На секунду представьте себя инженером космической техники. Стоит задача: обеспечить спутнику на околоземной орбите постоянную освещенность лучами Солнца. Знаете ли Вы решение? Ну и главное, причем здесь теория плоской Земли?
Итак, в космической индустрии и проектировании орбитальных спутников, существует одна интересная проблема, связанная с ритмом освещенности аппарата солнечным светом. Больше всего, смена космических "дней" и "ночей" актуальна для низкоорбитальных аппаратов, поскольку именно они проводят значительную часть времени в тени. В эти моменты, когда наша планета закрывает собой Солнце, выработка электроэнергии от фотовольтаических панелей становится невозможной, а ведь это основной источник электричества для большинства образцов такой техники.
На низкой околоземной орбите (НОО), на высотах примерно от 160 до 2000 километров над поверхностью Земли, спутники движутся с огромной скоростью, около 7.8_км/с, что позволяет им облететь нашу планету и испытать полный "суточный" цикл примерно за 90_минут. В результате, спутники на таких низких орбитах, могут застать около 16 восходов и закатов Солнца за 24 часа.
Если смотреть со стороны на масштабы нашей планеты, и траектории космической техники в ее окрестностях, становится очевидным, что спутники на НОО проводят в тени чуть меньше 50% от всего срока своей миссии. То есть, помимо того, что фотоэлектрические солнечные панели и так не славятся своей мощностью, так еще и доступ к источнику энергии возможен лишь половину времени от всей работы. В те моменты, когда для аппарата наступает космическая ночь, он может рассчитывать лишь на свои аккумуляторные батареи. Благодаря этим накопителям энергии, проблема конечно становится решаемой, но разве это эффективно?
Стоит понимать, что любая полезная аппаратура потребляет значительное количество электроэнергии. Будь то антенны для связи, радары, бортовой компьютер, или любые наблюдательные приборы - все это нуждается в подпитке, но до ближайшей "розетки" - сотни километров. При условии, что солнечные элементы способны выдавать мощность только "половину дня", для увеличения итоговой выработки инженерам приходится делать эти панели значительно больше и тяжелее. Также аппарат нуждается в накопителе энергии, что снова увеличивает массу и стоимость проекта, а ведь в разговоре о космической полезной нагрузке, мы должны помнить, что каждый лишний килограмм на счету. Кроме того, регулярное вхождение в тень может негативно сказаться на стабильности работы некоторых инструментов, особенно если они требуют надежного и непрерывного энергоснабжения, или серьезно зависят от перепада температур.
Таким образом, для спутников на низкой околоземной орбите, смена дня и ночи представляет собой дополнительный технический вызов, в нагрузку к прочим, не менее сложным задачам. Поэтому нет ничего удивительного, что участники космической отрасли уже давно задумались над решением этой проблемы. С одной стороны, мы конечно можем говорить о спутниках с очень большими орбитами - для них проблема ухода в земную тень минимальна. Это легко понять, даже объясняя ситуацию на пальцах: чем выше орбита спутника, тем меньший участок этой самой орбиты попадает в тень от нашей планеты. Однако, что делать, если по каким то причинам, такой "высотный" аппарат нам не подходит?
Если вы впервые столкнулись с озвученной проблемой, первая гениальная мысль, которая может прийти вам в голову - разместить спутник на орбите так, чтобы он всегда находился в области доступа солнечного света, на границе день-ночь, известной как терминатор. Терминатор — это линия, разделяющая освещённую и тёмную стороны планеты, место, где солнечные лучи касаются поверхности Земли под самыми острыми углами. Находясь на поверхности Земли, каждые сутки вы пересекаете эту условную линию дважды - на рассвете и на закате.
На первый взгляд, спутник, расположенный на такой орбите, "вдоль терминатора", мог бы непрерывно получать солнечный свет, ведь он не привязан к вращению планеты, верно? Но это актуально только до тех пор, пока Земля значительно не продвинется по своей орбите вокруг Солнца.
Дело в том, что в грубом приближении, плоскость орбиты спутника сохраняет свою ориентацию в пространстве относительно "вселенной", относительно звездного неба. В течение года, по мере того как Земля обращается вокруг Солнца, ориентация орбитальной плоскости спутника в пространстве остается неизменной. Поэтому угол падения солнечных лучей на виртуальную "поверхность" этой плоскости меняется, и за 3 месяца, она поворачивается к лучам нашей звезды полностью параллельно. Таким образом, спутник, изначально расположенный над терминатором, со временем начнёт снова периодически погружаться в тень Земли, теряя тем самым своё главное преимущество — непрерывное солнечное освещение.
