Сегодня мы можем выйти за пределы своего дома ранним утром или вечером и увидеть яркую космическую станцию, пролетающую над головой. Хотя космические путешествия стали обыденной частью современного мира, для многих людей космос и вопросы, связанные с ним, остаются загадкой. Так, например, многим людям непонятно, почему спутники не падают на Землю и не улетают в космос?

Элементарная физика

Если мы бросим мяч в воздух, он скоро возвратится на Землю, как и любой другой объект, как, например, самолет, пуля или даже воздушный шар.

Чтобы понять, почему космический корабль способен вращаться вокруг Земли, не падая, по крайней мере, при нормальных обстоятельствах, нужно провести мысленный эксперимент. Представьте, что вы находитесь на но на ней нет воздуха и атмосферы. Нам нужно избавиться от воздуха, чтобы мы могли сделать нашу модель максимально простой. Теперь, вам придется мысленно подняться на вершину высокой горы с орудием, чтобы понять, почему спутники не падают на Землю.

Поставим эксперимент

Направляем ствол орудия ровно горизонтально и стреляем к западному горизонту. Снаряд вылетит из дула с огромной скоростью и направится на запад. Как только снаряд покинет ствол, он начнет приближаться к поверхности планеты.

Поскольку пушечный шар быстро продвигается на запад, он упадет на землю на некотором расстоянии от вершины горы. Если мы будем продолжать увеличивать мощность пушки, снаряд упадет на землю намного дальше от места выстрела. Поскольку наша планета имеет форму шара, каждый раз, когда пуля будет вылетать из дула, она будет падать дальше, потому что планета также продолжает вращаться вокруг своей оси. Вот почему спутники не падают на Землю под действием силы тяжести.

Поскольку это мысленный эксперимент, мы можем сделать выстрел пистолета более мощным. В конце концов, мы может вообразить ситуацию, в которой снаряд двигается с той же скоростью, что и планета.

На этой скорости, без сопротивления воздуха, которое его замедляет, снаряд будет продолжать вращаться вокруг Земли вечно, поскольку он будет непрерывно падать к планете, но Земля также будет продолжать падать с той же скоростью, как бы «ускользая» от снаряда. Это условие называется свободным падением.

На практике

В реальной же жизни, все не так просто, как в нашем мысленном эксперименте. Теперь мы должны иметь дело с сопротивлением воздуха, которое вызывает замедление скорости движения снаряда, в конечном итоге лишая его скорости, необходимой ей для того, чтобы оставаться на орбите и не падать на Землю.

Даже на расстоянии нескольких сотен километров от поверхности Земли все еще существует некоторое сопротивление воздуха, которое действует на спутники и космические станции и приводит к их замедлению. Это сопротивление в конечном итоге приводит к тому, что космический корабль или спутник попадают в слои атмосферы, где они обычно сгорают из-за трения с воздухом.

Если бы космические станции и другие спутники не имели ускорения, способного подтолкнуть их выше по орбите, все они безуспешно упали бы на Землю. Таким образом, скорость спутника регулируется таким образом, чтобы он падал на планету с той же скоростью, с которой планета по кривой движется по направлению от спутника. Вот почему спутники не падают на Землю.

Взаимодействие планет

Тот же процесс применим к нашей Луне, которая перемещается на орбите свободного падения вокруг Земли. Каждую секунду Луна приближается примерно на 0,125 см к Земле, но в то же время поверхность нашей сферической планеты смещается на то же расстояние, уклоняясь от Луны, поэтому относительно друг друга они остаются на своих орбитах.

Нет ничего волшебного в отношении орбит и такого явления, как свободное падение — они лишь объясняют, почему спутники не падают на Землю. Это просто сила тяжести и скорость. Но это невероятно интересно, впрочем, как и все остальное, связанное с космосом.

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.

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.

У Земли более тысячи работающих спутников. И если мы не закуклимся в своём развитии, их число к концу столетия может вырасти на порядок. Несмотря на это, сама причина их сравнительно благополучного функционирования, как оказалось, не вполне ясна. Да-да, вообще-то они должны падать.

Представьте себе сферическую Землю в вакууме. В таком варианте на орбиты спутников не влияют возмущающие факторы, и они могут оставаться там, над нашими головами, почти вечно.

Будь Земля такой же круглой, как на картинке, гравитация Луны за считанные месяцы сбрасывала бы с орбиты любой спутник без мощных верньерных двигателей. (Иллюстрация Shutterstock.)

Реальная Земля тоже живёт в вакууме, да только она не строго сферична. Кроме того, у неё есть Луна — тело, которое своей гравитацией вносит главную неупорядоченность в недружную семью околопланетных спутников и космического мусора. Лобовое применение законов небесной механики к влиянию Луны на искусственные предметы в космосе ведёт к заключению, что она должна в сжатые сроки приводить к падению таких тел в земную атмосферу с их последующим сгоранием.

