Что такое орбита простыми словами: как устроены космические дороги
Все в космосе находится в постоянном движении — от крошечных частиц до гигантских галактик. Но это движение не хаотично: оно подчиняется строгим законам. Рассказываем, что заставляет планеты, спутники и даже звезды следовать по своим невидимым путям.
Каждое небесное тело, от планет до астероидов, а также все искусственные спутники следуют по определенному пути. Его называют орбитой. Орбиты существуют благодаря идеальному балансу между двумя сущностями: инерцией, толкающей тело вперед, и гравитацией, которая изгибает его траекторию.
Что такое орбита простыми словами
Орбита — это путь, по которому одно тело движется в гравитационном поле другого, более массивного. Планеты вращаются вокруг Солнца, Луна и искусственные спутники — вокруг Земли, а частицы — вокруг ядра атома. Орбиты бывают разных форм. Чаще всего они эллиптические, но случаются и круговые, поскольку окружность — частный случай эллипса. Круговые и эллиптические орбиты называются замкнутыми, потому что объект, движущийся по ним, привязан гравитацией к центральному телу и будет вращаться вокруг него снова и снова. Существуют также гиперболические и параболические орбиты: тела в них не замкнуты и могут не вернуться на прошлое место. В астрономии их наблюдают у межзвездных объектов. О них расскажем ниже.
Инерция и гравитация позволяют телам двигаться по орбитам, которые описываются законами классической механики Ньютона. Инерция — это свойство объекта сохранять свое состояние покоя или равномерного движения, если на него не действуют внешние силы. Гравитация, напротив, преодолевает инерцию, удерживая объекты на орбитах.
Более легкое тело на орбите летит по касательной и одновременно падает к центру тяжести более тяжелого. Если бы гравитации не было, тело продолжило бы движение по прямой, но притяжение постоянно изгибает его траекторию. Но если скорость, направленная перпендикулярно вектору гравитации, равна или больше определенного значения, легкое тело никогда не достигнет поверхности тяжелого, а будет летать вокруг него по плавной замкнутой траектории.
Элементы орбиты
Хотя простейшая орбита — это окружность, большинство небесных тел движется по эллипсам. Важные параметры орбиты:
Большая полуось — отрезок, проведенный из центра к наиболее удаленной точке эллипса. Расстояние от спутника до центрального тела всегда будет меньше или равно большой полуоси.
Эксцентриситет — это показатель формы орбиты, он определяет, насколько траектория движения объекта (например, планеты или спутника) отличается от идеального круга. Чем больше эксцентриситет, тем более вытянута орбита. В зависимости от величины эксцентриситета орбита может иметь форму эллипса, параболы или гиперболы. Для идеальной окружности эксцентриситет равен 0; для параболы — 1; для гиперболы — больше 1. Так, например, эксцентриситет орбиты межзвездного объекта Оумуамуа составляет 1,2. У него гиперболическая орбита. Это значит, что объект не замкнут в пределах Солнечной системы и покинет ее навсегда.
Перицентр и апоцентр — ближайшая и самая дальняя точки орбиты. Для спутников Земли эти точки называют перигеем и апогеем.
Орбитальный период — время, за которое небесное тело совершает полный оборот по своей орбите вокруг центра притяжения или вокруг общего центра масс с другим телом. Это время зависит от массы центрального тела и расстояния до него, что следует из законов Ньютона и Кеплера. Для спутников на низких околоземных орбитах это 1,5–2 часа, а для геостационарной орбиты — ровно сутки.
Наклонение — угол между плоскостью орбиты и экваториальной плоскостью. Например, полярная орбита имеет наклонение ~90°, геостационарная - 0°.
Орбиты Земли и других планет
Орбита Земли вокруг Солнца почти круглая: эксцентриситет составляет всего 0,0167. Расстояние от Земли до Солнца в среднем составляет около 149,6 миллиона километров. Оно меняется незначительно, поэтому смена сезонов связана главным образом с наклоном земной оси. Однако форма орбиты со временем изменяется из‑за гравитационного влияния других планет. Притяжение Юпитера и Сатурна делает орбиту Земли то более вытянутой, то более округлой. Сейчас орбита постепенно становится круглее и от этого меняется длина сезонов.
Орбиты других планет отличаются от нашей. Например, у Меркурия эксцентриситет гораздо выше — 0,2056. Из-за такой вытянутой орбиты Меркурий в разные моменты времени находится на разном расстоянии от Солнца и движется с разной скоростью. Находясь ближе к Солнцу в точке перигелия, он ускоряется, а удаляясь, в афелии, он замедляется. Эксцентриситет у Марса (0,0934) ученые называют умеренным. Дальние планеты движутся по почти круговым орбитам, но делают полный оборот за десятки земных лет. Например, эксцентриситет орбиты Урана составляет 0,047, то есть она вполне круглая. Но Уран находится на расстоянии от 2,6 до 3,15 млрд км от светила, из-за чего один оборот вокруг Солнца занимает 84 земных года.
Международная космическая станция
МКС обращается на орбите высотой около 420 километров и облетает Землю со скоростью около 7,7 километра в секунду примерно за 90 минут, то есть 16 раз в сутки. Орбита станции почти круговая: наиболее удаленная точка от нашей планеты (апогей) и ближайшая к ней точка (перигей) различаются на несколько километров.
Параболические и гиперболические орбиты
Это орбиты тел, которые движутся вокруг центрального тела с силой, достаточной для преодоления его притяжения. Их называют незамкнутыми. В случае нашей Солнечной системы такие орбиты наблюдаются у межзвездных объектов.
Параболическая орбита: билет в один конец
Параболическая орбита — это минимально возможная незамкнутая орбита. Объект на такой орбите имеет в точности ту скорость, которая необходима, чтобы преодолеть гравитационное притяжение центрального тела. Эту скорость называют второй космической скоростью или скоростью убегания.
Небесное тело, например, комета, прилетает из глубин космоса, огибает Солнце и улетает обратно в бесконечность. Если ее скорость в момент пролета около Солнца будет равна скорости убегания, то ее траектория будет иметь форму параболы. Она никогда не вернется.
Ключевая особенность параболического движения в том, что у объекта ровно столько энергии, чтобы «убежать» от гравитации и никогда не вернуться. Важно отметить, что при «убегании» на тело все равно будет действовать гравитация – например, замедлять его движение. Но этого воздействия будет недостаточно, чтобы замкнуть его траекторию и заставить его вернуться на прежнее место.
В реальности идеальные параболические орбиты встречаются крайне редко.
Гиперболическая орбита: с запасом энергии
Гиперболическая орбита — это тоже незамкнутая орбита, но объект на ней движется быстрее скорости убегания. У него больше энергии, чем необходимо для преодоления гравитации центрального тела. Такой объект также прилетает из космоса, огибает центральное тело и улетает навсегда.
В таком случае у объекта избыток энергии, он гарантированно покидает систему и улетает в бесконечность, имея некоторую остаточную скорость.
Примерами тел с такими орбитами служат межзвездные объекты. Например, астероид Оумуамуа и комета 2I/Borisov стали первыми обнаруженными объектами, которые прилетели в нашу Солнечную систему из межзвездного пространства. Их траектории были гиперболическими.
Такие же траектории были и у некоторых космических аппаратов. Например, когда NASA запустило «Вояджеры» к границам Солнечной системы, их разогнали до скоростей, превышающих вторую космическую. Поэтому их орбиты гиперболические относительно Солнца.
Виды орбит спутников
Геостационарная орбита (ГСО)
Геостационарная орбита располагается над экватором на высоте 35 786 км от поверхности Земли. Спутник на такой орбите летает со скоростью примерно 3,07 километра в секунду, делая полный оборот за 23 ч 56 мин. Он вращается синхронно с планетой и наблюдателю кажется, что аппарат висит над одной точкой. Это удобно для работы ряда прикладных космических аппаратов связи, метеорологии и ретрансляции данных.
Современная российская геостационарная группировка включает аппараты «Ямал», «Экспресс», «Луч» и «Электро-Л». Аналогичные орбиты чаще используют спутники связи и других стран. Недостатки геостационарных спутников — задержка сигнала (около 240 мс) и ограниченная видимость полярных регионов.
Низкая околоземная орбита (НОО)
НОО — это орбиты высотой до ~2000 км. Спутники здесь движутся со скоростями от 7,8 до 6,9 километра в секунду, делая полный оборот за 90—130 минут. Эти орбиты сейчас используются для пилотируемых полетов и детального наблюдения Земли: с них работают метеорологические аппараты серии «Метеор-М», оптические спутники «Ресурс-П» и радиолокационные «Кондор-ФКА». Тут же расположены научные спутники «Ионосфера-М». В нижнюю зону этой области чаще всего запускают кубсаты для научных исследований и технологических экспериментов.
