Низкая околоземная орбита

Эта статья о целевых (конечных, рабочих) орбитах, высотой до 2000 км; об этапе, процессе и технологии вывода КА на целевую орбиту см. Низкая опорная орбита.

Низкая околоземная орбита (НОО, англ. Low Earth Orbit (LEO)) — космическая орбита вокруг Земли, имеющая высоту над поверхностью планеты в диапазоне от 160 км (период обращения около 88 минут) до 2000 км (период около 127 минут). Объекты, находящиеся на высотах менее 160 км, испытывают очень сильное влияние атмосферы и нестабильны^[1][2].

За исключением пилотируемых полётов к Луне (программа Аполлон, США), все космические полеты человека проходили либо в области НОО, либо являлись суборбитальными. Наибольшую высоту среди пилотируемых полётов в области НОО имел аппарат Gemini 11, с апогеем в 1374 км. На настоящий момент все обитаемые космические станции и большая часть искусственных спутников Земли используют или использовали НОО.

Также на НОО сосредоточена большая часть космического мусора.

Характеристики орбит

Объекты на НОО испытывают влияние разреженных слоёв атмосферы: термосферы (80—500 км) и экзосферы (500 км и выше), в зависимости от высот орбит. Данные орбиты находятся в промежутке между плотными слоями атмосферы и радиационными поясами.

Высоты менее 300 км для спутников обычно не применяются, поскольку время существования на столь низких орбитах невелико.

Орбитальная скорость объекта, необходимая для его нахождения на стабильной НОО составляет приблизительно 7,8 км/с, но уменьшается с увеличением высоты. Для высоты орбиты 200 км это 7,79 км/с (28000 км/ч), а для 1500 км — 7,12 км/с (25 600 км/ч)^[3]. Для достижения НОО с поверхности планеты требуется характеристическая скорость от 9,4 км/с. Помимо необходимой первой космической скорости 7,9 км/с, требуются дополнительные 1,5—2 км/с из-за аэродинамических и гравитационных потерь.

В 2017 году в нормативных документах стали отмечаться «очень низкие околоземные орбиты», расположенные ниже 450 км^[4][5].

На изображении в масштабе показана Земля и околоземные орбиты. Область НОО отмечена синим

Примеры

• Многие спутники дистанционного зондирования земли и разведывательные аппараты используют НОО, поскольку на этих орбитах они находятся ближе к поверхности. Для аппаратов, работающих в оптическом диапазоне, либо требующих стабильного электроснабжения для своих солнечных батарей, часто используются солнечно-синхронные орбиты с высотой около 800 км и приполярным наклонением.
• Международная космическая станция (МКС) находится на НОО с высотой около 400 км над поверхностью Земли^[6].
• НОО используются для телекоммуникационных спутников, так как здесь им требуются менее мощные усилители. Однако данные орбиты не являются геостационарными, и спутник находится в области прямой видимости лишь небольшого участка поверхности. Поэтому используются сети («созвездия») из множества спутников, например, в спутниковой телефонной системе Iridium (около 700 км) используется более 70 аппаратов.

Срок существования спутника на НОО

Время нахождения спутника на НОО зависит от многих факторов, особенно сильно зависит от влияния Луны и высоты над плотными слоями атмосферы. Например, орбита ИСЗ «Эксплорер-6» (США) менялась каждые 3 месяца от 250 до 160 км, что привело к уменьшению срока службы спутника с запланированных 20 лет до 2, также первый спутник Земли просуществовал 3 месяца (перигей 215 км, апогей 939 км). Другие факторы, влияющие на срок службы: высота плотных слоев атмосферы может меняться в зависимости от времени суток и от орбиты спутника, например, в полдень разогретые слои атмосферы на высоте в 300 км имеют плотность в 2 раза больше чем в полночь, а прохождение спутника над экватором Земли также снижает высоту перигея спутника. Возросшая солнечная активность может привести к резкому увеличению плотности верхней атмосферы — в результате спутник тормозится сильнее, а высота его орбиты уменьшается быстрее.

Существенную роль играет и форма спутника, а именно площадь его миделя (поперечного сечения); для спутников, специально предназначенных к работе на низких орбитах, зачастую выбирают стреловидную, аэродинамически обтекаемую форму корпуса.

Космический мусор

Среда НОО сильно загрязнена космическим мусором — останками отслуживших спутников и частей ракет-носителей — из-за высокой популярности запусков на эти высоты, а также фрагментами, образующимися при взрывах спутников и их столкновениях. При соударении объектов размером более нескольких сантиметров, движущихся с орбитальными скоростями под углом друг к другу, происходит их значительное разрушение.

Начиная с 2000-х — 2010-х годов спутников и космического мусора, согласно отдельным моделям, на НОО стало достаточно, чтобы столкновение между различными объектами порождало множество осколков, ещё больше засоряя эту область (принцип домино, или цепная реакция)^[7][8][9]. Подобный эффект роста количества мусора называется синдромом Кесслера, и он потенциально может привести в будущем к полной невозможности использования космического пространства при запусках с Земли.

