Почему аппараты, летящие с мкс на землю, не сгорают в плотных слоях атмосферы. Почему не падает МКС? Падение мкс

Мы говорим о том, что на любой объект, находящийся в непосредственной близости от Земли, действует ее сила гравитации. А раз так, то он не может долго находится на ее орбите, и обязательно упадет на поверхность, если до этого не сгорит в верхних слоях атмосферы. Эта же участь, по идее, должна постигнуть МКС, которая находится на удалении 400 километров от поверхности планеты. Но даже столь солидное расстояние не может избавить космическую станцию от силы земной гравитации. Но тогда каким образом она столь продолжительное время удерживается на стационарной орбите?

Давай те сначала разберемся, что собой представляет международная космическая станция. Это сложная модульная конструкция, весом 400 тонн. Если говорить о ее размерах, то они примерно такие же, как поле для игры в американский футбол. Чтобы собрать такую конструкцию, понадобилось 13 лет. За это время была проведена огромная работа, которая включает в себя: многочисленные запуски космических грузовых кораблей «Прогресс», американских «Шатлов», выход космонавтов в открытый космос. В настоящий момент стоимость международной космической станции составляет более 150 миллиардов американских долларов. На станции постоянно находятся шесть космонавтов, которые являются представителями разных стран мира.

Но вернемся к нашему первоначальному вопросу, и попробуем разобраться, почему станция, под действием сил гравитации, не падает на поверхность Земли.

На самом деле она потихоньку падает. В течение года ее снижение достигает двух километров. И если бы не корректировка орбиты, то мы давно бы с ней распрощались. Именно своевременная корректировка позволяет МКС оставаться на стационарной орбите. Вы не поверите, но столь сложная и тяжелая конструкция обладает высочайшей мобильностью. Она может менять параметры орбиты, двигаться во всех направлениях, и даже переворачиваться при необходимости, для того, например, чтобы увернуться от различных космических объектов, в число которых входит и космический мусор.

Все перемещения осуществляются с помощью специальных двигателей, именуемых гиродинами. На станции их четыре. Чтобы сориентировать станцию или же скорректировать ее орбиту, с Земли поступает команда на их запуск, после чего станция начинает свое движение. За столь ответственную операцию отвечает специальный оператор. В его обязанность входит не только своевременная корректировка орбиты МКС, но и обеспечение ее безопасности, с целью недопущения столкновения с метеоритами и космическим мусором. Аналогичные ускорители и двигатели имеются на грузовых космических кораблях «Прогресс», которые пристыковываются к МКС. С их помощью также можно корректировать ее орбиту.

Также оператор следит за массой станции. Без этого невозможно точно рассчитать тягу геродинов, которая не должна быть меньше 1 м/секунду. Масса станции постоянно меняется. Как правило, это происходит в момент пристыковки к ней очередного грузового корабля «Прогресс», который доставляет на борт полезный груз. Космонавты в процессе планового перемещения станции никакого участия не принимают. Всем руководит оператор с Земли.

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.

Международная космическая станция (МКС) - это масштабный и, пожалуй, самый сложный по своей организации реализованный технический проект за всю историю человечества. Ежедневно сотни специалистов по всему миру трудятся над тем, чтобы МКС могла полноценно выполнять свою основную функцию - быть научной площадкой для изучения безграничного космического пространства и, конечно же, нашей планеты.

Когда смотришь новости про МКС, то возникает множество вопросов, относительно того, как космическая станция вообще может работать в экстремальных условиях космоса, как она летает по орбите и не падает, как в ней могут жить люди, не страдая от высоких температур и солнечной радиации.

Изучив данную тему и собрав всю информацию в кучу, признаться, я вместо ответов получил еще больше вопросов.

На какой высоте летает МКС?

МКС летает в термосфере на высоте примерно 400 км от Земли (для информации - расстояние от Земли до Луны составляет примерно 370 тысяч км). Сама термосфера представляет собой атмосферный слой, который, по сути, еще не совсем является космосом. Этот слой простирается от Земли на расстояние от 80 км до 800 км.