Однако для большинства людей эти орбиты сегодня в первую очередь ассоциируются с высокоскоростным интернетом от систем вроде Starlink или «Рассвет». Такие группировки содержат множество спутников, размещенных на относительно небольших высотах, от 400 до 800 км, что обеспечивает их ключевое преимущество — низкую задержку сигнала. Чтобы гарантировать полное покрытие планеты и обслуживать огромное количество абонентов, необходимы целые созвездия аппаратов. Именно поэтому группировки для глобального интернета, как в случае со Starlink, проектируются из десятков тысяч спутников.
Что известно о системе «Рассвет» и когда заработает российский аналог Starlink
Основное достоинство НОО — достижимость (спутник на такую орбиту вывести сравнительно легко, поскольку затраты энергетики при таких запусках наименьшие), низкая задержка сигнала для связи и близость к Земле для аппаратов ДЗЗ. Ее главный недостаток — быстрое перемещение аппарата по отношению к земной поверхности. Для постоянного наблюдения одного региона требуется группировка из десятков аппаратов. Кроме того, низкая орбита подвержена аэродинамическому торможению в верхних слоях атмосферы. Плотность последней меняется из‑за солнечной активности, и спутники должны регулярно корректировать орбиту, чтобы не упасть на Землю.
Каким образом геомагнитные бури вредят космонавтике
Однако подниматься выше НОО также опасно: верхняя зона таких орбит лежит во внутреннем радиационном поясе Земли, где магнитное поле удерживает высокоэнергичные заряженные частицы (протоны и электроны), прилетевшие из дальнего космоса. Прохождение через радиационные пояса снижает ресурс космических аппаратов из-за ионизирующего излучения, которое влияет на материалы и оборудование. Это воздействие характерно для орбит, пролегающих от высоты ионосферы и до стационара.
Повышенная радиация здесь вызывает ухудшение свойств материалов и бортовых систем, например, снижение эффективности солнечных батарей, внезапные отказы аппаратуры из-за удара одиночных протонов и тяжелых ионов, а также помутнение оптических поверхностей, таких как солнечные батареи и оптические датчики.
Как советская спутниковая программа «Электрон» изучала радиационные пояса
Солнечно‑синхронная орбита (ССО)
Солнечно‑синхронная орбита — частный случай НОО: спутник на такой орбите проходит над одной точкой Земли в одно и то же местное солнечное время. От других орбит ССО отличаются прямой связью между наклонением и высотой. Для ССО высотой 400 км наклонение составляет 97,02°, высотой 600 км — 97,78°, а для орбит высотой 1 400 км — 101,42°. Спутники на ССО имеют важные преимущества: они могут постоянно направлять солнечные батареи на светило, что обеспечивает оптимальные условия освещения панелей в течение всего витка. Кроме того, спутник на ССО видит наземные объекты в одно и то же местное солнечное время, что позволяет получать снимки в одинаковых условиях освещенности. Это важно для мониторинга облачности, растительности и городской застройки. Также постоянная ориентация спутника относительно Солнца и орбиты облегчает наведение антенн для межспутниковой связи в случае использования орбитальной группировки.
Космический аппарат «Метеор-Природа» № 2-2, запущенный 20 июня 1977 года с космодрома Плесецк, стал первым отечественным спутником, работающим на ССО. Сейчас на ССО находятся гелиогеофизические космические аппараты «Ионосфера-М» №1 и №2 и спутники дистанционного зондирования «Канопус-В», «Метеор-М», «Ресурс-П» и «Кондор-ФКА».
Средневысотные орбиты
Околоземные орбиты средней высоты — от 2 до 36 тысяч километров от поверхности — чаще всего используются для навигационных спутников. В частности, американские аппараты GPS вращаются на высоте 20,2 тысячи километров, российские ГЛОНАСС, европейские Galileo и китайские BeiDou —- на высотах 19,1, 23,2 и 21,53 тысячи километров соответственно. На средневысотных орбитах могут располагаться многоспутниковые группировки передачи данных, например, O3b и O3b mPOWER для широкополосной связи и покрытия полюсов.
Полярная орбита
Полярная орбита отличается наклонением. Она проходит через северный и южный полюса, и наклон ее плоскости составляет около 90°, хотя чаще всего используются чуть большие или чуть меньшие наклонения. Каждый виток орбиты полярного спутника перекрывает предыдущий на один меридиан. Благодаря вращению Земли под орбитой проходят разные территории, и спутник постепенно покрывает всю поверхность планеты. Такие орбиты используют для научных экспедиций и картографирования. Они часто имеют высоту 600–800 км.