Несколько организаций США и России отслеживают орбиты более 15 тысяч объектов на НОО. При этом обычно надёжно отслеживаются лишь космические аппараты и фрагменты мусора крупнее 10 см^[10]. Однако можно построить недорогую систему для отслеживания объектов на низкой околоземной орбите, которая может обнаруживать и отслеживать космический мусор размером более 2 м^[11][12]. Объекты с размерами от 1 до 10 см практически не отслеживаются, однако представляют опасность для космических аппаратов. Для защиты спутников от негативных последствий столкновения с меньшими объектами используются различные варианты «Щита Уиппла».

Примечания

1. IADC Space Debris Mitigation Guidelines  (неопр.) (PDF). Inter-Agency Space Debris Coordination Committee (15 октября 2002). Дата обращения: 22 октября 2014. Архивировано из оригинала 3 декабря 2013 года.
2. NASA Safety Standard 1740.14, Guidelines and Assessment Procedures for Limiting Orbital Debris  (неопр.) (PDF). Office of Safety and Mission Assurance (1 августа 1995). Архивировано 15 февраля 2013 года.
3. LEO parameters  (неопр.). www.spaceacademy.net.au. Дата обращения: 12 июня 2015. Архивировано 11 февраля 2016 года.
4. Crisp, N. H.; Roberts, P. C. E.; Livadiotti, S.; Oiko, V. T. A.; Edmondson, S.; Haigh, S. J.; Huyton, C.; Sinpetru, L.; Smith, K. L.; Worrall, S. D.; Becedas, J. (August 2020). "The Benefits of Very Low Earth Orbit for Earth Observation Missions". Progress in Aerospace Sciences. 117: 100619. arXiv:2007.07699. doi:10.1016/j.paerosci.2020.100619. Архивировано 19 марта 2021. Дата обращения: 16 мая 2021.
5. Messier, Doug (2017-03-03). "SpaceX Wants to Launch 12,000 Satellites". Parabolic Arc. Архивировано 22 января 2020. Дата обращения: 22 января 2018. {{cite news}}: Указан более чем один параметр |accessdate= and |access-date= (справка)
6. Higher Altitude Improves Station's Fuel Economy  (неопр.). NASA. Дата обращения: 12 февраля 2013. Архивировано 15 мая 2015 года.
7. J.-C. Liou, An Assessment of the Current LEO Debris Environment and the Need for Active Debris Removal Архивная копия от 14 мая 2015 на Wayback Machine // NASA, — 2010: «However, even before the ASAT test, model analyses already indicated that the debris population (for those larger than 10 cm) in LEO had reached a point where the population would continue to increase, due to collisions among existing objects, even without any future launches. The conclusion implies that as satellites continue to be launched and unexpected breakup events continue to occur, coimnonly-adopted mitigation measures will not be able to stop the collision-driven population growth.» — «Однако, даже до испытаний противоспутниковой ракеты (2007) анализ с помощью моделей привёл к выводу, что количество мусора (крупнее 10 см) на НОО достигло точки, после которой оно будет увеличиваться из-за столкновений между существующими объектами, даже без каких-либо будущих запусков. Вывод предполагает, что … обычные меры не смогут остановить рост количества из-за столкновений».
8. А. И. Назаренко, Прогноз засорённости ОКП на 200 лет и синдром Кесслера Архивная копия от 4 марта 2016 на Wayback Machine, 2010: «Это означает, что лавинообразный рост техногенного загрязнения ОКП из гипотезы (синдром Кесслера) превратился в реальность: он уже начался.» (для малоразмерной фракции).
9. С. С. Вениаминов, А. М. Червонов, Космический мусор — угроза человечеству Архивная копия от 6 октября 2014 на Wayback Machine / М: ИКИ РАН, 2012, ISSN 20756836, с. 136: «В 1990-х гг. уже существовали отдельные орбитальные области, в которых пространственная плотность КМ (космического мусора) превышала критический уровень. … (от 900 до 1000 км и около 1500 км)… Популяция КМ там будет увеличиваться количественно, даже если не будет притока новых КО извне, а количество фрагментов от столкновений в соответствии с синдромом Кесслера — расти экспоненциально.»
10. Fact Sheet: Joint Space Operations Center. Архивировано 3 февраля 2010 года.
11. Dorota Mieczkowska, Jakub Wojcicki, Patrycja Szewczak, Marek Kubel-Grabau, Martyna Zaborowska. Detection of objects on LEO using signals of opportunity // 2017 Signal Processing Symposium (SPSympo). — Jachranka Village, Poland: IEEE, 2017-09. — С. 1–6. — ISBN 978-1-5090-6755-8. — doi:10.1109/SPS.2017.8053660. Архивировано 6 марта 2022 года.
12. Jakub Kopycinski, Pawel Kuklinski, Wioleta Rzesa, Bartlomiej Majerski, Agnieszka Borucka. Satellites detection, tracking and cataloguing system // 2018 22nd International Microwave and Radar Conference (MIKON). — Poznan, Poland: IEEE, 2018-05. — С. 370–373. — ISBN 978-83-949421-1-3. — doi:10.23919/MIKON.2018.8405229. Архивировано 6 марта 2022 года.