Если вы инстинктивно взглянули на свой навигатор, чтобы убедиться, что спутники систем GPS/ГЛОНАСС ещё не упали вам на голову, то мы вас понимаем. Ситуация выглядит слегка загадочной. Что за спасительная сила удерживает в высоте все эти тонны железа?

Небезызвестный Скотт Тримейн (Scott Tremaine) и Томер Явец (Tomer Yavetz) из Принстонского университета (США) не на шутку заинтересовались этим вопросом и попытались при помощи компьютерного моделирования выяснить, что не даёт спутникам расшибиться о небесную твердь Землю. Согласно расчётам, виноваты в этом как раз вышеупомянутая «несферичность» нашей планеты, а также влияние Солнца.

Планета наша, если не забыли, слегка сплющена у полюсов и чуть выпукла вдоль экватора, что является естественным результатом её вращения. И вот этот самый экваториальный «наплыв» создаёт такое дополнение к земному тяготению, рассчитанному для сферы, что любое воздействие Луны или других крупных объектов компенсируется и тот или иной спутник не может быстро сместиться в какую-то одну сторону, располагая обычно несколькими годами на орбите.

Причём если бы отсутствовало гравитационное влияние Солнца, то одного этого было бы недостаточно для компенсации влияния Луны. И только эти лебедь, рак и щука удерживают воз околоземных космических аппаратов на месте, не давая ему съехать в овраг земной атмосферы.


Иллюстрация Shutterstock.

Интересно, что расчёты недвусмысленно показывают: будь наша планета слегка ближе к сфере, спутники неминуемо и сравнительно быстро сходили бы с орбит. С одной стороны, это, конечно, избавило бы нас от части космического мусора. С другой — какой толк от эвакуатора, который охотится за всеми машинами на дороге, а не только за неаккуратно припаркованными?

Подготовлено по материалам NewScientist. Изображение на заставке принадлежит Shutterstock.

Правообладатель иллюстрации Getty Images

Количество космического мусора на околоземной орбите неуклонно растет. Обозреватель решил разобраться, что происходит, когда отработавшие своё спутники падают на Землю. Изучением этой проблемы занимаются немецкие ученые.

Здание, в котором Виллемс собирается продемонстрировать мне "самое интересное", принадлежит институту аэродинамических исследований Германского центра авиации и космонавтики (DLR), расположенному в Кельне.

К "не самому интересному" Виллемс причисляет и пункт управления аэродинамическими трубами с огромным старинным пультом, на котором имеется множество датчиков, переключателей и кнопок.

Минуя массивную взрывостойкую дверь, мы входим в помещение без окон. Стены покрыты копотью, в воздухе явственно чувствуется запах пороха.

Здесь проводятся аэродинамические испытания ракетных двигателей.

Но и это, как выясняется, не самое интересное.

Виллемс ставит свои "самые интересные" эксперименты в одной из аэродинамических труб кельнского центра. Он имитирует сход спутника с околоземной орбиты.

"Вокруг Земли сейчас обращается огромное количество искусственных спутников, и все они рано или поздно сойдут с орбиты", - объясняет Виллемс.

Могут ли обломки спутников, не сгоревшие в атмосфере, упасть на что-нибудь - или на кого-нибудь?

"При входе в атмосферу космические аппараты разрушаются. Нас интересует, какова вероятность того, что уцелеют их фрагменты".

Иными словами, могут ли не сгоревшие в атмосфере обломки отработавших спутников упасть на что-нибудь - или на кого-нибудь - на Земле?

Установленная на бетонном полу аэродинамическая труба, которую выделили под эксперименты Виллемса, напоминает огромный полуразобранный пылесос, подсоединенный к пароварке.

Блестящий агрегат покрыт сетью труб и электропроводов. Обычно эта труба используется для продувки моделей сверхзвуковых и гиперзвуковых самолетов - скорость создаваемого в ней воздушного потока может превышать скорость звука в 11 раз.

С неба будет падать все больше и больше спутников

Собственно "труба" представляет собой сферическую металлическую камеру высотой в два метра, внутри которой в специальных зажимах укрепляют модели для продувки.

Но зажимы Виллемсу не нужны - он просто бросает предметы в трубу, сквозь которую в обратном направлении подается поток воздуха со скоростью примерно в 3000 км/ч (что вдвое выше скорости звука).

Таким образом имитируется полет сходящего с орбиты спутника сквозь земную атмосферу.

"Мы помещаем предметы в воздушный поток, чтобы посмотреть на то, как они ведут себя в условиях имитации свободного падения", - говорит Виллемс.