Очень интересна высокоэллиптическая орбита типа «Молния», апогей которой находится над северным полюсом. Она не относится к полярной — ее наклонение меньше 90° — но при малом перигее спутник обращается по такой орбите в течение двух часов и большую часть времени обозревает верхнюю часть земного шара, в том числе высокие широты, недоступные для геостационарной орбиты. Здесь работают отечественные метеоспутники «Арктика-М». Группировка сменяющих друг друга аппаратов позволяет непрерывно наблюдать за северными территориями России и Арктики.
Точки Лагранжа
В системе из двух массивных небесных тел, где присутствует третье тело с крайне малой массой, существуют особые места, в которых это малое тело может оставаться неподвижным относительно первых двух. Здесь сила гравитации и центростремительное ускорение уравновешиваются. Эти места называются точками Лагранжа, или точками либрации. В системах двух крупных тел существуют пять подобных точек. Они позволяют космическим аппаратам «зависать» в определенных местах относительно Земли и Солнца, затрачивая минимум топлива.
В точке L1 между Землей и Солнцем работают солнечные обсерватории, наблюдающие солнечную корону.
В точке L2, расположенной на линии Солнце-Земля с противоположной от Солнца стороны, размещают важнейшие космические телескопы. Им нужен постоянный температурный режим, и эта точка идеально подходит, поскольку Земля закрывает их от солнечного тепла. Например, здесь работают знаменитый «Джеймс Уэбб» и российский «Спектр-РГ», удостоенный престижной международной премии имени Марселя Гроссмана. Они движутся по гало-орбите вокруг L2, постоянно оставаясь в тени нашей планеты.
Точки L4 и L5 находятся на орбите Земли, но одна из них опережает планету на 60 градусов, а другая — отстает на тот же угол. В этих стабильных областях могут накапливаться астероиды и пылевые облака.
Частые вопросы
Почему орбиты эллиптические?
Идеальная круговая орбита возможна лишь при строгом совпадении начальной скорости и точки приложения силы тяжести. Любое отклонение приводит к появлению эллипса. В модели Ньютона сумма кинетической и потенциальной энергии определяет форму орбиты. Эта форма являет собой частный случай конического сечения, т.е. представляет кривые, возникающие при пересечении конуса с плоскостью. Таких кривых известны три — эллипс (частный случай — окружность), парабола и гипербола. По этим кривым и возможно движение двух тел в гравитационном поле.
Почему спутники не падают на Землю?
Космический аппарат держится на орбите благодаря балансу между гравитацией и инерцией, определяемой скоростью движения. Объект с достаточной горизонтальной скоростью постоянно падает на Землю, но из‑за кривизны планеты поверхность все время «убегает» от него. Спутники находятся в постоянном свободном падении, но при этом движутся по орбите с достаточной скоростью, чтобы промахиваться мимо поверхности планеты. Впрочем, иногда из-за торможения в верхних слоях атмосферы спутники теряют скорость и все же падают.
Что определяет форму орбиты?
Форму орбиты космического аппарата определяют скорость, высота и угол запуска («азимут пуска»), а также силы, действующие на аппарат после отделения от ракеты-носителя: гравитация планет, сопротивление атмосферы и давление солнечного излучения.
Гравитационное воздействие крупных планет меняет эксцентриситет орбит небесных тел. Например, притяжение Юпитера и Сатурна периодически делает земную орбиту более вытянутой или округлой.
Для спутников на низких орбитах главное внешнее воздействие — сопротивление атмосферы, на которое влияет солнечная активность. Аэродинамическое торможение в атмосфере уменьшает высоту орбиты и требует коррекций.
Как выбирают орбиту космического аппарата?
В первом приближении выбор орбиты зависит от параметров задачи, которая ставится перед космическим аппаратом, например, области обзора земной поверхности (или небесной сферы), требуемого времени наблюдения, задержки связи и других особенностей целевой полезной нагрузки. Инженеры учитывают требуемую скорость передачи данных, разрешение изображений и энергетические параметры, выбирая между геостационарной, низкой, средней или солнечно‑синхронной орбитой.
Геостационарные аппараты обеспечивают постоянное покрытие большой территории, но имеют задержку сигнала; низкие орбиты дают высокое разрешение, но требуют множества спутников.
