Что удерживает искусственный спутник земли на орбите
Почему спутники не падают
Прямо сейчас на орбите Земли расположено более 1000 искусственных спутников. Они выполняют самые разнообразные задачи и имеют различную конструкцию. Но объединяет их одно — спутники вращаются вокруг планеты и не падают.
Быстрое объяснение
На самом деле спутники постоянно падают на Землю из-за воздействия гравитации. Но они всегда промахиваются, т. к. имеют боковую скорость, заданную инерцией при запуске.
Вращение спутника вокруг Земли — это его постоянное падение мимо.
Развёрнутое объяснение
Если вы бросаете мяч в воздух, мяч возвращается обратно вниз. Это из-за гравитации — той же силы, которая удерживает нас на Земле и не дает улететь в открытый космос.
Спутники попадают на орбиту благодаря ракетам. Ракета должна разогнаться до 29 000 км/ч! Этого достаточно быстро, чтобы преодолеть сильное притяжение и покинуть атмосферу Земли. Как только ракета достигает нужной точки над Землей, она отпускает спутник.
Спутник использует энергию, полученную от ракеты, чтобы оставаться в движении. Это движение называется импульсом.
Но как спутник остается на орбите? Разве он не полетел бы по прямой в космос?
Не совсем. Даже когда спутник находится за тысячи километров, гравитация Земли все еще притягивает его. Притяжение Земли в сочетании с импульсом от ракеты заставляет спутник следовать круговой траектории вокруг Земли — орбите.
Когда спутник находится на орбите, он имеет идеальный баланс между импульсом и силой притяжения Земли. Но найти этот баланс довольно сложно.
Гравитация тем сильнее, чем ближе объект к Земле. И спутники, которые вращаются вокруг Земли, должны двигаться на очень высоких скоростях, чтобы оставаться на орбите.
Например, спутник NOAA-20 вращается всего в нескольких сотнях километров над Землей. Он должен путешествовать со скоростью 27 300 км/ч, чтобы оставаться на орбите.
С другой стороны, спутник NOAA GOES-East вращается вокруг Земли на высоте 35 405 км. Чтобы преодолеть гравитацию и остаться на орбите, ему нужна скорость около 10 780 км/ч.
Спутники могут оставаться на орбите в течение сотен лет, поэтому нам не нужно беспокоиться о том, что они упадут на Землю.
Как спутники висят на орбите
Содержание статьи
Искусственные спутники Земли, вращающиеся вокруг нее на геостационарной орбите, для земных обитателей выглядят, как точка, неподвижно висящая в небе. Так происходит из-за того, что они вращаются с такой же угловой скоростью, с какой вращается Земля.
Так как в привычной нам системе координат при вращении у спутника не меняется ни азимут, ни высота над линией горизонта, он как будто неподвижно «висит».
Геостационарная орбита
На спутник, который вращается на геостационарной орбите, действует множество факторов (гравитационные возмущения, эллиптический характер экватора, неоднородная структура земной гравитации и т.д.). Из-за этого орбита спутника меняется и ее нужно постоянно корректировать. Чтобы удержать спутник в нужном месте на орбите, его оснащают химическим или электроракетным двигателем малой тяги. Такой двигатель включается несколько раз в неделю и корректирует положение спутника. Если учесть, что средний срок службы спутника составляет около 10-15 лет, можно подсчитать, что требуемый его двигателям запас ракетного топлива должен составлять несколько сотен килограммов.
Одним из первых популяризаторов идеи использования геостационарной орбиты для связи стал писатель-фантаст Артур Кларк. В 1945 году в журнале «Беспроводной мир» вышла его статья на эту тему. Благодаря этому, геостационарная орбита в западном мире до сих пор называется «орбитой Кларка».
Хотя геостационарные спутники и кажутся неподвижными, на самом деле они вращаются синхронно с планетой со скоростью более трех километров в секунду. За сутки они пролетают путь, равный 265 000 километров.
Низкоорбитальные спутники
Война спутников: как тысячи роботов собирают информацию обо всем в космосе
Первый искусственный спутник Земли был запущен в 1957 году. С тех пор человечество сделало огромный технологический прорыв: на орбите нашей планеты и за ее пределами находятся тысячи спутников. Рассказываем, как они не сталкиваются друг с другом и зачем их нужно так много.
Читайте «Хайтек» в
Что такое искусственные спутники?
Искусственный спутник Земли (ИСЗ) — космический летательный аппарат, вращающийся вокруг Земли по геоцентрической орбите.
Для движения по орбите вокруг Земли аппарат должен иметь начальную скорость, равную или большую первой космической скорости. Полеты ИСЗ выполняются на высотах до нескольких сотен тысяч километров.
Нижнюю границу высоты полета ИСЗ обуславливает необходимость избегания процесса быстрого торможения в атмосфере. Период обращения спутника по орбите в зависимости от средней высоты полета может составлять от полутора часов до нескольких лет.
Особое значение имеют спутники на геостационарной орбите, период обращения которых строго равен суткам, и поэтому для наземного наблюдателя они неподвижно «висят» на небосклоне, что позволяет избавиться от поворотных устройств в антеннах.
Автоматические межпланетные станции (АМС) и межпланетные космические корабли могут запускаться в дальний космос как минуя стадию спутника (то есть прямое восхождение), так и после предварительного вывода на так называемую опорную орбиту спутника.
В начале космической эры спутники запускались только посредством ракет-носителей, а к концу XX века широкое распространение получил также запуск спутников с борта других спутников — орбитальных станций и космических кораблей (в первую очередь, с МТКК-космоплана Спейс Шаттл).
Как средства выведения спутников теоретически возможны, но пока не реализованы также МТКК-космолеты, космические пушки, космические лифты. Уже через небольшое время после начала космической эры стало обычным выведение более одного спутника на одной ракете-носителе, а к концу 2013 года число выводимых одновременно спутников в некоторых запусках ракет-носителей превысило три десятка.
В ходе некоторых запусков последние ступени ракет-носителей также выходят на орбиту и на какое-то время фактически становятся спутниками.
Беспилотные спутники имеют массу от нескольких килограммов до двух десятков тонн и размер от нескольких сантиметров до (в частности при использовании солнечных батарей и выдвижных антенн) нескольких десятков метров.
Являющиеся спутниками космические корабли и космопланы достигают нескольких десятков тонн и метров, а сборные орбитальные станции — сотен тонн и метров.
В XXI веке с развитием микроминиатюризации и нанотехнологий массовым явлением стало создание сверхмалых спутников форматов кубсат (от одного до несколько килограмм и от нескольких до нескольких десятков сантиметров), а также появился новый формат покеткуб (буквально карманный куб) в несколько сотен или десятков грамм и несколько сантиметров.
Спутники преимущественно создаются как невозвратные, однако некоторые из них (в первую очередь, пилотируемые и некоторые грузовые космические корабли) являются возвращаемыми частично (имея спускаемый аппарат) или полностью (космопланы и спутники, возвращаемые на их борту).
Искусственные спутники Земли широко используются для научных исследований и прикладных задач, а также в образовании (в мире стали массовым явлением так называемые «университетские» ИСЗ) и хобби — радиолюбительские спутники.
Сколько всего сейчас спутников на орбите Земли?
Смотря как считать. Со времени запуска «Спутника» 4 октября 1957 года в космос были выведены более 9 000 аппаратов, но только около 2 000 из них функционируют в настоящее время.
Остальные сгорели в атмосфере или сломались и стали «космическим мусором» на орбите. Поэтому, кстати, бо́льшая часть маневров проводится для уклонения от неуправляемых объектов, а не работающих спутников.
Типы спутников
Различают следующие типы спутников:
Как регулируется движение спутников в космосе?
Единого регламента для этого нет. Космос является свободным пространством. Поэтому участники космической деятельности руководствуются только собственными национальными законами, которые, впрочем, должны соответствовать соглашениям, принятым в рамках работы Комитета по использованию космического пространства в мирных целях ООН (COPUOS).
После принятия в 1974 году конвенции о регистрации космических объектов, запускаемых в космическое пространство, управление по вопросам космического пространства ООН ведет реестр объектов, запускаемых в космическое пространство. Однако регистрация в нем является заявительной, и у ООН нет технической возможности контролировать реальные орбиты и цели космических аппаратов.
Главное препятствие, стоящее на пути создания всеобъемлющей базы данных спутников и возможности автоматизированного контроля околоземного пространства, — это военные спутники. Американская система NORAD не публикует данные о спутниках разведки США, при этом публикует данные об орбитах российских и китайских военных аппаратов. Воздушно-космические силы России вообще ничего не публикуют, хотя следят за американскими военными спутниками радиолокационными и оптическими средствами.
Коммерческим спутниковым операторам сейчас приходится фактически действовать вслепую, надеясь на то, что военные сами не допустят столкновения. При этом именно военные аппараты чаще всего маневрируют на орбите, меняя высоту. Существует даже условный класс «спутников-инспекторов», которые целенаправленно приближаются к чужим аппаратам, чтобы их сфотографировать.
В начале апреля спутники компаний OneWeb и SpaceX уклонились от опасного сближения друг с другом на орбите, об этом заявили представители Космических сил США и OneWeb. Это первая опасная ситуация двух конкурирующих компаний, которые расширяют свои широкополосные сети в космосе.
Исследователи оценивали вероятность столкновения в 1,3%, при этом два спутника приблизились до 57 метров — это опасная близость для спутников на орбите. Если бы спутники столкнулись на орбите, то это могло бы вызвать катастрофу, которая привела бы к образованию сотни кусков мусора, а их траектория бы изменилась, подвергая угрозе другие устройства.
Специалисты также отметили, что сейчас сейчас нет ни одной национальной или глобальной космической организации, которая бы регулировала спутниковых операторов, чтобы они принимать меры в связи с потенциальными столкновениями. У компаний есть только срочные оповещения Космических сил компаниям, которые требуют соблюдать безопасную дистанцию устройств друг от друга.
Как спутники меняют небосклон?
Созвездия спутников и куски космического мусора, двигающиеся по орбите Земли и отражающие солнечный свет, сделали ночное небо на 10% ярче. Об этом говорится в совместном исследовании международной команды астрофизиков.
«Мы ожидали, что увеличение яркости неба будет незначительным, но наши первые теоретические оценки оказались удивительными и таким образом побудили нас незамедлительно сообщить о результатах», — отметил Мирослав Коцифай, старший научный сотрудник Словацкой академии наук и ведущий автор исследования по световому загрязнению.
Ученые считают, что проблема будет только усугубляться по мере того, как в небо будут отправлять все новые спутники. К другим виновникам изменений также относят отработанные ракетные компоненты и другие обломки, которые отражают и рассеивают свет от Солнца.
Где и какие спутники сейчас работают?
Самая густонаселенная орбита — геостационарная (ГСО). Сейчас на ней находятся около 400 спутников, то есть примерно каждый пятый действующий космический аппарат.
Вообще орбиты спутников делятся на низкие (до 2 000 километров от Земли), средние и высокие, и геостационарная относится к последней группе. На низкой орбите летают спутники дистанционного зондирования Земли, спутники связи, например, такие, как Iridium, Globalstar, Orbcomm, российская система «Гонец». На средних располагаются навигационные системы — ГЛОНАСС (Россия), GPS (США), Galileo (Европа) и «Бэйдоу» (Китай).
Популярность геостационарной орбиты — следствие того, что только на ней спутник не меняет своего положения на небе, как бы зависая над выбранной точкой экватора на высоте 35 786 километров. Это позволяет связываться с ним при помощи стационарных наземных антенн, раз и навсегда направленных в одну точку.
В марте 2021 года SpaceX провела серию успешных запусков спутников Starlink, доведя их количество на орбите до 1 300 — около 8% от плана на 2027 год.
SpaceX запускает спутники на орбиту партиями по 60 штук с мая 2019 года, причем в марте 2021-го таких запусков было четыре. Каждый спутник весит 260 кг, а ступень для их запуска рассчитана на 100 миссий: каждый раз она возвращается на плавучую платформу Of Course I Still Love You («Конечно, я все еще люблю тебя») в Атлантическом океане, в 630 км от мыса Канаверал.
Идея состоит в том, чтобы окутать сетью из небольших телеком-спутников всю планету на низкой околоземной орбите — в 500-2000 км от поверхности. Один спутник покрывает небольшую территорию, например, размером с Аляску. Поэтому их запускают группами для покрытия определенной территории. Успех какого-либо низкоорбитального проекта приведет к полному изменению телеком-инфраструктуры во всем мире.
Благодаря постоянному мониторингу Mars Express ученые проанализировали две последние глобальные пыльные бури, в 2007 и 2018 годах. Они сравнили показатели тех лет с годами без бурь, чтобы понять, как штормы повлияли на утечку воды с Марса.
Со сменой сезонов влага замерзает в атмосфере Марса. Однако вместо того, чтобы вернуться на поверхность планеты в виде осадков, происходит иное. В процесс вмешиваются пыльные бури. Они нагревают и разрушают атмосферу Марса, а также доставляют воду на еще большие высоты.
В обоих исследованиях использовались обширные многолетние наборы данных, полученные с помощью прибора SPICAM орбитального аппарата Mars Express.
Метеорологический спутник США NOAA 17, который не был задействован в работе, взорвался в космосе на 16 обломков. Сейчас ученые наблюдают на 16 связанных со взрывом обломков, чтобы они не нарушили работу других объектов. Несут ли угрозу обломки работающим спутникам, не уточняется.
В эскадрилье сообщили: пока нет признака, что произошедшее было вызвано столкновением с другим объектом. По данным ВВС США, до взрыва спутник находился на орбите с минимальной высотой 800 км и максимальной 817 км.
Спутник NOAA 17 был запущен в космос в июне 2002 года и выведен из эксплуатации в 2013 году. Отмечается, что ранее подобные спутники уже разрушались в космосе из-за взрыва бортовых батарей.
Ученые изучили данные с высоким разрешением, собранные спутником ICESat-2 над шельфовым ледником Эймери в период с октября 2018 года по ноябрь 2019 года.
Лазерные импульсы со спутника направляются к поверхности Земли и используют отраженные фотоны для определения высоты поверхности. В отличие от других спутников, разрешение ICESat-2 позволяет ему видеть более мелкие трещины и их морфологию.
Ученые обработали данные спутника с помощью алгоритма. Он идентифицирует поверхностные депрессии льда, чтобы определить местонахождение и охарактеризовать трещины. Напомним, депрессия снеговой линии — ее снижение вследствие климатических изменений, благоприятных для сохранения баланса массы ледников.
Поскольку баланс массы — это прямая функция аккумуляции и абляции, колебания высоты снеговой линии отражают суммарные эффекты изменений температур и атмосферных осадков.
В 2012 году американский технический предприниматель, инженер и изобретатель Грег Уайлер основал WorldVu Satellites — телекоммуникационную компанию, которая должна обеспечить сотни миллионов людей доступом в интернет. Позднее организацию переименовали в OneWeb — в честь одноименного проекта по распространению сети в труднодоступные места.
Как уронить космическую станцию
Когда «Наука» креативно избавлялась от остатков топлива, разворачивая МКС вокруг своей оси, мне стало любопытно: если расположение случайно включившегося двигателя было бы максимально неудачным, сколько потребовалось бы времени, топлива и тяги, чтобы свести станцию с орбиты?
МКС на фоне источника всех наших проблем. Автор: Andrew McCarthy instagram.com/cosmic_background
Сегодня в выпуске: читаем с выражением первую страницу учебника по орбитальной механике, выясняем где у Солнца его смертельные лазеры, вспоминаем осень 2003, пишем отвратительно медленный код (из−за чего пьем много чая), пытаемся уронить МКС и Lunar Gateway.
Статья вновь получилась большой, и была снабжена лифтом:
1. Основы орбитальной механики
Disclaimer: Далее идет вольный пересказ первой страницы учебника, да еще и в двухмерном варианте. Если вам это знакомо, можете смело мотать сюда
Орбитальная механика довольно контринтуитивна, за что её и стоит любить. Мы привыкли водить машины, и знаем особенности их динамики. Кто-то привык ездить на велосипедах и мотоциклах, и знает особенности их. Меньше привыкло к лодкам и катерам, а еще меньше — к самолетам. Но почти никто, кроме соответствующих специалистов (и игроков в Kerbal Space Program!) не сталкивается на ежедневной основе с орбитальной механикой.
1.1 Почему вещи не падают с орбиты?
Они падают, ведь них действует та же сила притяжения, что действует на падающую со стола чашку, и только она. Просто они промахиваются мимо Земли.
Планета Земля, наш дом. Разве она не прекрасна?
Возьмем плоскую Землю (любому думающему человеку очевидно, что Земля плоская).
Попробуем вывести что-то на орбиту:
Поднявшись в точку, отмеченную красным, возьмем космическую станцию и отпустим: станция разгонится и разобьется об землю. Обидно, но таков путь экспериментатора.
Можно попробовать кинуть её вправо (слева у нас текст), и наблюдать, что станция прожила подольше: она так же падала вниз, но до поверхности ей пришлось лететь дальше.
Можно кинуть её еще сильнее, и тогда несчастная станция успеет улететь за край земли. Но неизбежно разобьется с другой стороны.
Наконец, можно кинуть её еще чуть сильнее и — о чудо! — станция не разбивается об землю, а делает полный оборот и возвращается к нам.
И чтобы стало совсем красиво:
А если выбрать правильную скорость, она будет летать по красивой круговой орбите.
Вот так, сломав всего три станции, вы научились выводить вещи на орбиту.
В реальности, конечно, никто не поднимает ракеты вверх и не кидает их в сторону горизонта. Профиль полета ракеты таков, что она сначала как можно быстрее выбирается из плотных слоев атмосферы (летит вверх), а потом постепенно поворачивается к горизонту и разгоняет корабль. На завершающем этапе разгона корабль летит уже параллельно земле.
1.2 Элементы орбиты
Для нашего прекрасного плоского мира орбита выглядит так:
Это эллипс, в одном из фокусов которого находится планета Земля. Самая дальняя от неё точка орбиты называется апоцентр, а самая ближняя — перицентр. Иногда, в зависимости от контекста, под апоцентром и перицентром понимают расстояния от станции до центра планеты, когда она находится в этих точках.
Но мы будем называть это расстоянием в апоцентре/перицентре.
Сумма расстояний в апоцентре и перицентре — длина большой оси эллипса. А половина от неё — большая полуось. Это тоже важный параметр орбиты, часто встречающийся в формулах. Если орбита круговая, то расстояния в перицентре, апоцентре и большая полуось равны.
Расстояние между фокусами эллипса, деленное на большую ось называется эксцентриситет орбиты. Он обозначает «вытянутость» орбиты. У круговой орбиты он равен 0, потому что оба фокуса в одной точке.
Время за которое корабль делает один виток по орбите — период орбиты. И считается он очень просто:
Чем меньше полуось (чем ниже над Землей летает корабль), тем меньше период орбиты. Заметьте, что он не зависит от эксцентриситета. Об этом же говорит чертеж арбуза из учебника:
Если корабль на орбите находится на расстоянии r от центра Земли, величину его скорости можно узнать так:
Скорость корабля в апоцентре будет самой низкой (вы подкидываете что−то в воздух, и в самом верхнем участке траектории скорость минимальна), а в перицентре — самой высокой (оно падало аж с самого апоцентра и успело набрать скорость).
У настоящих орбит есть еще куча других параметров, описывающих их в двухмерном и трехмерном пространствах. Но для наших скромных целей они не нужны.
1.3 А как ехать?
Космические корабли, в основном, занимаются двумя вещами: меняют орбиту и ничего не делают. Чаще второе. Чтобы изменить орбиту, нужно изменить вектор скорости корабля. А чтобы изменить скорость, нужно на определенное время включить двигатели, направив их в нужную сторону.
Скажем, вы уже каким-то образом находитесь на круговой околоземной орбите (1), и хотите на Луну. Вам нужно включить двигатель ровно настолько, чтобы поднять апоцентр своей орбиты до орбиты Луны (2). Причем сделать это нужно в правильный момент: чтобы, когда вы подниметесь до апоцентра, Луна находилась там же.
Когда вы окажетесь рядом с Луной, ваша орбита всё еще будет эллиптической. Гравитация Земли потянет вас обратно вниз, и чтобы не улететь от Луны, вам придется набрать такую же скорость как она. Еще один импульс двигателя, чтобы поднять перицентр орбиты и сравнять её с лунной (3). Теперь вы болтаетесь где-то около Луны, поздравляю.
Эти прыжки по орбитам называются «Гомановский переход». Это самый простой и энергоэффективный способ перемещаться от одного небесного тела к другому.
Но что, если вы на Луну не хотите, а хотите домой? Всё просто: разворачиваете корабль на 180° и даете импульс в другую сторону, тормозя корабль и снижая перицентр. У Земли толстая атмосфера, поэтому вам не нужно снижать перицентр прямо до поверхности: достаточно утопить его в атмосфере, и она затормозит корабль.
Но есть одна уловка (всегда есть одна уловка). Если вы затормозите слишком сильно, то корабль войдет в атмосферу под большим углом, а плотность атмосферы растет по экспоненте. Он не успеет достаточно затормозить перед плотными слоями, и поездка будет не из приятных. В лучшем случае вы отделаетесь большими перегрузками, а в худшем — корабль развалится от нагрузки.
А если вы, испугавшись предыдущего предложения, войдете в атмосферу под слишком маленьким углом, её может не хватить чтобы погасить значительную часть скорости, и корабль вылетит из атмосферы с новой, гораздо более низкой, орбитой. Это не так страшно, но как минимум, приземлитесь вы уже не там, где хотели.
