вызывают беспокойство, но в настоящее время неизвестны. ^[13]

Примеры

• Международная космическая станция находится на околоземной орбите на высоте от 400 до 420 км (260 миль) над поверхностью Земли ^[14] и нуждается в перезагрузке несколько раз в год из-за распада орбиты.
• Телекоммуникационные спутники Iridium вращаются на высоте около 780 км (480 миль).
• Спутники наблюдения Земли , также известные как спутники дистанционного зондирования , включая спутники-шпионы и другие спутники для получения изображений Земли , используют НОО, поскольку они могут более четко видеть поверхность Земли, находясь ближе к ней. Большинство искусственных спутников размещено на околоземной орбите. ^[15] Спутники также могут воспользоваться преимуществами постоянного освещения поверхности внизу через солнечно-синхронные низкоорбитальные орбиты на высоте около 800 км (500 миль) и близком к полярному наклонении. Envisat (2002–2012 гг.) – один из примеров.
• Космический телескоп Хаббл вращается на высоте около 540 км (340 миль) над Землей.
• Созвездия спутникового интернета, такие как Starlink ^[16]
• Китайская космическая станция Тяньгун была запущена в апреле 2021 года и в настоящее время находится на орбите от 340 до 450 километров (280 миль).
• Гравиметрическая миссия GRACE-FO находится на орбите около 500 км (310 миль), как и ее предшественница GRACE .

Бывший

• Китайская станция «Тяньгун-1» находилась на орбите на высоте около 355 километров (221 миль) ^[17] до своего схода с орбиты в 2018 году.
• Китайская станция «Тяньгун-2» находилась на орбите на высоте около 370 км (230 миль) до своего схода с орбиты в 2019 году.
• GOCE , еще одна гравиметрическая миссия, находилась на орбите примерно 255 км (158 миль).
• Испытательный спутник сверхнизкой высоты , получивший прозвище «Цубамэ» , находился на орбите 167,4 км (104,0 мили), что является самой низкой высотой среди спутников наблюдения Земли. ^[18]

В фантастике

• В фильме «Космическая одиссея 2001 года» транзитная станция Земли («Космическая станция V») «обращалась на орбите на высоте 300 км над Землей». ^[19]

Космический мусор

Среда НОО становится перегруженной космическим мусором из-за частоты запусков объектов. ^[20] В последние годы это вызывает растущую обеспокоенность, поскольку столкновения на орбитальных скоростях могут быть опасными или смертельными. Столкновения могут привести к образованию дополнительного космического мусора, создавая эффект домино, известный как синдром Кесслера . Программа НАСА по орбитальному мусору отслеживает более 25 000 объектов диаметром более 10 см на околоземной околоземной орбите, в то время как предполагаемое количество от 1 до 10 см составляет 500 000, а количество частиц размером более 1 мм превышает 100 миллионов. ^[21] Частицы движутся со скоростью до 7,8 км/с (28 000 км/ч; 17 500 миль в час), поэтому даже небольшой удар может серьезно повредить космический корабль. ^[22]

Смотрите также

• Сравнение орбитальных стартовых систем
• Геостационарная орбита (GEO)
• Тяжелая ракета-носитель
• Высокая околоземная орбита (HEO)
• Высокоэллиптическая орбита (HEO)
• Список орбит
• Средняя околоземная орбита (СОО)
• Ракета-носитель средней грузоподъемности
• Конкретные примеры орбитальной энергии
• Суборбитальный космический полет
• Осведомленность о космической сфере
• Радиационный пояс Ван Аллена

Примечания

1. Здесь важно отметить, что «свободное падение» по определению требует, чтобы гравитация была единственной силой, действующей на объект. Это определение по-прежнему выполняется при падении вокруг Земли, поскольку другая сила, центробежная сила, является фиктивной силой .