Мы видим, что эта проблема проистекает из фундаментальных законов небесной механики. Плоскость орбиты спутника, будучи однажды установленной, остаётся фиксированной в инерциальном пространстве. Земля в своём годичном путешествии вокруг Солнца, не привязывает к себе "направление" этой виртуальной окружности. Таким образом, нам нужно решить, как мы могли бы поддерживать стационарное положение над терминатором, в течение длительного времени, и наша идея нуждается в доработке. Конечно, мы могли бы использовать собственные двигатели спутника для постоянной коррекции орбиты, однако хватит ли нам топлива на очень долгий срок? Конечно же нет. Поэтому, нам стоит поискать другие лазейки в нашем исследовании. И здесь нам на помощь приходит "несовершенство" нашего физического мира.
В идеальном мире, где Земля была бы таким же идеальным шаром, описанное положение дел являлось бы незыблемым. Описанная идея расположения орбиты над терминатором, давала бы нам лишь кратковременное преимущество, но на долгой дистанции, мы бы все равно были вынуждены бороться с явлением "космической ночи".
В реальности, форма Земли, и ее структура не являются геометрически правильными и полностью симметричными по всем осям. К тому же, дополнительные гравитационные возмущения создают и наши соседние небесные тела, в частности Луна и другие планеты Солнечной системы. Благодаря этим факторам, мы можем придумать некоторые хитрости, которые позволят нам осуществить нашу задумку с "вечным днем" в космосе. И если использовать гравитацию других планет в качестве помощников довольно сложно, то форма Земли действительно может стать ключом к решению.
Как ни удивительно, но в чем-то конспирологи и любители теорий заговора правы: Земля плоская. Но совсем чуть-чуть. Наша планета слегка сплюснута вдоль полярной оси вращения, и причина этому лежит в самом факте вращения. Оно создает центробежную силу, которая стремится оттолкнуть массу от оси вращения. Грубо говоря, экваториальные области слегка отталкиваются от полярной оси, что создает некоторую выпуклость "в ширину". Такая форма планеты, в свою очередь создает некоторые особенности гравитационного поля, которые мы и сможем использовать в дальнейшем в проектировании полета нашего спутника.
На иллюстрации видно, что экваториальный радиус Земли больше полярного всего на 22_километра. Эта разница кажется незначительной, и даже невидима глазу, но в физике, даже такие малые величины могут влиять на стабильность всей системы в целом. Если попытаться объяснить решающее отличие простым языком, в модели "сплюснутой" Земли, экваториальные области оказывают дополнительное притяжение для спутника, и в конечном итоге это вызывает так называемый эффект прецессии — медленное изменение направления оси вращения орбиты спутника. Из-за прецессии, плоскость орбиты слегка "покачивается" относительно звездного неба, и мы попытаемся объяснить это наглядно ниже.
Для того чтобы лучше понять, как "немного плоская" форма Земли влияет на движение спутников, давайте доведем модель до экстремума, и на мгновение вообразим себя приверженцами теории плоской Земли. Это мысленное упражнение позволит нам на наглядном примере осмыслить, как форма планеты и распределение ее массы влияет на параметры гравитационного поля, и как от этого зависит движение спутника.
Итак, рассмотрим условную Землю-диск. Если предположить, что наш аппарат обращается вокруг такого тела (почти перпендикулярно ему), то сила притяжения и ее вектор, будут зависеть от конкретного положения спутника в текущий момент. Мы знаем, что объекты притягиваются не условной "виртуальной точкой" в центре масс этого небесного тела, а всем множеством физических частиц объекта единовременно. В то же время, согласно закону всемирного тяготения Ньютона, сила гравитационного притяжения прямо пропорциональна массе притягивающего объекта и обратно пропорциональна квадрату расстояния до него. То есть, чем дальше объект, или частицы этого объекта от нас, тем меньшее притяжение от них мы испытываем. Из этого следует, что край планеты-диска, находящийся в данный момент времени на бо́льшем удалении (на иллюстрации - слева), будет притягивать нас слабее, чем ближний край.