Особенность термосферы в том, что температура с высотой повышается и при этом может значительно колебаться. Выше 500 км возрастает уровень солнечной радиации, который может запросто вывести из строя технику и негативно повлиять на здоровье космонавтов. Поэтому МКС выше 400 км не поднимается.

Так выглядит МКС с Земли

Какая температура за боротом МКС?

Информации на данную тему совсем мало. Разные источники говорят по-разному. Говорят, что на уровне 150 км температура может достигать 220-240°, а на уровне 200 км более 500°. Выше температура продолжает расти и на уровне 500-600 км она уже якобы превышает 1500°.

По словам самих космонавтов, на высоте 400 км, на которой летает МКС, температура постоянно меняется в зависимости от светотеневой обстановки. Когда МКС находится в тени, температура за бортом опускается до -150°, а если она под прямыми лучами солнца, то температура повышается до +150°. И это уже даже не парилка в бане! Как при такой температуре космонавты вообще могут находиться в открытом космосе? Неужели их спасает супер термокостюм?

Работа космонавта в открытом космосе при +150°

Какая температура внутри МКС?

В отличие от температуры за бортом внутри МКС удается сохранить стабильную температуру, пригодную для жизни людей - приблизительно +23°. Причем как это делается, совершенно непонятно. Если за бортом, например, +150°, то как удается охладить температуру внутри станции или наоборот и постоянно держать её в норме?

Как влияет радиация на космонавтов в МКС?

На высоте 400 км радиационный фон в сотни раз превышает земной. Поэтому космонавты на МКС, когда они оказываются на солнечной стороне, получают облучение, уровень которого в несколько раз превышает дозу, например, полученную при рентгене грудной клетки. А в моменты мощных вспышек на Солнце работники станции могут схватить дозу, в 50 раз превышающую норму. Как им при этом удается работать в таких условиях длительное время, также остается загадкой.

Как влияет космическая пыль и мусор на МКС?

По данным NASA, на околоземной орбите около 500 тысяч больших обломков (частей отработанных ступеней или других деталей космических кораблей и ракет) и ещё неизвестно, сколько подобного мелкого мусора. Всё это «добро» вращается вокруг Земли со скоростью 28 тысяч км/ч и почему-то не притягивается к Земле.

Кроме того, существует и космическая пыль - это всевозможные метеоритные осколки или микрометеориты, которые постоянно притягиваются планетой. Причём, если даже пылинка весит всего 1 грамм, она превращается в бронебойный снаряд, способный продырявить станцию.

Говорят, что если к МКС приближаются такие объекты, то космонавты меняют курс станции. Но мелкий мусор или пыль невозможно отследить, поэтому получается, что МКС постоянно подвергается огромной опасности. Как с этим справляются космонавты, опять же непонятно. Получается, что каждый день они сильно рискуют своей жизнью.

Отверстие в шаттле Индевор STS-118 от попадания космического мусора похоже на пулевое отверстие

Почему МКС не падает?

В различных источниках пишут о том, что МКС не падает благодаря слабой гравитации Земли и космической скорости станции. То есть, вращаясь вокруг Земли со скорость 7,6 км/с (для информации - период обращения МКС вокруг Земли составляет всего 92 мин 37 секунд), МКС как бы постоянно промахивается и не падает. Кроме того, на МКС есть двигатели, которые позволяют постоянно корректировать положение 400-тонной махины.

Расстояние от Земли до МКС – вариативная цифра, значение которой постоянно меняется. Высота, на которой летает от Земли космическая станция, может показаться незначительной, если учесть, какие расстояния отделяют от планеты ближний и дальний космос. Однако расстояние от нашей планеты до станции МКС – не случайная величина. Ее выбирали с учетом отдельных обстоятельств, целесообразности, экономии и средств, также были приняты во внимание особенности атмосферы Земли, способной тормозить движение по орбите.