Рекомендации

1. «Текущие файлы каталога» . Архивировано из оригинала 26 июня 2018 года . Проверено 13 июля 2018 г. Лев: среднее движение > 11,25 и эксцентриситет < 0,25.
2. Мучачча, Андреа (2021). Фрагментации на низкой околоземной орбите: обнаружение событий и идентификация родительского тела (Диссертация). дои : 10.13140/RG.2.2.27621.52966.
3. Сампайо, Джарбас; Внук, Эдвин; Вильена де Мораес, Родольфо; Фернандес, Сандро (1 января 2014 г.). «Резонансная орбитальная динамика в регионе НОО: космический мусор в фокусе». Математические проблемы в технике . 2014 : Рисунок 1: Гистограмма среднего движения каталогизированных объектов. дои : 10.1155/2014/929810 . Архивировано из оригинала 1 октября 2021 года . Проверено 13 июля 2018 г.
4. «Руководство IDC по предотвращению образования космического мусора» (PDF) . МЕЖАГЕНТСКИЙ КООРДИНАЦИОННЫЙ КОМИТЕТ ПО КОСМИЧЕСКОМУ МУСОРУ: Выпущено Руководящей группой и Рабочей группой 4. Сентябрь 2007 г. Архивировано (PDF) из оригинала 17 июля 2018 г. Проверено 17 июля 2018 г. Регион A, регион низкой околоземной орбиты (или LEO). Регион – сферическая область, простирающаяся от поверхности Земли до высоты (Z) 2000 км.
5. «Определение низкой околоземной орбиты». Словарь Мерриам-Вебстера . Архивировано из оригинала 8 июля 2018 года . Проверено 8 июля 2018 г.
6. «Часто задаваемые вопросы» . ФАУ. Архивировано из оригинала 2 июня 2020 года . Проверено 14 февраля 2020 г. . LEO относится к орбитам, высота которых обычно составляет менее 2400 км (1491 миль).
7. Кэмпбелл, Эшли (10 июля 2015 г.). «Словарь СКАН». НАСА. Архивировано из оригинала 3 августа 2020 года . Проверено 12 июля 2018 г. Низкая околоземная орбита (НОО): геоцентрическая орбита с высотой, намного меньшей радиуса Земли. Спутники на этой орбите находятся на высоте от 80 до 2000 километров над поверхностью Земли.
8. «Что такое орбита?». НАСА . Дэвид Хитт: Служба образовательных технологий НАСА, Элис Вессон: Лаборатория реактивного движения, Дж. Д. Харрингтон: штаб-квартира;, Ларри Купер: штаб-квартира;, Флинт Уайлд: MSFC;, Энн Мари Тротта: штаб-квартира;, Дидра Уильямс: MSFC. 1 июня 2015 г. Архивировано из оригинала 27 марта 2018 г. Проверено 8 июля 2018 г. НОО — это первые 100–200 миль (161–322 км) космоса.{{cite news}}: CS1 maint: другие ( ссылка )
9. Стил, Дилан (3 мая 2016 г.). «Руководство исследователя: воздействие космического пространства на окружающую среду». НАСА . п. 7. Архивировано из оригинала 17 ноября 2016 года . Проверено 12 июля 2018 г. среда низкой околоземной орбиты (НОО), определяемая как высота 200–1000 км над поверхностью Земли.
10. «Параметры LEO». www.spaceacademy.net.au . Архивировано из оригинала 11 февраля 2016 года . Проверено 12 июня 2015 г.
11. Крисп, Нью-Хэмпшир; Робертс, PCE; Ливадиотти, С.; Ойко, ВТА; Эдмондсон, С.; Хей, SJ; Хайтон, К.; Синпетру, Л.; Смит, КЛ; Уорролл, SD; Беседас, Дж. (август 2020 г.). «Преимущества очень низкой околоземной орбиты для миссий по наблюдению за Землей». Прогресс аэрокосмических наук . 117 : 100619. arXiv : 2007.07699 . Бибкод :2020ПрАэС.11700619С. doi : 10.1016/j.paerosci.2020.100619. S2CID  220525689.
12. Мессье, Дуг (3 марта 2017 г.). «SpaceX хочет запустить 12 000 спутников». Параболическая дуга . Архивировано из оригинала 22 января 2020 года . Проверено 22 января 2018 г.
13. https://www.scientificamerican.com/article/space-junk-is-polluting-earths-stratосфера-with-vaporized-metal/
14. «Большая высота повышает экономию топлива станции» . НАСА. Архивировано из оригинала 15 мая 2015 года . Проверено 12 февраля 2013 г.
15. Холли, Рибик (4 сентября 2009 г.). «Земная обсерватория НАСА». Earthobservatory.nasa.gov . Архивировано из оригинала 27 мая 2018 года . Проверено 28 ноября 2015 г.
16. Латифиян, Пуя; Мазлуми, Фархад; Хабиб Неджад, Саид (2024). «1». Спутниковый Интернет в авиационной отрасли. Кафедра авиационной электроники и телекоммуникаций (1-е изд.). Тегеран, Иран: Технологический колледж гражданской авиации. дои : 10.13140/RG.2.2.25125.92640.
17. ""天宫一号成功完成二次变轨"". Архивировано из оригинала 13 ноября 2011 года . Проверено 13 октября 2020 г.
18. "Японский маловысотный спутник Цубамэ внесен в Книгу рекордов Гиннеса" . Джапан Таймс . 30 декабря 2019 года . Проверено 25 июня 2024 г.
19. «Космическая станция 2001 года: Космическая одиссея».
20. Управление ООН по вопросам космического пространства (2010). «Руководящие принципы по предотвращению образования космического мусора Комитета по использованию космического пространства в мирных целях». Межагентский координационный комитет по космическому мусору (МККМ) . Проверено 19 октября 2021 г.
21. «ARES | Офис программы по орбитальному мусору | Часто задаваемые вопросы» . НАСА.gov . Архивировано из оригинала 2 сентября 2022 года . Проверено 2 сентября 2022 г.
22. Гарсия, Марк (13 апреля 2015 г.). «Космический мусор и пилотируемый космический корабль». NASA.gov . Архивировано из оригинала 8 сентября 2022 года . Проверено 2 сентября 2022 г.

 Эта статья включает общедоступные материалы с веб-сайтов или документов Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства .