Proč geostacionární satelity nespadnou na zem? Elementární fyzika: proč satelity nepadají na Zemi? Proč ISS nespadne z oběžné dráhy?

Mezinárodní vesmírná stanice (ISS) je rozsáhlý a možná nejsložitější technický projekt ve své organizaci v celé historii lidstva. Každý den stovky specialistů po celém světě pracují na tom, aby ISS mohla plně plnit svou hlavní funkci – být vědeckou platformou pro studium neomezeného vesmíru a samozřejmě naší planety.

Když sledujete zprávy o ISS, vyvstává mnoho otázek, jak může vesmírná stanice obecně fungovat v extrémních podmínkách vesmíru, jak létá na oběžné dráze a nepadá, jak v ní mohou lidé žít, aniž by trpěli vysokými teplotami a slunečním zářením. .

Po prostudování tohoto tématu a shromáždění všech informací musím přiznat, že místo odpovědí jsem dostal ještě více otázek.

V jaké výšce ISS letí?

ISS létá v termosféře ve výšce přibližně 400 km od Země (pro informaci vzdálenost Země k Měsíci je přibližně 370 tisíc km). Samotná termosféra je atmosférická vrstva, která ve skutečnosti ještě není tak docela prostorem. Tato vrstva sahá od Země do vzdálenosti 80 km až 800 km.

Zvláštností termosféry je, že teplota roste s výškou a může výrazně kolísat. Nad 500 km se zvyšuje úroveň slunečního záření, což může snadno poškodit zařízení a negativně ovlivnit zdraví astronautů. ISS proto nestoupá nad 400 km.

Takto vypadá ISS ze Země

Jaká je teplota mimo ISS?

Na toto téma je velmi málo informací. Různé zdroje říkají různě. Říká se, že ve výšce 150 km může teplota dosáhnout 220-240 ° a ve výšce 200 km více než 500 °. Nad tím teplota stále stoupá a na úrovni 500-600 km už prý přesahuje 1500°.

Podle samotných kosmonautů se ve výšce 400 km, ve které ISS létá, neustále mění teplota v závislosti na světelných a stínových podmínkách. Když je ISS ve stínu, teplota venku klesá na -150°, a pokud je na přímém slunci, teplota stoupá na +150°. A už to není ani parní lázeň v lázeňském domě! Jak vůbec mohou být astronauti ve vesmíru při takových teplotách? Je to opravdu super termo oblek, který je zachraňuje?

Práce astronauta ve vesmíru při +150°

Jaká je teplota uvnitř ISS?

Na rozdíl od teploty venku, uvnitř ISS je možné udržovat stabilní teplotu vhodnou pro lidský život - přibližně +23°. Navíc, jak se to dělá, je zcela nejasné. Pokud je venku např. +150°, jak je možné ochladit teplotu uvnitř stanice nebo naopak a neustále ji udržovat v normálu?

Jak záření ovlivňuje astronauty na ISS?

Ve výšce 400 km je radiace pozadí stokrát vyšší než na Zemi. Proto astronauti na ISS, když se ocitnou na slunečné straně, dostávají úrovně záření, které jsou několikanásobně vyšší než dávka získaná například z rentgenu hrudníku. A během okamžiků silných slunečních erupcí mohou pracovníci stanice užít dávku 50krát vyšší, než je norma. Záhadou také zůstává, jak se jim daří v takových podmínkách dlouhodobě pracovat.

Jak vesmírný prach a úlomky ovlivňují ISS?

Podle NASA je na nízké oběžné dráze kolem Země asi 500 tisíc velkých úlomků (části vyčerpaných stupňů nebo jiné části vesmírných lodí a raket) a stále se neví, jak moc podobných malých úlomků. Všechno toto „dobro“ se točí kolem Země rychlostí 28 tisíc km/h a z nějakého důvodu není přitahováno k Zemi.

Kromě toho existuje kosmický prach - to jsou všechny druhy úlomků meteoritů nebo mikrometeoritů, které planeta neustále přitahuje. Navíc, i když smítko prachu váží jen 1 gram, promění se v pancéřový projektil schopný udělat díru do stanice.

Říká se, že pokud se takové objekty přiblíží k ISS, astronauti změní kurz stanice. Malé úlomky nebo prach ale nelze sledovat, a tak se ukazuje, že ISS je neustále vystavena velkému nebezpečí. Jak se s tím astronauti vyrovnají, je opět nejasné. Ukazuje se, že každý den velmi riskují své životy.