Но при посадке на Луну вам придется тратить топливо еще и на торможение с орбитальной скорости до нулевой.
На Земле мы привыкли измерять расстояния. Можно сказать, что любому автомобилю, чтобы добраться из Москвы в Питер, потребуется пройти путь в 700 километров. Но не зная, что это за автомобиль, больше ничего сказать нельзя: скорость и расход топлива будут зависеть от огромного количества факторов, внутренних и внешних. Не так с космосом. Пройденный путь здесь не очень важен — вы можете совершенно бесплатно болтаться на орбите, ожидая нужное положение Луны, и наматывая тысячи километров. Но важна скорость: чтобы поднять орбиту до Луны, нужно разогнаться на X м/с, чтобы опустить перицентр в атмосферу, нужно замедлиться на Y м/с, и так далее. И эта скорость не зависит от массы корабля (ведь мы делим силу на массу, и маленькие m сокращаются). Спутнику массой 500кг и кораблю массой 40 тонн нужна будет одна и та же скорость, чтобы достичь Луны.
Изменение скорости, необходимое для перехода с одной орбиты на другую, называют характеристической скоростью, или ΔV (delta−V). В ней же можно выражать и возможности корабля по маневрированию: если двигатель, потратив всё топливо, разгоняет корабль до 2000м/c, значит столько у него ΔV. И до Луны он не долетит (нужно порядка 3000м/c дельты, чтобы поднять апоцентр с низкой околоземной орбиты до Луны).
Какие параметры бывают у ракетных двигателей? Двигатель занимается тем, что берет топливо из корабля, каким-то образом разгоняет его и выбрасывает за борт. Помимо растраты ценных ресурсов, это придает ускорение кораблю. Ведь сила действия и противодействия равны и всё такое.
Один из важных параметров двигателя, это скорость истечения газов из сопла. Обычно она порядка 3000м/c.
Из нее получается второй важный параметр, который описывает эффективность двигателя: удельный импульс. Он обычно порядка 300 секунд. Почему он измеряется в секундах? Всё просто: удельный импульс это скорость истечения, деленная на ускорение свободного падения на Земле на уровне моря. Какого черта? А это удобный способ связать вместе разные системы счисления (метры и футы) и получить одинаковую цифру независимо от системы мер, которой можно хвастаться коллегам за океаном.
Тяга двигателя: сила, с которой он толкает корабль. Измеряется в ньютонах, кгс (9.81 ньютона) или lbf (4.45 ньютона). Зная тягу и массу корабля, можно примерно оценить какое ускорение создает двигатель: 
но только, если масса топлива мала по сравнению с массой корабля! Иначе надо учитывать, что с расходом топлива она будет заметно снижаться.
Обратите внимание, что тяга в килоньютонах.
Из этого, зная сколько топлива запасено в корабле, можно посчитать сколько времени проработает двигатель. Просто поделив массу топлива на потребление.
И зная ускорение и время работы двигателя, легко найти скорость, до которой он может разогнать корабль. ΔV = at, всё просто. Но, опять же, только в том случае если масса топлива пренебрежимо мала по сравнению с массой корабля! Иначе, нужно использовать формулу Циолковского:
Вот и всё что нам нужно знать, чтобы ронять космические станции с орбиты.
2. О космической погоде
Даже на той высоте, где летает МКС, атмосфера всё еще влияет на движение. Поэтому, орбита МКС постепенно сползает вниз и её приходится поднимать, включая двигатели на одном из модулей, или на пристыкованном корабле. При этом станция довольно заметно ускоряется, что наглядно показывает астронавт Тим Пик, не желающий ускоряться вместе со станцией:
Разгон начинается где-то в 0:30, а через 70 секунд станция несется на Тима Пика с ужасающей скоростью в
10см/сек. Ускорение получается 1.43e-3м/c. Или
1/7000 земной силы тяжести. Почти как на комете, куда садился Philae.
Взяв массу станции в 440 тонн, можно оценить тягу двигателя:
2.1 Sun is a Deadly Laser
Плотность атмосферы на низкой околоземной орбите очень сильно зависит от активности Солнца: ультрафиолет жжет ионы, ионы бесятся и разлетаются в разные стороны, ионосфера разбухает и поднимается.
Активность солнца меняется затейливым образом, но для наших временных масштабов важен цикл в 11 лет. Общепринятым индикатором солнечной активности является мощность излучения на длине волны 10.7см (это 2.8ГГц). Называется это F107 index (или F10 или F10.7)
Видно, что в максимуме он порядка 200, а в минимуме
70. Среднегодовое значение около 135. Единицы измерения F107 называются SFU (Solar Flux Units), и представляют собой, если вам лень читать вертикальный текст на картинке, 
. Это мало, но вполне измеримо, если у вас есть большая антенна.
Еще видно, что на максимумах сигнал сильно шумит, а на минимумах — нет. Будто источник нестабильный. Но почему Солнце настолько нестабильно на таких коротких временных отрезках? Можно найти другой график F107, и посмотреть там какой-нибудь максимум подробнее:
Активность меняется очень сильно, да еще и с периодом порядка месяца. Солнце сломалось? Нет, оно просто вращается. Один оборот за
27 дней. А самые активные места на Солнце — пятна. И если куча пятен смотрит на Землю — F107 повышается. Для наглядности, я слепил этот график и снимки с SOHO в одно видео:
(И музыку из Sunshine. Было невозможно удержаться)
Вторая вещь, влияющая на ионосферу: активность магнитного поля Земли. Для ее обозначения есть Ap index (а еще Kp index, но для длинных интервалов используют Ap). Можно скачать датасет Ap отсюда и посмотреть, как он меняется со временем:
Здесь показаны данные за 12 лет с 1976 по 1988 года. Ap меняется очень сильно, но его среднее значение за месяц (синее) — гораздо меньше. Для длинных интервалов можно брать Ap неизменным.
Зная F10.7, Ap и высоту, можем посчитать плотность атмосферы, используя эти модели. Для 420км при умеренных F107 (125) и Ap (10) получается 0.02мкг/м^3 (две сотых микрограмма на кубометр). Можно взять две модели CIRA и модель для 180-500 км и посмотреть, как плотность атмосферы меняется с высотой:
Рябь в левой части графика это линейная интерполяция таблички CIRA на логарифмической шкале, ничего страшного.
МКС сейчас летает на высоте
420км, проваливаясь вниз примерно на 10 метров за день. Раз в пару месяцев её орбиту поднимают обратно, при помощи двигателей на модуле Звезда или на одном из грузовых кораблей.
Для того чтобы посчитать силу, которую атмосфера оказывает на станцию, нужно знать её площадь сечения. Берем 3D модель с сайта NASA и крутим её по-всякому. На самом деле, станция часто ворочается на орбите. Или поворачивает солнечные панели, следя за солнцем. Поэтому сечение постоянно меняется. Рассмотрим два варианта: с наименьшим сечением и с наибольшим.
Наименьшее сечение выглядит так:
Панели повернуты вдоль вектора скорости и не тормозят об воздух
На 3D модели панели повернуты не так, поэтому просто их замажем. Затем двигаем диапазон на гистограмме, чтобы она показала нам количество пикселей отличных от фона:
А для наибольшего сечения, когда станция летит, подставив все панели ветру, площадь получилась бы уже 1400м^2. Разница в 4.4 раза. В качестве отправной точки, возьмем 320м^2. Далее мы уточним это по реальным данным о скорости снижения орбиты.