Международная космическая станция

Что такое космическая станция

Чтобы понять, почему именно такое расстояние до МКС от Земли в километрах было выбрано при ее создании, нужно немного знать историю проекта. МКС, или International Space Station, – это совместное многоцелевое начинание с участием 14 мировых государств – Российской Федерации, американского континента (США и Канады), Японии, стран Скандинавии, европейских – Франции, Бельгии, Испании, Нидерландов и ФРГ.

Англия и Бразилия, анонсировавшие поддержку стартапа в начале проекта, впоследствии отказались от него. Приведем некоторые факты из истории МКС:

1. Станция «Мир» первоначально называлась Freedom и планировалась к созданию совместными усилиями и вложениями западных стран.
2. После того как Р. Рейган с помпой провозгласил открытие нового многоцелевого проекта, результатом которого должна была стать пилотируемая орбитальная станция, оказалось, что странам-участницам не хватает средств на его разработку и осуществление. Поэтому России и было предложено работать для его создания. Это было решение, принятое не только на основании финансового дефицита, но и из практических соображений.
3. У американцев не было опыта транспортировки необходимого и доставки модулей, которыми должны были заниматься шаттлы. Также это было связано с техническими характеристиками шаттлов и способностью преодолеть расстояние от Земли до космической станции (МКС). Проблема состояла в невозможности преодоления ими дистанционного барьера до орбиты МКС.
4. У преемницы Советского Союза и обладательницы многочисленных наработок того периода в освоении космического пространства такой опыт имелся. Станции «Салют» и «Мир», многочисленные планы по осуществлению проекта «Мир-2», приостановленного из-за заявленных финансовых сложностей, – все это могло оказать существенную помощь в помпезном начинании.

Спустя 4 года после заключения соглашения о сотрудничестве, после преодоления многочисленных бюрократических препон и откровенного недоброжелательства в адрес российской стороны, космический проект наконец был принят обеими сторонами.

Конфигурация нового совместного проекта предполагалась к исполнению в виде двух сегментов – американского и сделанного Россией.

Причем последний предлагался к самостоятельному осуществлению, а в американском участвовали японцы, канадцы, испанцы и бельгийцы, страны Скандинавии, Бразилия.

Вид на планету

Этапы создания МКС: таблица событий

Колоссальный орбитальный комплекс создавался с учетом нескольких существенных моментов: ограниченности выделенных некоторыми западными странами средств и постоянных изменениях в их планах, которые вносились иногда из исключительно политических соображений.

Читайте также: Как можно определить расстояние до звезд: измерения по формуле в астрономии

Это была наглядная демонстрация желания людей науки работать над совместным освоением космоса в интересах всего человечества и амбиций политиков, для которых эти амбиции были важнее, а противостояние оказалось выгодным. В целом, станция создавалась обоюдными усилиями, но нагляднее это продемонстрировано в таблице ниже.

В 2016 году Международная космическая станция в 100000 раз совершила виток вокруг планеты.

Россия планирует один из модулей заменить на «Пирс», доставив 2 модуля, а затем еще 2 НЭМ, хотя и были заявления о прекращении российского участия в разработке проекта. МКС планируется оставить на земной орбите до 2024 года, а затем провести затопление в тихоокеанских водах.

На какой высоте летает МКС

Впервые озвученная дистанция до МКС в км не вселяет энтузиазма в сторонников планомерного освоения Вселенной и читателей научно-фантастических романов, привычно оперирующих понятиями «световой год» и «парсек».

Это нестабильная величина, которая изменяется в зависимости от обстоятельств. Однозначно ответить, на каком расстоянии находится МКС от Земли, не представляется возможным. Но при этом данная цифра колеблется в определенных рамках.