Параметры орбиты (главным образом ее высота и наклонение) назначаются исходя из таких соображений, как место расположения космодрома (точки старта), трасса запуска (наличие полей падения отработавших ступеней и головных обтекателей ракет) и энергетические возможности средств выведения. Чем выше высота и чем сильнее наклонение отличается от широты точки старта, тем меньше будет полезная нагрузка, выводимая ракетой-носителем. В любом случае выбор целевой орбиты — это решение комплексной задачи, учитывающей множество факторов.
Можно ли изменить орбиту планеты или астероида?
Изменить орбиту большого тела непросто. У человечества сейчас нет таких ресурсов. В 2022 году NASA провело первый эксперимент по изменению орбиты астероида — миссию DART. Она была направлена на изучение возможности отклонения небесного тела путем кинетического удара. Целью стал двойной астероид Дидим, у которого есть спутник Диморф. Инженеры ударили по нему зондом массой 610 кг и зафиксировали изменение орбиты астероида. Эксперимент был удачным, но изменение орбиты было минимальным. Как объяснил астроном Леонид Еленин, это все равно что стрелять комаром по большому поезду.
Леонид Еленин об астероидно-кометной угрозе и изменениях орбит малых небесных тел
Для крупных планет потребовались бы колоссальные энергозатраты; но для таких небесных тел, как астероиды, постоянные малые воздействия (например, удар или даже простой пролет рядом с ними космических аппаратов) со временем могут приводить к изменениям параметров орбиты.
Как рассчитывают и подбирают траекторию запуска?
Расчет орбиты основан на законах механики Ньютона и гравитации. Инженеры используют численные модели, учитывающие массу Земли, атмосферное сопротивление и влияние Солнца и Луны. Однако в первом приближении достаточно знать энергетические характеристики средства выведения и так составить уравнение его движения, чтобы в конечный момент сообщить полезной нагрузке скорость (как по абсолютному значению, так и по направлению), соответствующую первой космической для целевой орбиты. Уже затем можно включить корректирующие двигатели (если они есть), которые изменяют высоту, наклон и эксцентриситет.
Для сложных энергоемких экспедиций (например, полета к планетам, в дальний космос или к точкам Лагранжа) траектория рассчитывается так, чтобы минимизировать энергозатраты (максимально повысить массу выводимого полезного груза) и воспользоваться гравитационными маневрами.
Как Луна и солнечный ветер влияют на орбиты?
Гравитация Луны вызывает приливные эффекты, влияя на вращение Земли и искажая траекторию движения искусственных спутников, изменяя со временем плоскость и высоту орбит. На низких околоземных орбитах это незаметно, но с увеличением высоты орбиты влияние Луны усиливается. За пределами точки Лагранжа L1 лунное притяжение доминирует над земным.
Солнечный ветер и активность Солнца влияют на плотность верхней атмосферы; когда солнечная активность повышается, атмосфера расширяется («вспухает»), и аэродинамическое сопротивление для спутников на низких орбитах возрастает.
Все эти эффекты учитываются при расчетах динамики орбиты космического аппарата.
Отличаются ли подходы у разных космических агентств?
У национальных космических агентств есть свои приоритеты и подходы, но физика орбит одинакова для всех. Различия в задачах и акцентах диктуются возможностями страны и требованиями конкретной миссии, однако в реальности портфели проектов у ведущих держав очень диверсифицированы. Например, пока NASA и Европейское космическое агентство планируют создание пилотируемой инфраструктуры вблизи Луны, американские частные компании активно разворачивают в низкой околоземной орбите многотысячные группировки Starlink. В то же время и Россия не ограничивается лишь околоземным пространством, продолжая запускать к точкам Лагранжа уникальные космические телескопы, такие как «Спектр-РГ», и разрабатывая будущие обсерватории «Спектр-УФ» и «Миллиметрон».
Таким образом, несмотря на то что Россия сегодня делает особый акцент на создании низкоорбитальных спутниковых группировок, что заложено в новой версии нацпроекта по космосу, ее интересы гораздо шире. В планах — вывод на высокоширотную полярную орбиту новой национальной станции (РОС), а на высокоэллиптические орбиты типа «Молния» уже выводятся аппараты «Арктика-М».
Такой комплексный подход подтверждает, что нашей стране важно присутствовать везде. Глава Роскосмоса Дмитрий Баканов объяснил почему.
