Нізкая калязямная арбіта

Гэты артыкул аб мэтавых (працоўных) арбітах вышынёй да 2 000 км; аб этапе, працэсе, тэхналогіі вываду КА на мэтавую арбіту гл.: Нізкая апорная арбіта.

Нізкая калязямная арбіта (НКА, англ.: Low Earth Orbit, LEO) — гэта арбіта вакол Зямлі з перыядам 128 хвілін або менш (атрымліваецца не менш за 11,25 арбіт на дзень) і эксцэнтрысітэтам менш за 0,25.^[1] Большасць штучных аб’ектаў у касмічнай прасторы знаходзяцца на НКА, на вышыні не перавышаючай адну траціну радыуса Зямлі.^[2]

Параўнанне GPS, ГЛОНАСС, Galileo, Beidou-2 і Iridium, Міжнароднай касмічнай станцыі, касмічнага тэлескопа Хабла і параўнанне памераў геастацыянарнай арбіты (і арбіты пахавання) з радыяцыйнымі паясамі Ван Алена і Зямлёй у маштабе. Арбіта Месяца прыкладна ў 9 разоў большая за геастацыянарную арбіту.

Тэрмін вобласць НКА выкарыстоўваецца для вобласці космасу ніжэй вышыні 2 000 км (каля адной траціны радыуса Зямлі).^[3] Аб’екты на арбітах, якія праходзяць праз гэтую зону, нават калі яны маюць апацэнтр вышэй або знаходзяцца на субарбіце, старанна адсочваюцца, паколькі яны ўяўляюць небяспеку сутыкнення для шматлікіх спадарожнікаў НКА.

Усе пілатуемыя касмічныя станцыі на сённяшні дзень знаходзіліся ў межах НКА. З 1968 па 1972 год месячныя місіі праграмы "Апалон" адправілі людзей за межы НКА. З моманту заканчэння праграмы "Апалон" ні адзін палёт чалавека ў космас не перавышаў НКА.

Вызначальныя характарыстыкі

Шматлікія крыніцы^[4][5][6] вызначаюць НКА з пункту гледжання вышыні. Вышыня аб’екта на эліптычнай арбіце можа значна змяняцца ўздоўж арбіты. Нават на кругавых арбітах вышыня над зямлёй можа змяняцца да 30 км (асабліва для палярных арбіт) з-за сплюшчанасці фігуры сфероіда Зямлі і мясцовага рэльефу. Хаця вызначэнні заснаваныя на вышыні па сваёй сутнасці неадназначныя, большасць з іх трапляе ў дыяпазон, вызначаны перыядам арбіты ў 128 хвілін, таму што згодна з трэцім законам Кеплера гэта адпавядае вялікай паўвосі 8 413 км. Для кругавых арбіт гэта, у сваю чаргу, адпавядае вышыні 2 042 км вышэй сярэдняга радыуса Зямлі, што ў цэлым адпавядае верхнім межам вышыні ў азначэннях НКА.

Вобласць НКА вызначаецца некаторымі крыніцамі як вобласць у космасе, дзе знаходзяцца арбіты НКА.^[3][7][8] Некаторыя вельмі эліптычныя арбіты могуць праходзіць праз вобласць НКА паблізу перыцэнтра, але не знаходзяцца на арбіце НКА, таму што іх апацэнтр перавышае 2 000 км. Субарбітальныя аб’екты таксама могуць дасягаць вобласці НКА, але не знаходзяцца на НКА, таму што яны вяртаюцца ў атмасферу. Адрозненне паміж арбітамі НКА і вобласцю НКА асабліва важна для аналізу магчымых сутыкненняў паміж аб’ектамі, якія самі па сабе не знаходзяцца на НКА, але могуць сутыкнуцца са спадарожнікамі або абломкамі на арбітах НКА.

Арбітальныя характарыстыкі

Сярэдняя арбітальная хуткасць, неабходная для падтрымання стабільнай нізкай калязямной арбіты, складае каля 7,8 км/с, ці 28 000 км/г. Аднак дакладнае значэнне залежыць ад дакладнай вышыні арбіты. На кругавой арбіце 200 км вышынёй арбітальная хуткасць 7,79 км/с, але для больш высокіх 1 500 км арбіт хуткасць спадае да 7,12 км/с.^[9] Дэльта-V (характарыстычная хуткасць арбітальнага манеўра) ракеты-носьбіта, неабходная для дасягнення нізкай калязямной арбіты, пачынаецца ад 9,4 км/с.

Сіла гравітацыі на НКА толькі крыху меншая, чым на паверхні Зямлі. Гэта таму, што адлегласць да НКА ад паверхні Зямлі значна меншая за радыус Зямлі. Аднак аб’ект на арбіце знаходзіцца ў пастаянным свабодным падзенні вакол Зямлі, таму што на арбіце гравітацыйная і цэнтрабежная сілы ўраўнаважваюць адна адну. У выніку касмічныя апараты на арбіце працягваюць заставацца на арбіце, і людзі ўнутры пастаянна адчуваюць бязважкасць.

