|
Мир спутников на очень низкой околоземной орбите
|
|
|
|
На орбите Земли вращается около 15 000 спутников. Большинство из них, как, например, Международная космическая станция и телескоп "Хаббл", находятся на низкой околоземной орбите, или LEO, которая находится примерно в 1200 милях (2000 километрах) над поверхностью Земли.
|
|
|
|
Но по мере того, как в LEO запускается все больше и больше спутников — одна только интернет—группировка Starlink от SpaceX в конечном итоге отправит туда еще много тысяч спутников, - регион становится немного перенаселенным.
|
|
|
|
Вот почему нам повезло, что есть еще одна орбита, еще более близкая к Земле, которая обещает помочь уменьшить скученность. Она называется VLEO, или очень низкая околоземная орбита, и находится всего в 60-250 милях (100-400 километрах) над поверхностью Земли.
|
|
|
|
Как инженер и профессор, разрабатывающий технологии для расширения присутствия человека за пределами Земли, я могу сказать вам, что спутники, находящиеся на очень низкой околоземной орбите, или VLEO, имеют преимущества перед высокогорными спутниками. Помимо других преимуществ, спутники VLEO могут предоставлять изображения с более высоким разрешением, ускорять связь и улучшать изучение атмосферы. Я также являюсь соучредителем и совладельцем компании Victoria Defense, которая занимается коммерциализацией VLEO и других технологий использования космической энергии.
|
|
|
|
|
|
|
Преимущества VLEO
|
|
|
|
Изображения, получаемые со спутников на очень низкой околоземной орбите, получаются более четкими, потому что они просто позволяют видеть Землю более четко, чем спутники, расположенные выше, - примерно так же, как приближение к картине помогает лучше ее разглядеть. Это позволяет получать снимки с более высоким разрешением для целей сельского хозяйства, климатологии, реагирования на стихийные бедствия и военного наблюдения.
|
|
|
|
Сквозная связь работает быстрее, что идеально подходит для общения в режиме реального времени, например, по телефону или Интернету. Хотя скорость передачи сигналов остается прежней, они не так сильно отличаются друг от друга, поэтому задержка уменьшается, а разговоры проходят более гладко.
|
|
|
|
Большая часть прогнозов погоды основана на изображениях облаков над Землей, поэтому приближение этих снимков означает более высокое разрешение и больше данных для прогнозирования.
|
|
|
|
Благодаря этим преимуществам правительственные учреждения и промышленность работают над созданием спутников на очень низкой околоземной орбите.
|
|
|
|
Проблема: атмосферное сопротивление
|
|
|
|
Возможно, вам интересно, почему этот регион космоса до сих пор не использовался для устойчивой работы спутников. Это объясняется одной важной причиной: атмосферным сопротивлением.
|
|
|
|
Космос часто представляют как вакуум. Так где же на самом деле начинается космос? Хотя отправной точкой считается высота примерно в 62 мили (100 километров), известная как линия фон Кармана, там, где внезапно начинается космос, нет сложного перехода. Вместо этого, по мере удаления от Земли, атмосфера разрежается.
|
|
|
|
На очень низкой околоземной орбите и ниже нее земная атмосфера все еще достаточно плотная, чтобы замедлять работу спутников, в результате чего те, что находятся на самых низких высотах, сходят с орбиты через недели или даже дни и, по сути, сгорают при падении обратно на Землю. Чтобы противостоять этому атмосферному сопротивлению и оставаться на орбите, спутник должен постоянно двигаться вперед — подобно тому, как езда на велосипеде против ветра требует постоянного нажатия на педали.
|
|
|
|
Для приведения спутников в движение в космосе используются различные типы двигателей, которые обеспечивают толчок, необходимый для предотвращения замедления. Но в VLEO двигатели должны быть включены все или почти все время. Таким образом, у обычных двигателей быстро закончилось бы топливо.
|
|
|
|
К счастью, земная атмосфера на VLEO все еще достаточно плотная, чтобы саму атмосферу можно было использовать в качестве топлива.
|
|
|
|
Инновационные технологии в двигателях малой тяги
|
|
|
|
Вот тут-то и пригодились мои исследования. В университете Пенсильвании в сотрудничестве с технологическим центром Джорджии наша команда разрабатывает новую двигательную установку, рассчитанную на работу на высоте от 43 до 55 миль (от 70 до 90 километров). Технически эти высоты находятся даже ниже очень низкой околоземной орбиты, что еще больше усложняет задачу преодоления лобового сопротивления.
|
|
|
|
Наш подход заключается в том, что мы собираем атмосферу с помощью черпака, например, широко открываем рот, когда крутим педали велосипеда, а затем используем мощные микроволны для нагрева собранной атмосферы. Затем нагретый газ выбрасывается через сопло, которое толкает спутник вперед. Наша команда называет эту концепцию воздушно-реактивным микроволновым плазменным двигателем. Мы смогли продемонстрировать прототип двигателя в лаборатории, внутри вакуумной камеры, которая имитирует атмосферное давление на высоте 50 миль (80 км).
|
|
|
|
Этот подход относительно прост, но он обладает потенциалом, особенно на небольших высотах, где атмосфера плотнее. На больших высотах, где атмосфера разреженнее, космические аппараты могли бы использовать различные типы двигателей VLEO, которые разрабатываются другими компаниями, для покрытия больших диапазонов высот.
|
|
|
|
Наша команда не единственная, кто работает над технологией подруливающего устройства. Только один пример: Министерство обороны США в партнерстве с оборонным подрядчиком Red Wire разработало спутник Otter, VLEO, оснащенный технологией подруливающего устройства, работающего в атмосфере.
|
|
|
|
Другой способ сохранить спутник в VLEO, который использует технологию, над которой я работал на протяжении всей своей карьеры, - это привязать спутник на более низкой орбите к спутнику на более высокой орбите с помощью длинного троса. Хотя НАСА никогда не запускало такую систему, предлагаемая последующая миссия по сравнению с миссиями спутниковой системы tether, запущенными в 1990-х годах, заключалась в том, чтобы вывести спутник на гораздо более низкую орбиту с космического челнока, соединенного очень длинным тросом. В настоящее время мы пересматриваем эту систему, чтобы посмотреть, может ли она работать на VLEO в измененном виде.
|
|
|
|
Другие сложности
|
|
|
|
Преодоление аэродинамического сопротивления, хотя и является самой сложной задачей, является не единственной. Спутники на очень низкой околоземной орбите подвергаются воздействию очень высокого содержания атомарного кислорода, который является высокореактивной формой кислорода, которая быстро разъедает большинство веществ, даже пластмассы.
|
|
|
|
Материалы спутника также должны выдерживать чрезвычайно высокие температуры, превышающие 2732 градуса по Фаренгейту (1500 градусов по Цельсию), поскольку при движении в атмосфере они нагреваются от трения - явление, которое возникает, когда все космические аппараты возвращаются в атмосферу с орбиты.
|
|
|
|
Потенциал этих спутников стимулирует исследования и инвестиции, и предлагаемые миссии стали реальностью. По оценкам Juniper research, всего за следующие три года будет инвестировано 220 миллиардов долларов. Вскоре ваш Интернет, прогнозы погоды и безопасность могут стать еще лучше благодаря спутникам VLEO.
|
|
|
|
Источник
|