Можем посчитать, сколько времени МКС проживет на своей орбите, без регулярной коррекции высоты:
Сила сопротивления атмосферы,
Где A — площадь, k — аэродинамический коэффициент, v — скорость, а p — плотность атмосферы (функция от высоты). k для низкой околоземной орбиты принято брать
2, хотя пишут что он сильно различается. Дальше мы уточним его по реальным данным.
Период обращения по круговой орбите с радиусом 
Где 
это 
— гравитационная постоянная и масса Земли
А радиус, выраженный через скорость
Значит, если подставить 
Скорость же, раз на станцию действует атмосфера, меняется со временем
Формула становится страшнее:
И изменение периода со временем:
Раскрывать 
долго и неприятно, но можно заметить, что первое слагаемое это сила сопротивления атмосферы деленная на массу, и она на порядки меньше скорости. Выкидываем это недоразумение. При небольшом 
можно считать что 
и сократить у них степени. И еще, можно вернуть обратно 
Теперь, выбирая небольшой dt мы можем считать как меняется период (а через него — радиус орбиты) со временем:
И построить график:
Через 17 лет МКС сама упадет на Землю, если её периодически не пинать.
Обратите внимание, как ускоряется снижение. Чем ниже орбита, тем больше там плотность атмосферы и тем быстрее тормозится станция. К примеру, с орбиты в 350км падать уже 3.3 года, а с 200км — считанные дни.
Или не через 17 лет? Посмотрим реальный график высоты орбиты МКС:
6.4 месяца она опустилась бы на 2км.
Теперь, посмотрим аналогичную часть нашего графика:
Чтобы утонуть на 2км, ей потребовалось целых 9.36 месяцев (0.78 года). Значит, k (или площадь сечения?) у нас в 1.46 раза меньше чем нужно.
Возьмем k = 2.9. На этом этапе уже не совсем правильно разделять площадь сечения и k. Мы сверились с реальными данными, но не знаем какая часть погрешности относилась к k, а какая к площади. Статьи с методами оценки времени жизни КА на орбите справедливо говорят, что надо перестать волноваться и начать говорить об «эффективной площади сечения», которая выражается как A*k. Перестану волноваться и я, и скажу что A=320, а k=2.9.
11.5 лет, если Солнце всё это время не будет возмущаться.
Но оно будет. Скачаем кусок датасета за 11 лет (я выбрал 1976-1987гг: Лукас снял Star Wars, NASA построило Шаттлы, Вояджеры еще не покинули Солнечную Систему, а HELLOWEEN выпустили первый альбом, хорошее время) и будем брать данные из него.
Вот тут мы начали с минимума, и станция прожила всего 7.3 года. А если начать с максимума — 3.3.
Но что, если Солнце особенно лютое? Можно погулять по датасету и узнать что самая большая активность была в 50х-60х годах. Берем кусок за этот цикл (там отрицательный unixtime, так мило!) и смотрим:
2.5 года, если нам не повезло попасть на максимум такого солнечного цикла.
Разный уровень солнечной активности может сократить жизнь станции в 3 раза. Не стоит недооценивать солнце.
Во всяких видео и текстах про МКС постоянно делают оговорку, мол «у нас тут не невесомость, а микрогравитация». Я всегда наивно думал, что микрогравитация вызвана как-раз ускорением от торможения станции об атмосферу. Но давайте посчитаем:
При F10.7 = 100 и Ap = 5, плотность атмосферы на высоте 420км будет
1.4e-12кг/м^3 А сила сопротивления атмосферы при площади сечения 320м^2, k=2.9 и скорости в 7.66км/с:
Вполне ощутимая цифра, казалось бы. Но учитывая массу станции в 440 тонн, ускорение составит всего 0.04/440e3 = 9e-08 м/с^2. Или одну стомиллионную от земной силы тяжести.
На самом деле, больше всего проблем для экспериментов, требующих невесомости, создает не торможение об атмосферу, а вибрации от работы оборудования или экипажа. Чтобы вы понимали масштаб трагедии, вот тут экипаж просыпается:
2.2 Что-то случилось
Что-то случилось на Солнце в конце октября 2003 года. Серия вспышек, завершившаяся самой мощной за всю историю наблюдений, устроила полярное сияние в центральной Европе и Техасе, и повлияла на всё от радиосвязи до функционирования космических аппаратов.
Последняя и, самая сильная, вспышка случившаяся 4 ноября была направлена практически на 90° от нас. Ее мощность оценивают как X45. А предыдущая вспышка, 28 октября, была «всего» X17.2. Xn означает, 
ватт рентгена на квадратный метр на уровне околоземной орбиты.
Обратите внимание, что X17.2 (в начале видео) почти полностью ослепила камеру на несколько часов, а X45 в конце, будучи в 2.6 раза мощнее, дала еле заметную пургу. Хорошо, что Солнце успело повернуться, и самая мощная вспышка ударила мимо.
Через пару часов после вспышки, выброшенный солнцем ионизированный газ долетел до Земли, и Ap индекс сделал сальто:
Возмущения магнитосферы привели к проблемам с радиосвязью, и авиарейсы летающие над полярными регионами (где часто недоступна спутниковая связь), были вынуждены сменить маршруты или задержать вылеты.
Проблемы с радио попортили жизнь и в Антарктике, где в то время активно пользовались связью в HF диапазоне. Магнитная буря оставила радиорелейную станцию без связи с землей почти на несколько дней. Что сказалось и на авиарейсах, и на работе антарктических баз.
Кроме проблем с радио, бури наводили ток в длинных, неудачно расположенных, линиях. Самой неудачливой оказалась ЛЭП в городе Мальмё, в Швеции. Геомагнитная буря навела дифференциальный ток в многокилометровых проводах, протянувшихся с востока на запад. Защитная автоматика пожала плечами и обесточила центр города. 50 тысяч человек сидели час без света и очень удивлялись.
Все эти проблемы на Земле были побочным эффектом того, как магнитосфера останавливала порывы солнечного ветра. Но космические аппараты, разбросанные по орбите, и в разных уголках солнечной системы, не могли рассчитывать на её защиту.
Первыми пострадали камеры. Это отлично видно на видео с SOHO.
Момент вспышки и метель через 2 часа
Чего там не видно, так это того, что камеры используются не только для научных наблюдений: многие КА ориентируются в пространстве по положению звёзд. И вам становится сложно следить за звёздами, когда прямо в CCD матрице каждую минуту вспыхивает сотня новых. Mars Express ослеп на 15 часов и был вынужден ориентироваться только по гироскопам. Microwave Anisotropy Probe ослеп только на один глаз (у него было два трекера звезд). Opportunity и Spirit, которые в это время летели к Марсу, тоже временно потеряли звезды.
Но раз солнечный ветер зажигает звезды в CCD матрицах, он может делать это и в другой электронике. На Mars Odyssey начались ошибки чтения памяти, и его пришлось перезагружать. Он ожил, а вот инструмент MARIE в его составе — нет. MARIE это Mars Radiation Environment Experiment, который должен был оценивать уровень радиации на Марсе для планирования будущих пилотируемых миссий. Можно сказать, что задачу он выполнил досрочно. Stardust, летевший ловить пыль от кометы, так же на время ушел в безопасный режим из-за ошибок чтения памяти. SMART-1, летевший к Луне, три раза аварийно отключал двигатели из-за высокого уровня радиации, но всё-таки долетел. DRTS, висевший на ГСО и служивший релейной станцией для КА на низкой орбите, тоже ушел в сейфмод. CHIPSat, болтавшийся на низкой орбите, полностью отключился на 18 часов из-за сбоя в процессоре. Он потерял ориентацию в пространстве, и когда очнулся, обнаружил что вращается. К счастью, связь вернулась и спутник удалось стабилизировать. Орбитальный рентгеновский телескоп CHANDRA не работал 4 дня. ACE, изучавший состав солнечного ветра, настолько преуспел, что испортил себе один из каналов спектрометра.
Спустя пол года отголоски шторма дошли и до Вояджеров. Но им было всё равно: они покидали Солнечную систему.
Но больше всего не повезло ADEOS-2. Стоивший почти полмиллиарда долларов, и запущенный в конце 2002 года (всего за год до вспышки), он летал на низкой околоземной орбите, наблюдал за климатом и никого не трогал. Пока, внезапно, не потерял питание от солнечных батарей. Одна из версий — повреждение изоляции силовых кабелей солнечных панелей от нагрева, и пробой между ними и термозащитой из фольги, которая набрала большой отрицательный заряд от захваченных магнитосферой электронов из солнечного ветра.
А сам SOHO отделался довольно легко — один из инструментов пришлось выключить на время, но всё наладилось. SOHO вообще невероятно везучий: построенный с расчетной длительностью миссии в 3 года, он работает уже 26 лет, и не собирается помирать.
Частицы солнечного ветра, захваченные магнитным полем Земли, разогревали ионосферу, что привело к заметному ускорению снижения орбиты МКС:
Здесь красными линиями, для наглядности, отмечен наклон кривой на разных этапах. Видно что до и после шторма, скорость снижения была практически одинаковой, а вот во время — сильно возросла.
Экипаж МКС в те моменты, когда солнечный ветер от очередной вспышки достигал Земли, уходили прятаться в самую защищенную от радиации часть станции: российский сегмент. Советская фольга самая толстая, приятно знать.
Так что не только солнечная активность в целом, но и отдельные вспышки, могут влиять на орбиты космических аппаратов, и гораздо больше — на их работоспособность.
2.3 Как утонул Skylab
Далее находится байка про то, как Skylab упала раньше срока из-за высокой солнечной активности, а двигательный модуль не успели вовремя достроить.
Когда мне её рассказывали, и когда я мельком читал о ней в книжках, всё выглядело более драматичным, чем оказалось при подробном рассмотрении.
Но я всё же решил ее оставить, как наглядный пример влияния солнечной активности на срок жизни космических аппаратов
Здесь я буду в основном ссылаться на вот эту страницу из не очень серьезной книги, и вот этот, более серьезный, документ.
Skylab, пустая ступень от ракеты Saturn-V, в топливном баке которой с комфортом размещался экипаж из трех астронавтов, была запущена 14 мая 1973 года. Сменив три экипажа, и пролетав несколько лет покинутой, 11 июля 1979 она захлебнулась в атмосфере.
А должна была в конце 1980. По крайней мере об этом говорили расчеты, сделанные прямо перед запуском. К тому времени уже ожидались шаттлы, и были планы доставить на Skylab двигательную установку, TRS, для поднятия орбиты (или для управляемого затопления)
TRS начали строить в 1977 и планировали запустить с одним из первых шаттлов, в конце 1979. Но на Солнце было слишком много пятен, чего никто не ожидал:
Серым выделено время жизни Skylab. Смотрите, насколько максимум 1980х годов выше максимума 1970х.
Шаттлы задерживались, TRS была не готова, и станция утонула на полтора года раньше срока. Мы можем посмотреть, как это было.
Масса станции 76 тонн (без пассажирского корабля). Орбита, на которой её оставила последняя миссия — 455х435км, почти круговая, так что возьмем 445км. Площадь сечения по 3D модельке получается 150м2 (станцию оставили болтаться главной осью вдоль вектора силы тяжести). k возьмем, как и для МКС — 2.9. А погоду на Солнце возьмем из архива за нужный временной период.
Середина 1979 года. Чуть раньше июля, но в целом неплохое попадание.
Какую солнечную активность предсказывали на этот максимум? Вот этот отчет NASA о завершении миссии Skylab, говорит, что перед запуском (в мае 1973 года) на начало 1979 года ожидали F10.7 всего
Обратите внимание, что диапазон в +2σ уже недалеко от реальных значений (отмечены кружками), а более ранние расчеты (от 69 и 72 годов) предсказывают еще большую активность. Так что вариант «о ужас, станция утонула на 4 года раньше срока!», который я слышал это натягивание двух сигм на глобус Солнца.
Но если бы активность действительно была такой низкой, станция продержалась бы дольше:
Почти до конца 1980 года! Шаттлы бы не успели, но TRS предлагали запустить на других ракетах (то, что шаттлы не успеют, было понятно заранее).
Вот так Солнце топит космические станции в атмосфере.
3. Как уронить МКС?
Когда Наука пыталась сбежать в открытый космос, станцию развернуло почти на два оборота по тангажу:
Но высота орбиты почти не изменилась. Воон тот маленький пик в конце месяца:
Наука расположена так, что вектор тяги от её двигателей направлен куда-то мимо центра масс станции, и энергия в основном ушла на вращение. Как если бы вы толкали тележку с продуктами не по центру, а как-то с краю.
Но представим, что на МКС внезапно включился какой-то из двигателей и по совершенно неудачному совпадению, вектор тяги оказался направлен против вектора движения станции и ровно через центр масс. Так, что её не разворачивало, а вполне эффективно тормозило.
Если импульс был достаточно коротким, и за его время станция не успела пролететь значительную часть орбиты, она окажется на эллиптической орбите, с апоцентром на высоте своей прежней орбиты, а перицентром — ниже. Если же длительность импульса сравнима с периодом орбиты, снижаться будут и апоцентр и перицентр.
Станция летает на высоте 420км над Землей, со скоростью 7.66км/c. Сколько скорости нужно погасить, чтобы опустить перицентр в 2 раза ниже? Половину от 7.66?
Можно использовать формулу Гомановского перехода, чтобы связать ΔV и высоту перицентра:
Всего 60м/c и перицентр уже в два раза ниже! Мы помним, что с круговой орбиты в
200км станция падает за считанные дни, но сколько она будет падать с орбиты 420х210?
Можно набросать симулятор, в котором с каким-нибудь достаточно малым dt интегрировать движение станции по орбите, учитывая силу притяжения и сопротивление атмосферы.
Способ ужасно медленный, особенно если решать в лоб, но зато можно сходить за чаем, пока оно считается.
Обратите внимание на уровень активности Солнца: это что-то в духе очень сильного максимума, как было в 1950х. У нас ведь совсем неудачное стечение обстоятельств, да?
75 дней до падения. Обратите внимание, что апоцентр опускается быстрее чем перицентр. Его снижение вызвано торможением в перицентре, а там наиболее плотная атмосфера и станция тормозит быстрее. А перицентр напротив, остается примерно на одном уровне (хоть и очень низко в атмосфере), пока апоцентр не опустится достаточно низко.