"Продолжительность каждого эксперимента составляет всего 0,2 секунды, но этого времени достаточно для того, чтобы сделать множество снимков и необходимых измерений".

Данные, полученные в ходе экспериментов, будут внесены в компьютерные модели, благодаря которым можно будет более точно прогнозировать поведение космических аппаратов при сходе с орбиты. (В этом ролике DLR смоделировано разрушение спутника Rosat в земной атмосфере.)

В настоящее время вокруг Земли обращается около 500 тыс. объектов орбитального мусора - от мелких металлических фрагментов до целых космических аппаратов размером с автобус - таких, как спутник Envisat Европейского космического агентства, который внезапно прекратил работу в апреле 2012 г.

"В целом количество фрагментов мусора, траектории которых мы отслеживаем, растет", - говорит Хью Льюис, старший преподаватель кафедры авиа- и ракетостроения в британском Саутгемптонском университете.

По мере роста объемов орбитального мусора будет расти и вероятность столкновения с ним работающих спутников или пилотируемых космических кораблей.

Проблема орбитального мусора будет сохранять свою актуальность в течение долгого времени

Уже сейчас по этой причине орбиту Международной космической станции приходится периодически корректировать.

"Фрагменты отработавших аппаратов сходят с орбиты с самого начала эпохи освоения космоса, - отмечает Льюис. - Как правило, крупный объект входит в атмосферу раз в три-четыре дня, и эта проблема будет сохранять свою актуальность в течение долгого времени".

Хотя спутники в атмосфере и разрушаются под действием перегрузок и высоких температур, некоторые крупные обломки падают на Землю относительно целыми.

"Например, топливные баки, - говорит Льюис. - У некоторых космических аппаратов они размером с небольшой легковой автомобиль".

Хотя Виллемс и не бросает в аэродинамическую трубу легковые автомобили, его задача заключается в том, чтобы посмотреть, как ведут себя при разрушении крупные предметы, и какие из их фрагментов теоретически могут достичь земной поверхности.

"Обтекание одного компонента влияет на обтекание соседних, - объясняет он. - В зависимости от того, падают ли они на Землю поодиночке или в сборе, меняется и степень вероятности их полного сгорания в атмосфере".

Но если космический мусор сходит с орбиты так часто, почему его обломки не пробивают крыши домов и не падают нам на голову?

В большинстве случаев ответ заключается в том, что отработавшие спутники целенаправленно сводят с орбиты за счет остатков бортового топлива.

Вероятность того, что на вас упадет обломок спутника, крайне мала

При этом траектории схода рассчитываются таким образом, чтобы спутники сгорали в атмосфере над безлюдными районами океанов.

А вот незапланированные сходы с орбиты представляют гораздо большую опасность.

Одним из последних таких случаев стал нерасчетный сход с орбиты Верхнеатмосферного исследовательского спутника (Upper Atmosphere Research Satellite, UARS) американского космического агентства НАСА в 2011 году.

Несмотря на то, что 70% Земли покрыто океанами и обширные участки суши до сих пор остаются малозаселенными, вероятность того, что падение UARS приведет к разрушениям на Земле, составляла, по оценкам НАСА, 1 к 2500, отмечает Льюис.

"Это весьма высокий процент - мы начинаем беспокоиться, когда возможная опасность для населения составляет 1 к 10 000", - говорит он.

"Речь идет не о том, что обломок спутника упадет именно на вас - вероятность этого ничтожно мала. Имеется в виду вероятность того, что он упадет на кого-нибудь в принципе".

Если учесть, что каждый год в автокатастрофах по всему миру гибнет свыше миллиона человек, вероятность того, что фрагмент орбитального мусора причинит значительные разрушения на Земле, очень незначительна.

Чем больше спутников будет выводиться на орбиту, тем больше их будет с нее сходить

И все-таки ей не пренебрегают, поскольку страна, запускающая космические аппараты, в соответствии с соглашениями ООН несет юридическую и финансовую ответственность за любой ущерб, нанесенный вследствие такой деятельности.

По этой причине космические агентства стремятся свести риски, связанные с падением объектов с орбиты, к минимуму.

Эксперименты, проводимые DLR, помогут ученым лучше понимать и более тщательно отслеживать поведение космического мусора, в том числе при незапланированных сходах с орбиты.

Стоимость космических запусков постепенно снижается, а спутники становятся все более миниатюрными, так что в ближайшие десятилетия их количество будет только расти.

"Человечество все активнее использует космос, но проблема орбитального мусора при этом усугубляется, - говорит Льюис. - Чем больше новых спутников выводится на орбиту, тем больше их будет с нее сходить".

Иными словами, хотя вероятность попасть под обломок космического корабля остается ничтожно малой, с неба будет падать все больше и больше спутников.

Ни один объект, выведенный на околоземную орбиту, не может оставаться на ней вечно.