Аб’екты на НКА сутыкаюцца з атмасферным супраціўленнем ад газаў у тэрмасферы (прыкладна 80–600 км над паверхняй) або экзасферы (прыкладна 600 км і вышэй), у залежнасці ад вышыні арбіты. Арбіты спадарожнікаў, якія трапляюць на вышыні ніжэй за 300 км хутка зніжаюцца з-за атмасфернага супраціву. Аб’екты на НКА круцяцца вакол Зямлі паміж больш шчыльнай часткай атмасферы і ніжэй унутранага радыяцыйнага пояса Ван Алена.

Экватарыяльныя нізкія калязямныя арбіты можна вылучыць у асобную падгрупу НКА. Гэтыя арбіты з нізкім нахілам да экватара дазваляюць хутка наведваць нізкашыротныя месцы на Зямлі і маюць найменшую патрэбу ў дэльта-v (г.зн. расход паліва, каб да іх трапіць) сярод усіх арбіт пры ўмове, што яны маюць прамую (не рэтраградную) арыентацыю адносна кручэння Зямлі. Арбіты з вельмі вялікім вуглом нахілу да экватара звычайна адпаведна называюць палярнымі або сонечна-сінхроннымі арбітамі.

Вышэйшыя арбіты ўключаюць сярэднюю калязямную арбіту (СКА), якую часам называюць прамежкавай кругавой арбітай, і вышэй геастацыянарную арбіту (ГСА). Арбіты вышэй нізкіх могуць прывесці да ранняга выхаду з ладу электронных кампанентаў з-за інтэнсіўнага апраменьвання і назапашвання зарада праз знаходжанне над радыяцыйнымі паясамі Зямлі.

Выкарыстанне

Прыкладна палова арбіты Міжнароднай касмічнай станцыі

Нізкая калязямная арбіта патрабуе найменшай колькасці энергіі для вывядзення на яе спадарожніка. Яна забяспечвае высокую прапускную здольнасць і нізкую затрымку сувязі. Спадарожнікі і касмічныя станцыі на НКА лягчэй даступныя для экіпажа і абслугоўвання.

Паколькі для вывядзення спадарожніка на НКА патрабуецца менш энергіі, а спадарожніку патрэбны менш магутныя ўзмацняльнікі для сувязі, НКА выкарыстоўваецца для многіх камунікацыйных сэрвісаў, такіх як тэлефонная сістэма Iridium ці інтэрнэт-спадарожнікі Starlink. Некаторыя спадарожнікі сувязі выкарыстоўваюць значна больш высокія геастацыянарныя арбіты і рухаюцца з той жа вуглавой хуткасцю, што і Зямля, каб выглядаць нерухомымі над адным месцам на планеце, але гэта прыводзіць да павелічэння затрымкі сувязі.

Недахопы

У адрозненне ад геасінхронных спадарожнікаў, спадарожнікі на НКА маюць невялікае поле зроку і таму могуць адначасова назіраць і мець камунікацыю толькі з часткай Зямлі. Гэта азначае, што для забеспячэння пастаяннага пакрыцця на значнай плошчы паверхні адначасова, патрабуецца сетка (або "сузор’е") спадарожнікаў. Спадарожнікі ў ніжніх рэгіёнах НКА таксама пакутуюць ад хуткага тармажэння аб атмасферу і патрабуюць альбо перыядычнага паўторнага пад’ёму арбіты, альбо запуску спадарожнікаў на замену, калі старыя сыходзяць з арбіты.

Прыклады

• Міжнародная касмічная станцыя знаходзіцца на НКА ад 400 км да 420 км над паверхняй Зямлі^[10] і патрабуе падвышэння арбіты некалькі разоў на год з-за зніжэння арбіты праз супраціў атмасферы.
• Арбіта тэлекамунікацыйных спадарожнікаў Iridium мае вышыню каля 780 км.
• Спадарожнікі назірання за Зямлёй, таксама вядомыя як спадарожнікі дыстанцыйнага зандзіравання, у тым ліку спадарожнікі-шпіёны і іншыя спадарожнікі для здымкі Зямлі, выкарыстоўваюць НКА, паколькі адтуль яны могуць больш выразна бачыць паверхню Зямлі, знаходзячыся бліжэй да яе. Большасць штучных спадарожнікаў Зямлі размешчаны на НКА.^[11] Спадарожнікі таксама могуць выкарыстоўваць перавагі паслядоўнага асвятлення паверхні з дапамогай сонечна-сінхронных арбіт НКА на вышыні каля 800 км і каляпалярнага нахілу.
• Арбіта касмічнага тэлескопа "Хабл" складае каля 540 км над Зямлёй.
• Кітайская касмічная станцыя Tiangong была запушчана ў красавіку 2021 года і ў цяперашні час знаходзіцца на арбіце вышынёй ад 340 км да 450 км.
• Гравіметрычная місія GRACE-FO знаходзіцца на вышышні каля 500 км, як і яе папярэднік, GRACE.