В контексте траекторий спутников, такое неравномерное притяжение создаёт эффект, аналогичный прецессии физического объекта, например гироскопа. Этот эффект можно пронаблюдать хоть на детской игрушке - юле, хоть на GIF-анимации приложенной выше. Строго говоря, запуская юлу, в идеальных условиях ось ее вращения была бы всегда направлена в одну точку пространства, например, строго перпендикулярно потолку. Но из-за внешних сил, таких как притяжение Земли, и сила трения, воздействующая на опору - мы видим, что юла покачивается из стороны в сторону, меняя наклон своей оси то в одну, то в другую сторону. Для спутника такими дополнительными внешними силами являются неравномерности в гравитационном влиянии Земли.
Вы можете вновь обратиться к иллюстрации с плоской землей, и увидеть, что сила F-1 больше, чем сила F-3. Именно это заставит смещаться ось вращения спутника, меняя ориентацию плоскости его орбиты в пространстве. Осталось только подобрать точные параметры орбиты, при которых скорость вращения орбитальной плоскости будет совпадать с годичным обращением Земли вокруг Солнца. И в таком случае, наша идея о вечном световом дне для аппарата на околоземной орбите, будет осуществлена. И на всякий случай напомним, хотя модель плоской Земли в данном случае - это лишь доведение ситуации до абсурда, но даже реальная форма планеты оказывает достаточный эффект для реализации такого сценария.
В космической отрасли, все, что мы описали выше, является уже давно изученным и взятым на вооружение явлением. Прецессия орбиты спутников, на низких орбитах с большим наклонением, является основой для стратегии построения траектории, известной как солнечно-синхронная орбита.
Когда параметры орбиты спутника, такие как высота апогея, высота перигея, и угол наклонения, подобраны с особой точностью, скорость прецессии его орбиты может быть синхронизирована со скоростью изменения угла падения солнечных лучей в сторону Земли в течение года. На самом деле, хоть мы и рассматривали в качестве основной проблемы нехватку солнечного освещения и электроэнергии от него, в реальности такие орбиты используются в массе приложений: они могут быть удобны для тех или иных наблюдений за земной поверхностью, могут позволить проводить непрерывные наблюдения за Солнцем, иногда бывают полезны для некоторых научных экспериментов и прочее.
Наш паблик VK:
Солнечно-синхронная орбита представляет собой уникальный класс орбит, на которых спутники используют неравномерности нашего физического мира в качестве "двигателя". Если на секунду предположить, что эффекта прецессии не существовало бы, задача построения подобных траекторий, была бы, пожалуй, не решаема. Мы могли бы использовать эффективные электрореактивные ионные двигатели, которые бы могли корректировать поворот орбитальной плоскости на протяжении достаточно долгого времени. Но рано или поздно - топливо в таком аппарате закончится, и дальнейшее стабильное поддержание такой динамики прекратится.
В качестве примера, мы можем вспомнить японский спутник Hinode (что в переводе с японского означает «восход солнца»). Он изучает магнитные поля Солнца для лучшего понимания того, как себя ведет внешняя "атмосфера" нашей звезды, и что вызывает солнечные вспышки. Спутник расположен на околоземной орбите с высотой около 650_км и наблюдает за Солнцем почти непрерывно. Очевидно, что именно солнечно-синхронная орбита позволяет спутнику вести наблюдения постоянно - поскольку Солнце всегда остается "на виду". Другой пример - спутник NASA под названием AURA, он предназначен для исследований атмосферы Земли и вредных выбросов в ней. Параметры его солнечно-синхронной орбиты примерно таковы: наклонение составляет 98.2 градуса, а высота орбиты около 705_км над Землёй.
В заключение, мы хотели бы отметить, что подобные научные решения создаются "на бумаге", но позволяют самой сложной технике работать в реальности. Живость ума космических инженеров, и небольшие хитрости в подходах, позволяют использовать даже "паразитные" явления, вызванные факторами "погрешности" - себе на благо.
В целом, правильный математический расчёт и применение солнечно-синхронных орбит открывают массу возможностей для долгосрочных космических миссий, и способны обеспечить стабильное и надёжное энергоснабжение спутников, а также повысить эффективность их работы.
Как смена дня и ночи в космосе влияет на "погоду"?
