Почему геостационарные спутники не падают на землю? Может ли спутник упасть вам на голову? Почему спутники не улетают в космос

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.

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.

МКС находится на высоте 400 км, поэтому её скорость составляет 27 720 км/ч

Спутники могут оставаться на орбите в течение сотен лет, поэтому нам не нужно беспокоиться о том, что они упадут на Землю.

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.

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.

Земля обладает мощным гравитационным полем, которое притягивает к себе не только предметы, находящиеся на ее поверхности, но и те космические объекты, которые, по каким – то причинам, оказываются в непосредственной от нее близости. Но если это так, то как объяснить тот факт, что запущенные человеком на земную орбиту искусственные спутники, не падают на ее поверхность?

Согласно законам физики, любой предмет, находящийся на земной орбите, обязательно должен упасть на ее поверхность, будучи притянут ее гравитационным полем. Все это абсолютно справедливо, но только в том случае, если бы планета имела форму идеальной сферы, и на объекты, находящиеся на ее орбите, не действовали бы сторонние силы. На самом же деле, это не так. Земля, ввиду вращения вокруг собственной оси, несколько раздута на экваторе, и сплюснута на полюсах. К тому же, на искусственные спутники действуют сторонние силы, исходящие от Солнца и Луны. По этой причине и не происходит их падение на поверхность Земли.

На орбите они удерживаются именно благодаря тому, что наша планета не идеальна по форме. Исходящее от Земли гравитационное поле стремиться притянуть к себе спутники, не позволяя Луне и Солнцу сделать то же самое. Происходит компенсация гравитационных сил, действующих на спутники, в результате чего, параметры их орбит не меняются. Во время их приближения к полюсам, земная гравитация становится меньше, а сила притяжения Луны больше. Спутник начинает смещаться в ее сторону. Во время его прохождения через зону экватора, ситуация становится прямопротивоположной.

Происходит как бы естественная коррекция орбиты искусственных спутников. По этой причине они и не падают. Кроме того, под действием земной гравитации спутник будет летать по скругленной орбите, стараясь приблизиться к земной поверхности. Но так как Земля круглая, то эта поверхность будет постоянно от него убегать.

Этот факт можно продемонстрировать на простом примере. Если привязать к веревке грузик и начать его вращать по кругу, то он будет постоянно стремиться от вас убежать, но не может этого сделать, удерживаемый веревкой, что, применительно к спутникам, является аналогом земной гравитации. Именно она удерживает на своей орбите, стремящиеся улететь в открытый космос спутники. По этой причине они и будут вечно вращаться вокруг планеты. Хотя, это чисто теория. Существует огромное количество дополнительных факторов, которые способны изменить эту ситуацию, и заставить спутник упасть на Землю. По этой причине на той же МКС постоянно проводится коррекция орбиты.