Касмічнае смецце

Навакольнае асяроддзе НКА мае праблему наяўнасці касмічнага смецця з-за частаты касмічных запускаў.^[12] У апошнія гады гэта выклікае ўсё большую занепакоенасць, бо сутыкненні на арбітальных хуткасцях могуць мець фатальныя вынікі. Сутыкненні могуць выклікаць стварэнне новага касмічнага смецця, ствараючы эфект даміно, вядомы як сіндром Кеслера. Orbital Debris Program NASA, адсочвае больш за 25 000 аб’ектаў памерам больш за 10 см на НКА, ацэначная колькасць аб’ектаў ад 1 да 10 см у дыяметры складае 500 000 адзінак. Колькасць часціц памерам больш за 1 мм перавышае 100 мільёнаў.^[13] Часціцы рухаюцца з хуткасцю да 7,8 км/с, таму нават сутыкненне з невялікай часціцай можа сур’ёзна пашкодзіць касмічны апарат.^[14]  

Зноскі

1. Current Catalog Files (нявызн.). — «LEO: Mean Motion > 11.25 & Eccentricity < 0.25»  Архівавана з першакрыніцы June 26, 2018. Праверана July 13, 2018.
2. Sampaio, Jarbas; Wnuk, Edwin; Vilhena de Moraes, Rodolpho; Fernandes, Sandro (2014-01-01). "Resonant Orbital Dynamics in LEO Region: Space Debris in Focus". Mathematical Problems in Engineering. 2014: Figure 1: Histogram of the mean motion of the cataloged objects. doi:10.1155/2014/929810. Архівавана з арыгінала 2021-10-01. Праверана 2018-07-13.
3. IADC Space Debris Mitigation Guidelines (нявызн.). INTER-AGENCY SPACE DEBRIS COORDINATION COMMITTEE: Issued by Steering Group and Working Group 4 (1 верасня 2007). — «Region A, Low Earth Orbit (or LEO) Region – spherical region that extends from the Earth's surface up to an altitude (Z) of 2,000 km»  Архівавана з першакрыніцы 17 ліпеня 2018. Праверана 17 ліпеня 2018.
4. Definition of LOW EARTH ORBIT (англ.). Merriam-Webster Dictionary. Архівавана з першакрыніцы 8 ліпеня 2018. Праверана 8 ліпеня 2018.
5. Frequently Asked Questions(нявызн.). FAA. — «LEO refers to orbits that are typically less than 2,400 km (1,491 mi) in altitude.»  Архівавана з першакрыніцы 2 чэрвеня 2020. Праверана 14 лютага 2020.
6. "SCaN Glossary". NASA. 2015-07-10. Low Earth Orbit (LEO): A geocentric orbit with an altitude much less than the Earth's radius. Satellites in this orbit are between 80 and 2000 kilometers above the Earth's surface. {{cite news}}: |archive-date= патрабуе |archive-url= (даведка); Вонкавая спасылка ў |archivedate= (даведка); Праверце значэнне даты ў: |archivedate= (даведка)Папярэджанні CS1: url-status (спасылка) Архіўная копія (нявызн.). Архівавана з першакрыніцы 3 жніўня 2020. Праверана 22 жніўня 2023.
7. "What Is an Orbit?". NASA(англ.). David Hitt : NASA Educational Technology Services, Alice Wesson : JPL, J.D. Harrington : HQ;, Larry Cooper : HQ;, Flint Wild : MSFC;, Ann Marie Trotta : HQ;, Diedra Williams : MSFC. 2015-06-01. Архівавана з арыгінала 2018-03-27. Праверана 2018-07-08. LEO is the first 100 to 200 miles (161 to 322 km) of space.{{cite news}}: Папярэджанні CS1: іншае (спасылка)
8. Steele, Dylan (2016-05-03). "A Researcher's Guide to: Space Environmental Effects". NASA(англ.). p. 7. Архівавана з арыгінала 2016-11-17. Праверана 2018-07-12. the low-Earth orbit (LEO) environment, defined as 200–1,000 km above Earth's surface
9. LEO parameters (нявызн.). www.spaceacademy.net.au. Архівавана з першакрыніцы 11 лютага 2016. Праверана 12 чэрвеня 2015.
10. Higher Altitude Improves Station's Fuel Economy (нявызн.). NASA. Архівавана з першакрыніцы 15 мая 2015. Праверана 12 лютага 2013.
11. Holli. NASA Earth Observatory (англ.). earthobservatory.nasa.gov (4 верасня 2009). Архівавана з першакрыніцы 27 мая 2018. Праверана 28 лістапада 2015.
12. United Nations Office for Outer Space Affairs. Space Debris Mitigation Guidelines of the Committee on the Peaceful Uses of Outer Space (нявызн.)(недаступная спасылка). Inter-Agency Space Debris Coordination Committee (IADC) (11 лістапада 2010). Архівавана з першакрыніцы 19 жніўня 2022. Праверана October 19, 2021.
13. ARES | Orbital Debris Program Office | Frequently Asked Questions (нявызн.). NASA.gov. Архівавана з першакрыніцы 2 верасня 2022. Праверана 2 верасня 2022.
14. Garcia. Space Debris and Human Spacecraft (нявызн.). NASA.gov (13 красавіка 2015). Архівавана з першакрыніцы 8 верасня 2022. Праверана 2 верасня 2022.