А с круговой орбиты в 210км, она упала бы всего за 11 дней.
Зная порядок ΔV, которая нужна, чтоб уронить станцию, можно попробовать найти, что может дать такую дельту. На МКС есть много разных вещей с двигателями. Американский сегмент станции собирался при помощи шаттлов, и модули не имели собственных двигателей. Всякую мелочь возят транспортными кораблями, или Союзами — у мелочи тоже нет своих двигателей.
Но вот крупные Российские модули поднимались на орбиту Протонами а дальше добирались своим ходом. Таких три: Заря, Звезда и Наука. Но Наука совершенно точно не умеет ронять космические станции. Двигатели Звезды используют до сих пор, чтобы периодически поднимать орбиту станции.
Еще на станции постоянно висят какие-нибудь грузовые и пассажирские корабли. Время от времени и их двигатели используют для коррекции орбиты.
Мы можем добавить в нашу симуляцию внезапное включение двигателя. Его можно описать моментом включения, тягой и длительностью работы двигателя:
При этом будем считать, что двигатель всё время работы направлен против вектора движения станция. Даже, если он работает так долго, что станция успевает пройти значительную часть орбиты, да. Очень неудачное стечение обстоятельств.
Модуль, с которого всё началось. Поднялась на орбиту в ноябре 1998 года. А сразу за ней — американский модуль Unity и переходники. Первые два года, пока не было Звезды, двигатели Зари использовались для коррекции орбиты и маневров (Unity привезли шаттлом, и у него нет вообще никаких средств для маневрирования).
Маршевые двигатели Зари — два 11Д442, с суммарной тягой в 8.8 килоньютонов. А в баках Зари помещается до 6100 килограмм НДМГ и Тетраоксида азота. Мы не знаем удельный импульс двигателей, но для схожей мощности и такой же топливной пары он около 300 секунд. А значит, двигатели будут сжигать 3кг топлива в секунду, и проработают 34 минуты. Даже, если каким-то чудесным образом, ориентация станции будет поддерживаться всё это время так, чтоб двигатели тормозили станцию, ничего особенно страшного не произойдет:
130 дней до того, как перицентр пересечет отметку в 250км. И почти 200 дней до схода с орбиты. Достаточно времени, что не спеша собрать корабль с топливом для приведения орбиты в приличный вид.
Звезда
Через два года после Зари, присоединилась к всеобщему веселью, и взяла на себя роль двигательной установки на МКС.
У нее есть два маршевых двигателя по 3 килоньютона каждый. Они до сих пор используются для коррекции орбиты станции, получая топливо из баков Звезды и Зари (суммарно 7 тонн топлива и окислителя). Если взять удельный импульс в 300 секунд, двигатели проработают 58 минут.
Велика ли разница по сравнению с Зарей?
Не очень, но хотя-бы её двигатели и в реальности направлены в центр тяжести. Обратите внимание, что хоть перицентр и опустился до тех же
300км, как в случае в Зарей, в этот раз импульс двигателя сильно затронул и апоцентр: потому что за 58 минут станция успела сделать
2/3 оборота по орбите.
Automated Transfer Vehicle, европейский грузовичок, который иногда используется для поднятия орбиты станции. В качестве маршевых двигателей, использует 4 маневровых двигателя от Apollo, с суммарной тягой 2 килоньютона. Он может тащить до 6500кг топлива, которого (с импульсом в 270 секунд) хватит почти на 2.5 часа работы.
И получается вот так:
Хоть апоцентр и просел вместе с перицентром, но недостаточно глубоко, и у станции есть еще 240 дней на то чтобы всплыть.
Японский транспортный корабль, который никогда не использовался для коррекции орбиты МКС, но разве нам это важно? 4 двигателя по 500 ньютонов, в первых версиях это были всё те же R-4D, наследники Apollo, а потом японские BT-4. 2400кг топлива, и 54 минуты работы.
Не уверен что это вообще можно считать чрезвычайной ситуацией.
Прогрессы и Союзы
Прогрессы и Союзы снабжены одинаковой двигательной установкой, и иногда используются для поднятия орбиты МКС. На них установлен маршевый двигатель С5.80 с тягой в 2.95 килоньютона и удельным импульсом в 302 секунды.
Для поднятия орбиты используют не его, а маневровые, но у нас же внештатная ситуация. Максимальный запас топлива в 900кг дает 15 минут работы маршевого двигателя:
Еще дольше, чем для HTV. Союзы абсолютно безопасны, даже в таком странном контексте. Приятно знать.
Space Shuttle
Что? Мы же рассуждаем о гипотетических вещах. Да, шаттлы уже давно не летают, и пристыковать его к МКС так, чтобы тяга двигателей была направлена через центр масс, невозможно (у него стыковочный порт на 90° вверх направлен), но какая разница?
Система орбитального маневрирования на шаттле состоит из двух двигателей AJ-10 (такой же стоял на Apollo), общей тягой 54 килоньютона. И работать они могут около 20 минут! За это время шаттл массой 100 тонн тормозит МКС (массой 440 тонн) на 125м/c и роняет её в землю за половину витка орбиты. Вин! Если бы шаттл мог толкать станцию, а не только вращать.
Crew Dragon
Корабль от SpaceX находится тут по довольно интересной причине. У него конечно же тоже есть маршевые двигатели, но к черту их: мы уже поняли, что это глупо и безнадежно. Смотрите:
На ракетах с пилотируемыми космическими кораблями есть башенка системы аварийного спасения. На ней — очень мощные двигатели: их тяги должно хватить, чтоб преодолеть максимальный напор потока воздуха, оторвать корабль от разваливающийся ракеты и унести его прочь. А у Crew Dragon башенки нет. Потому что двигатели системы спасения у него интегрированы в сам корабль. И он тащит их прямо на МКС. 8 двигателей по 71 килоньютон каждый, способные работать в течении 6 секунд:
Выглядит еще более печально, чем всё остальное, но хотя-бы без допущений «станция всю орбиту направлена двигателем назад» и «никто целый час не может ничего сделать с бунтующим двигателем».
Ускорение, ощущаемое на станции, при этом составит 1.3м/c^2, и за 6 секунд чей-нибудь, не прибитый к стене ноутбук, разгонится до 7.8м/c и разобьется об стену. Это ли не катастрофа?
Оrion
Отчаявшись уронить МКС чем-то из существующей техники, обратимся к технике будущего. Например, Orion:
В естественной, пока что, среде обитания.
Имеет всё тот же двигатель AJ-10 от Apollo/шаттла с тягой в 27 килоньютонов и удельным импульсом в 316 секунд. И 8600кг топлива, что дает время работы в 987 секунд.
2.5 месяца до падения. Это уже сравнимо со сроками подготовки корабля-тягача для спасения тонущей станции.
Но Ориону нечего делать на МКС: он должен лететь к Луне. Полетим к Луне и мы.
А как же экипаж?
Протоколы эвакуации МКС в случае разного рода ЧП, предусматривают быстрое распихивание пассажиров по Союзам и Драконам, на которых они прилетели (каждый приезжает и уезжает на своей машине, очень удобно) и спуск их с орбиты. При массе Союза в 7.2 тонны, у него есть почти 400м/c дельты, чего вполне хватит даже для спасения из ситуации «шаттл взбесился и через пол часа мы провалимся глубоко в атмосферу».