Максимальное удаление

Создатели проекта уверены, что такого расстояния вполне хватает для проведения научных экспериментов исследователями, постоянно присутствующими в космическом пространстве. Они мотивируют это следующими факторами:

1. Условия невесомости, пространственный горизонт, отсутствие атмосферных помех, да еще и обозначение того, что человек есть в космосе – вот бонусы, для которых заявленного дистанцирования вполне достаточно. Отсутствие необходимого финансирования или простая ограниченность выделенных средств определяют и пределы, на которые можно запустить станцию, которая будет перманентно находиться на орбите. Ведь туда постоянно должны летать транспортные модули, для того чтобы обеспечить ее деятельность и существование людей на борту, а также доставить необходимое оборудование для научных экспериментов.
2. Экономить на постройке, уменьшать расстояние до земной поверхности в проекте, направленном на благо всего человечества, кажется нелепым мечтателям, но вполне разумным политикам, которые выделяют гораздо больше денег на другие цели.
3. Россия могла бы изменить орбиту и увеличить расстояние от Земли до станции Мир – для этого есть наработки, опыт и технические возможности. Но изначальная причина, почему выбрана именно такая дистанция, кроется в технических возможностях американских шаттлов, которые не могли подниматься выше 353 км. Минимальное расстояние в 340 километров от Земли выбрано в связи с тем, что это практически максимально возможное удаление для штатовских модулей. В 2011 году оно составляло 353 км, но уже через три года их ТМ могли приближаться на 417 км. Однако высоту полета на орбите было решено не менять, поскольку расчеты под нее осуществлялись заранее.

Спутники

Полет проходит на высоте от 340 до 400 км. Именно таким цифрам соответствуют минимальная и максимальная дистанции от поверхности Земли, несмотря на то, что здесь все еще присутствуют частицы разреженной земной атмосферы, тормозящие полет орбитальной станции.

Читайте также: Какое расстояние от Земли до космоса: км от открытой поверхности

С борта МКС можно в режиме онлайн смотреть видео, специально установленная наружная камера ведет постоянную трансляцию. Те, кому интересно, могут увидеть, как выглядит Солнце в практически безатмосферном пространстве, а также наблюдать за звездами и спутником Земли.

Не прибегая к камере, можно заметить станцию с поверхности планеты. Для этого во Всемирной информационной сети есть специальные ссылки с указанием времени прохождения над земными сегментами.

Рабочий день на МКС

Но это можно сделать только при чистом небе и ночью, да и без должного опыта найти на небе светящуюся точку будет несколько затруднительно. А многочисленные фото, размещенные в средствах массовой информации, не передадут очарования космоса и его довольно опасной для человека атмосферы.

Хотя сделать их на такой дистанции – это уже большое достижение. И оно стало возможным только благодаря талантливым людям, сумевшим разработать аппаратуру, которая способна безупречно работать на высоте 340–400 километров от Земли.

Макеты транспортных кораблей

Смотрите видео на эту тему.

Причины изменения расстояний

На вопрос, сколько же все-таки километров составляет дистанция от Земли до МКС в данный конкретный отрезок времени, можно ответить только среднеарифметическим значением. Это 370 километров. Максимум, которого достигает орбитальная станция – 400 км, минимум – 340, а среднее расстояние составляет 370 км.

Исследователи космоса отмечают, что изменение расстояния необходимо периодически осуществлять, потому что на минимальном станцию тормозит влияние земной атмосферы.

Если бы она перманентно находилась на высоте в четыре сотни километров, такое торможение практически отсутствовало бы. Но МКС проектировалась с учетом существующих на тот момент средств доставки.

Орбиты планет

С тех пор многое изменилось:

• повысились мощности и техническая оснащенность новых космических челноков и модулей, так что МКС не случайно собираются убирать с орбиты в 2024 году, а Россия отказывается от участия в проекте на 4 года раньше;
• это происходит еще и по той простой причине, что такая дальность не является открытым космосом. МКС летает в термосфере, а кроме нее есть еще экзосфера, которая начинается на расстоянии 690 км;
• пилотируемый объект не может летать ниже, чем 200 км, потому что там его сильно тормозит воздух, но и выше 500 – тоже вряд ли, потому что на человеческие экипажи будет сильно влиять радиация.