Díra vesmírného odpadu v raketoplánu Endeavour STS-118 vypadá jako díra po kulce

Proč ISS nespadne?

Různé zdroje píší, že ISS nepadá kvůli slabé gravitaci Země a únikové rychlosti stanice. To znamená, že při rotaci kolem Země rychlostí 7,6 km/s (pro informaci, doba oběhu ISS kolem Země je pouze 92 minut 37 sekund), ISS jakoby neustále míjí a nepadá. ISS má navíc motory, které jí umožňují neustále upravovat polohu 400tunového kolosu.

Jedním z největších bohatství lidstva je Mezinárodní vesmírná stanice neboli ISS. Několik států se spojilo, aby jej vytvořilo a provozovalo na oběžné dráze: Rusko, některé evropské země, Kanada, Japonsko a USA. Tento aparát ukazuje, že pokud země neustále spolupracují, lze toho dosáhnout hodně. Každý na planetě o této stanici ví a mnoho lidí se ptá, v jaké výšce ISS létá a na jaké oběžné dráze. Kolik tam bylo astronautů? Je pravda, že tam turisté smí? A to není vše, co je pro lidstvo zajímavé.

Struktura stanice

ISS se skládá ze čtrnácti modulů, ve kterých jsou umístěny laboratoře, sklady, odpočívárny, ložnice a technické místnosti. Stanice má dokonce posilovnu s cvičebním nářadím. Celý tento komplex běží na solárních panelech. Jsou obrovské, velikosti stadionu.

Fakta o ISS

Za dobu svého provozu budila stanice velký obdiv. Tento přístroj je největším úspěchem lidských myslí. Ve svém designu, účelu a vlastnostech jej lze nazvat dokonalostí. Samozřejmě, možná za 100 let začnou na Zemi stavět vesmírné lodě jiného typu, ale prozatím je toto zařízení majetkem lidstva. Dokládají to následující fakta o ISS:

1. Za dobu její existence navštívilo ISS asi dvě stě astronautů. Byli zde i turisté, kteří se prostě přišli podívat na Vesmír z orbitálních výšek.
2. Stanice je viditelná ze Země pouhým okem. Tato struktura je největší mezi umělými satelity a lze ji snadno vidět z povrchu planety bez jakéhokoli zvětšovacího zařízení. Existují mapy, na kterých vidíte, v kolik hodin a kdy zařízení létá nad městy. Pomocí nich můžete snadno najít informace o vaší lokalitě: podívejte se na letový řád nad regionem.
3. Aby astronauti sestavili stanici a udrželi ji v provozuschopném stavu, vydali se do vesmíru více než 150krát a strávili tam asi tisíc hodin.
4. Zařízení ovládá šest astronautů. Systém podpory života zajišťuje nepřetržitou přítomnost lidí na stanici od okamžiku jejího prvního spuštění.
5. Mezinárodní vesmírná stanice je jedinečným místem, kde se provádí široká škála laboratorních experimentů. Vědci činí unikátní objevy v oblasti medicíny, biologie, chemie a fyziky, fyziologie a meteorologických pozorování i v dalších vědních oborech.
6. Zařízení využívá obří solární panely o velikosti fotbalového hřiště s koncovými zónami. Jejich hmotnost je téměř tři sta tisíc kilogramů.
7. Baterie jsou schopny plně zajistit provoz stanice. Jejich práce je pečlivě sledována.
8. Stanice má minidomek vybavený dvěma koupelnami a tělocvičnou.
9. Let je monitorován ze Země. Pro ovládání byly vyvinuty programy skládající se z milionů řádků kódu.

Astronauti

Od prosince 2017 se posádka ISS skládá z těchto astronomů a kosmonautů:

• Anton Shkaplerov - velitel ISS-55. Stanici navštívil dvakrát - v letech 2011-2012 a v letech 2014-2015. Během 2 letů žil na stanici 364 dní.
• Skeet Tingle - palubní inženýr, astronaut NASA. Tento astronaut nemá žádné zkušenosti s lety do vesmíru.
• Norishige Kanai - palubní inženýr, japonský astronaut.
• Alexandr Misurkin. Jeho první let se uskutečnil v roce 2013 a trval 166 dní.
• Macr Vande Hai nemá s létáním žádné zkušenosti.
• Josef Akaba. První let se uskutečnil v roce 2009 v rámci Discovery a druhý let se uskutečnil v roce 2012.

Země z vesmíru

Existují jedinečné pohledy na Zemi z vesmíru. Dokládají to fotografie a videa astronautů a kosmonautů. Práci stanice a vesmírné krajiny můžete vidět, pokud budete sledovat online přenosy ze stanice ISS. Některé kamery jsou však z důvodu údržby vypnuté.

Atmosféra naší planety nás chrání před ultrafialovým zářením a před četnými meteority přibližujícími se k Zemi. Většina z nich úplně shoří v hustých vrstvách atmosféry, stejně jako vesmírný odpad padající z oběžné dráhy. Tato okolnost je ale pro vesmírný průmysl velkým problémem, protože astronauty je potřeba nejen vyslat na oběžnou dráhu, ale také se vrátit zpět. Ale astronauti bezpečně dokončí svůj pobyt na Mezinárodní vesmírné stanici a vrátí se ve speciálních kapslích, které neshoří v atmosféře. Dnes se podíváme na to, proč se tak děje.

Kosmické lodě, stejně jako mimozemské objekty, trpí ničivými účinky atmosféry. S aerodynamickým odporem plynných vrstev atmosféry se povrch jakéhokoli tělesa pohybujícího se významnou rychlostí zahřeje na kritické hodnoty. Proto museli konstruktéři vynaložit velké úsilí na vyřešení tohoto problému. Technologie ochrany vesmírné technologie před takovými účinky se nazývá ablativní ochrana. Zahrnuje povrchovou vrstvu na bázi sloučenin obsahujících azbest, která je nanesena na vnější část letadla a je částečně zničena, ale umožňuje zachování neporušené samotné kosmické lodi.

Návrat astronautů z ISS na Zemi probíhá ve speciální kapsli, která je umístěna na lodi Sojuz. Po odpojení od ISS se loď začne pohybovat směrem k Zemi a ve výšce asi 140 kilometrů se rozpadne na tři části. Přístrojové a užitkové prostory kosmické lodi Sojuz zcela shoří v atmosféře, ale sestupové vozidlo s astronauty má ochrannou vrstvu a pokračuje v pohybu. Přibližně ve výšce asi 8,5 kilometru se uvolní brzdící padák, který výrazně zpomalí rychlost a připraví zařízení na přistání.

Když se podíváte na fotografie kapslí s astronauty po jejich přistání, můžete vidět, že jsou téměř černé barvy a mají stopy hoření v důsledku průletu vrstvami atmosféry.

Nebo proč nepadají satelity? Dráha satelitu je křehkou rovnováhou mezi setrvačností a gravitací. Gravitační síla neustále táhne satelit směrem k Zemi, zatímco setrvačnost satelitu má tendenci udržovat jeho pohyb přímo. Pokud by neexistovala gravitace, setrvačnost satelitu by jej poslala přímo z oběžné dráhy Země do vesmíru. V každém bodě oběžné dráhy však gravitace udržuje satelit připoutaný.

Pro dosažení rovnováhy mezi setrvačností a gravitací musí mít satelit přesně definovanou rychlost. Pokud letí příliš rychle, setrvačnost překoná gravitaci a satelit opustí oběžnou dráhu. (Výpočet tzv. druhé únikové rychlosti, která umožňuje družici opustit oběžnou dráhu Země, hraje důležitou roli při startu meziplanetárních vesmírných stanic.) Pokud se družice pohybuje příliš pomalu, gravitace zvítězí v boji se setrvačností a družice bude spadnout na Zemi. Přesně to se stalo v roce 1979, kdy americká orbitální stanice Skylab začala upadat v důsledku rostoucího odporu horních vrstev zemské atmosféry. Stanice, uvězněná v železném sevření gravitace, brzy spadla na Zemi.

Rychlost a vzdálenost

Protože zemská gravitace se vzdáleností slábne, rychlost potřebná k udržení satelitu na oběžné dráze se mění s výškou. Inženýři dokážou vypočítat, jak rychle a jak vysoko by měl satelit obíhat. Například geostacionární družice, umístěná vždy nad stejným bodem na zemském povrchu, musí provést jeden oběh za 24 hodin (což odpovídá době jedné otáčky Země kolem své osy) ve výšce 357 kilometrů.

Gravitace a setrvačnost

Vyvažování satelitu mezi gravitací a setrvačností lze simulovat otáčením závaží na laně, které je k němu připojeno. Setrvačnost břemene má tendenci jej oddalovat od středu otáčení, zatímco napětí lana působící jako gravitace udržuje břemeno na kruhové dráze. Pokud se lano přeřízne, náklad odletí po přímé dráze kolmé na poloměr jeho oběžné dráhy.