Случайное включение двигателей, конечно же, не пройдет незамеченным: даже если взбунтовавшийся корабль не сообщит о том, что у него работают двигатели, ускорение почувствуют датчики на станции. Да и люди: вспомните видео с прогрессом, а ведь там было всего 500 ньютонов тяги.
Если по каким-то причинам двигатель невозможно отключить, можно использовать другие, чтобы компенсировать его тягу. А то и просто развернуть станцию на 180°, когда перицентр окажется угрожающе низко — и пусть он поднимает.
И даже если экипажу придется покинуть станцию, она достаточно автономна, чтобы управлять работой двигателей с Земли. Так что если в баках Зари и Звезды останется топливо, скорректировать орбиту можно удаленно.
4. Как уронить Lunar Gateway
Маленькая уютная станция на высокоэллиптической орбите вокруг Луны. Летает, пока, только на бумаге, но мы надеемся. Сайт ESA заявляет массу в 40 тонн, но это звучит подозрительно мало. Скажем, с учетом пристыкованного корабля Orion и каких-нибудь дополнительных модулей, 80 тонн.
Станция должна состоять из жилого модуля, лаборатории и служебного модуля, с солнечными батареями и ионными двигателями для коррекции орбиты. Плюс Orion и какой-нибудь посадочный модуль, чтобы летать на Луну за камнями.
Орбита у неё довольно специфична. Перицентр находится в 3000км над поверхностью Луны, а апоцентр — в 70’000км. И это при том, что радиус Луны «всего» 1737км, а расстояние до Земли — 386’000км.
До этого момента, мы сидели в зоне комфорта задачи двух тел: планета притягивает корабль, корабль кружится. Но теперь на станцию влияет как Луна, так и Земля. Вот так это выглядит в масштабе:
Можно что-нибудь посчитать. Например, силы с которыми действуют на станцию Луна и Земля в разных точках орбиты:
В перицентре, Луна притягивает станцию с силой 2.18e-1 ньютона, а Земля — 2.68e-3, в сто раз слабее. Влияние Земли на орбиту заметно, но не слишком драматично.
А вот в апоцентре, притяжение Луны снижается до 9.54e-4 ньютонов, при этом притяжение Земли почти не меняется — 2.59e-3. Теперь Земля притягивает станцию в 2.71 (мистер Леонард Эйлер, уходите, вы мешаете) раза сильнее, чем Луна.
Можно собрать из двух формул уравнение и узнать, на каком расстоянии силы притяжения Луны и Земли становятся равны:
Силы оказываются равны, когда r2 = 4.3e7 метров, или 43’000км. Учитывая то, что ближе к перицентру скорость снижается, можно сказать, что значительную часть времени, станция вращается скорее вокруг Земли, чем вокруг Луны. Что отлично иллюстрируется этой картинкой с википедии:
Орбита поворачивается по мере того как Луна вращается вокруг Земли поэтому, с нашей точки зрения, станция всегда летает вокруг видимого диска Луны и никогда не уходит за неё. Очень удобно для радиосвязи. А еще высокая орбита позволяет станции меньше времени находиться в тени Луны: на очень низкой орбите, она была бы в тени примерно половину времени.
Учитывая радиус Луны в 1737км, расстояние в апоцентре будет 7.17e7 метров, а в перицентре 4.74e6. Большая полуось орбиты получается 3.82e7 метров. А период обращения по орбите:
Скорость в перицентре:
Довольно приличная. А вот в апоцентре всего 91.7м/c. А значит, ΔV всего в 90м/с полностью гасит орбитальную скорость и переводит станцию в режим камня падающего отвесно вниз. Но сколько нужно, чтобы опустить перицентр ровно в поверхность?
Мы можем сказать, что станция разобьется, если перицентр её орбиты будет на уровне грунта, или ниже. Значит, нужно найти скорость в апоцентре для такой орбиты, у которой расстояние в апоцентре так и осталось 7.17e7 а расстояние в перицентре — радиус Луны. Большая полуось у новой орбиты выходит 3.67e7, и подставляя её в формулу для скорости, мы получаем 56.26м/c. Значит, находясь в апоцентре, надо затормозить всего на 35.5м/с, чтобы через пол витка уткнуться в поверхность.
Зная, что 
мы можем посмотреть на весь диапазон тяги и длительности, который приведет к такому торможению. Ограничим тягу 26.7 килоньютонами (тяга маршевого двигателя Orion), а время 1 часом:
Всё что в синей области — роняет станцию
Всего 106 секунд работы двигателя Orion и станция мчится к встрече с реголитом. Или час работы небольшого двигателя, как у Союза.
Уронить Lunar Gateway оказалось неожиданно просто. Но, как и с МКС, это требует кучи допущений. Во-первых, период орбиты здесь гораздо больше, и ситуация «мы в конце витка тормозимся о грунт» означает столкновение не через 40 минут, а через 4 дня.
На Lunar Gateway планируют использовать 4 вот этих двигателя (даташит) с тягой около 0.3 ньютонов каждый. Вместе 1.2 ньютона. Мало? Да, но за 4 дня они наберут 5м/c дельты, чего может быть вполне достаточно, чтобы избежать столкновения на этом витке. И это при условии, что Orion окончательно сломался, и его двигатели использовать нельзя. А еще там должен быть посадочный модуль со своими, довольно мощными двигателями.
В общем, как и МКС, уронить Lunar Gateway можно только если за ней совсем никто не следит.
5. Ссылкография
Орбитальная механика и разное
Orbital Mechanics for Engineering Students Учебник по орбитальной механике. Содержит матан, и практические примеры того, куда его пихать и зачем.
How Would NASA & Russia Evacuate the International Space Station? Коротенькая заметка о том, как могут эвакуировать МКС. Навеяна событиями 2011 года, когда Прогресс не долетел и МКС осталась без снабжения.
О космической погоде
Intense Space Weather Storms October 19 – November 07, 2003 Большая, жирная PDF о различных последствиях солнечного шторма 2003 года.
Understanding Solar Indices Заметка о том, кто такие F10.7 и Ap. Рассказывает с точки зрения радиолюбительства, а не расчетов орбит, но это не так важно.
SOHO Data Сайт с данными с инструментов SOHO и их описанием.
SOHO/EIT Data Analysis Resources Описание формата данных с телескопа EIT на SOHO. Для других инструментов можно найти аналогичные страницы.
О том, как нырять в атмосферу
Satellite Orbital Decay Calculations Коротенькая статья о том как считать время жизни спутника на орбите. Полезна еще и тем, что описывает ограничения метода и дает много полезных ссылок на источники.
Spacecraft drag modelling Статья с более сложным, чем «возьмем k=2» подходом к моделированию аэродинамики КА на низкой орбите.
Reducing spacecraft drag in Very Low Earth Orbit through shape optimisation Еще одна статья о космической аэродинамике, на этот раз сконцентрированная на уменьшении торможения через оптимизацию формы КА.
Satellite Drag Презентация с картинками, опять, про аэродинамику КА. Ценна, в основном, разными примерами из истории (именно тут я увидел как провалилась орбита МКС во время событий 2003 года).
6. Благодарности
@Zelenyikot за то, что помог мне в нелегком деле использования сайта гугл точка ком, и нашел двигатели от Союза.
Andrew McCarthy за то, что поймал МКС на фоне Солнца, и разрешил мне использовать кусок от этого фото как КДПВ.