Почему искусственные спутники не падают на Землю и как они движутся по орбите

Представь, что с большой высоты горизонтально бросили камень. Он летит вперёд и одновременно падает под действием гравитации. Чем выше его скорость, тем дальше он пролетит, прежде чем коснётся земли.

А теперь представь, что скорость настолько большая, что камень падает, а поверхность Земли из-за её кривизны всё время «уходит» из-под него. В результате камень не достигает поверхности, а продолжает двигаться вокруг планеты.

По такому же принципу движется искусственный спутник. Орбитальный полёт — это непрерывное свободное падение вокруг Земли. Космический аппарат движется вперёд с большой скоростью, а гравитация постоянно притягивает его к планете и искривляет траекторию.

Если бы земная гравитация внезапно исчезла, спутник по инерции полетел бы по прямой. Но пока притяжение действует, он всё время отклоняется к Земле. Поэтому спутник не висит в космосе: он постоянно падает, но благодаря высокой скорости снова и снова «промахивается» мимо поверхности.

Чтобы объект двигался по круговой орбите у поверхности Земли, ему нужна скорость около 7,9 км/с, или примерно 28 400 км/ч. Это первая космическая скорость. Такой расчёт предполагает, что атмосфера не мешает движению. На реальной орбите скорость зависит от высоты. Например, Международная космическая станция (МКС) движется со скоростью около 7,7 км/с и облетает Землю примерно за 90 минут.

При первой космической скорости спутник не перестаёт падать. Он движется вперёд достаточно быстро, чтобы во время падения снова и снова «промахиваться» мимо поверхности Земли.

Но почему спутник не улетает в космос? Его скорости для этого недостаточно. Чтобы преодолеть притяжение Земли без дальнейшего разгона, у её поверхности нужна скорость около 11,2 км/с. Её называют второй космической скоростью.

Если скорость спутника изменить, изменится и его орбита. Аппарат может перейти выше или ниже, а круговая орбита может стать вытянутой — эллиптической. Поэтому для движения по заданной орбите важна не просто высокая, а правильно рассчитанная скорость.

Если космический аппарат полностью потеряет горизонтальную скорость, он начнёт падать на Землю под действием гравитации. В реальности аппараты не останавливаются мгновенно, но на низкой околоземной орбите постепенно теряют скорость и энергию из-за сопротивления атмосферы.

На высоте в несколько сотен километров атмосфера очень разрежена, но её частицы всё равно тормозят спутник. Из-за этого его орбита постепенно снижается. Чем ниже оказывается аппарат, тем плотнее атмосфера и тем сильнее торможение.

На этот процесс влияет и солнечная активность. Когда она возрастает, верхние слои атмосферы нагреваются и расширяются. На высоте низких орбит становится больше частиц газа, поэтому спутники испытывают более сильное сопротивление.

Так происходит и с МКС. Чтобы она сохраняла нужную высоту, её орбиту периодически корректируют с помощью двигателей станции или пристыкованных кораблей.

Космические аппараты на достаточно низких орбитах постепенно теряют высоту и со временем могут войти в плотные слои атмосферы. При входе в атмосферу на большой скорости аппарат сильно нагревается и разрушается. Значительная часть конструкции сгорает, плавится или распадается на фрагменты и не достигает поверхности Земли. Однако некоторые крупные детали могут уцелеть и упасть на поверхность.

Риск для людей при таком падении крайне мал. Большая часть Земли покрыта океаном, а многие районы суши малонаселённы. Кроме того, сход с орбиты крупных космических аппаратов по возможности контролируют, чтобы их обломки упали вдали от населённых мест.

Но это не значит, что любой неработающий спутник обязательно упадёт на Землю. На больших высотах атмосфера почти не тормозит аппараты, поэтому они могут оставаться на орбите десятилетиями, столетиями и даже дольше. Например, старые геостационарные спутники обычно переводят немного выше рабочей орбиты — на орбиту захоронения, где они не мешают действующим аппаратам.

Высоту орбиты выбирают в зависимости от задач космического аппарата. От неё зависят скорость движения аппарата, время одного оборота вокруг Земли и площадь поверхности, которую он может охватить. По высоте околоземные орбиты делят на несколько основных областей.

Низкая околоземная орбита

Эта область простирается примерно до 2000 км над поверхностью Земли. Здесь находится МКС — она летает на высоте около 400 км и совершает примерно 16 оборотов вокруг планеты за сутки.

На такой высоте работают многие спутники для наблюдения за Землёй, а также аппараты спутникового интернета, например Starlink. Близость к планете позволяет получать детальные снимки поверхности и уменьшает задержку при передаче сигнала.

Средняя околоземная орбита

Выше находится область средних околоземных орбит. Здесь работают спутники глобальных навигационных систем. Например, аппараты GPS обращаются вокруг Земли на высоте около 20 200 км, а спутники ГЛОНАСС — на близкой по масштабу высоте.

С такой орбиты один аппарат охватывает большую территорию, чем спутник на LEO. Это удобно для навигационных систем, которым нужно обеспечивать сигналом огромные участки Земли.

Геостационарная орбита

Геостационарная орбита расположена на высоте около 35 786 км над экватором. Спутник движется в ту же сторону, в которую вращается Земля, и делает один оборот примерно за сутки.

Поэтому с поверхности Земли кажется, что такой спутник неподвижно висит над одной точкой экватора. Это удобно для спутниковой связи, телевещания и наблюдения за погодой: наземную антенну можно постоянно направлять в одну область неба.

Полярные и солнечно-синхронные орбиты

Орбиты различаются не только по высоте, но и по тому, как они расположены относительно экватора.

• Полярная — проходит вблизи Северного и Южного полюсов. Пока спутник совершает витки, Земля вращается под ним. Благодаря этому аппарат со временем может наблюдать почти всю поверхность планеты.
• Солнечно-синхронная — устроена так, чтобы спутник проходил над одной и той же местностью примерно в одинаковое местное солнечное время. Тогда освещение на снимках получается похожим, и их удобнее сравнивать. Такие орбиты используют для картографии, наблюдения за изменениями на поверхности Земли и изучения погоды.

Ракета-носитель выводит спутник на заданную орбиту в несколько этапов. Сразу после старта она набирает высоту и проходит плотные слои атмосферы. Затем траектория постепенно становится более пологой, чтобы направить аппарат по рассчитанному пути вокруг Земли.

Когда нужные параметры полёта достигнуты, спутник отделяется от ракеты-носителя. Дальше он может раскрыть солнечные батареи и антенны, установить связь с Землёй и начать работу. Если нужно, собственные двигатели помогают скорректировать его положение и движение.

На большую высоту аппараты часто отправляют в несколько этапов. Например, будущий геостационарный спутник сначала может попасть на вытянутую переходную орбиту, а затем с помощью двигателей изменить траекторию и занять расчётное положение.

Таким образом, запуск такого космического аппарата — это не просто подъём в космос, а точный вывод на заранее рассчитанную орбиту.

Спутник постоянно падает к Земле, но высокая скорость позволяет ему снова и снова «промахиваться» мимо поверхности. Так возникает движение вокруг планеты.

На низких орбитах аппараты постепенно тормозит разреженная атмосфера, поэтому со временем они могут терять высоту. Чем дальше от Земли, тем слабее это влияние и тем дольше спутники могут оставаться в космосе.

Спутник не висит над Землёй и не преодолевает её притяжение. Он всё время падает — и именно поэтому движется по орбите.