מדוע לוויינים גיאוסטציונריים לא נופלים לכדור הארץ? פיזיקה יסודית: מדוע לוויינים לא נופלים לכדור הארץ? מדוע ה-ISS לא נופל ממסלול?

תחנת החלל הבינלאומית (ISS) היא פרויקט רחב היקף, ואולי, הפרויקט הטכני המורכב ביותר בארגונו בכל ההיסטוריה של האנושות. מדי יום, מאות מומחים ברחבי העולם פועלים להבטיח ש-ISS תוכל למלא במלואה את תפקידה העיקרי - להיות פלטפורמה מדעית לחקר החלל חסר הגבולות וכמובן, הפלנטה שלנו.

כשצופים בחדשות על ה-ISS עולות שאלות רבות לגבי איך תחנת החלל יכולה לפעול בדרך כלל בתנאי חלל קיצוניים, איך היא טסה במסלול ואינה נופלת, איך אנשים יכולים לחיות בה מבלי לסבול מטמפרטורות גבוהות וקרינת שמש. .

לאחר שלמדתי את הנושא הזה ואספתי את כל המידע יחד, אני חייב להודות שבמקום תשובות קיבלתי אפילו יותר שאלות.

באיזה גובה טס ה-ISS?

ה-ISS טס בתרמוספירה בגובה של כ-400 ק"מ מכדור הארץ (למידע, המרחק מכדור הארץ לירח הוא כ-370 אלף ק"מ). התרמוספירה עצמה היא שכבה אטמוספרית, שלמעשה היא עדיין לא ממש מקום. שכבה זו משתרעת מכדור הארץ למרחק של 80 ק"מ עד 800 ק"מ.

הייחודיות של התרמוספירה היא שהטמפרטורה עולה עם הגובה ויכולה להשתנות באופן משמעותי. מעל 500 ק"מ עולה רמת קרינת השמש, מה שעלול לפגוע בקלות בציוד ולהשפיע לרעה על בריאותם של האסטרונאוטים. לכן, ה-ISS אינו מתנשא מעל 400 ק"מ.

כך נראית ה-ISS מכדור הארץ

מהי הטמפרטורה מחוץ ל-ISS?

יש מעט מאוד מידע על הנושא הזה. מקורות שונים אומרים אחרת. הם אומרים שברמה של 150 ק"מ הטמפרטורה יכולה להגיע ל-220-240°, וברמה של 200 ק"מ יותר מ-500°. מעל זה הטמפרטורה ממשיכה לעלות וברמה של 500-600 ק"מ היא כביכול כבר עולה על 1500°.

לדברי הקוסמונאוטים עצמם, בגובה של 400 ק"מ, שבו טסה ה-ISS, הטמפרטורה משתנה ללא הרף בהתאם לתנאי האור והצל. כאשר ה-ISS נמצא בצל, הטמפרטורה בחוץ יורדת ל-150°, ואם הוא באור שמש ישיר, הטמפרטורה עולה ל-150°+. וזה אפילו לא חדר אדים בבית מרחץ יותר! איך אסטרונאוטים יכולים בכלל להיות בחלל החיצון בטמפרטורות כאלה? האם זו באמת חליפה תרמית שמצילה אותם?

עבודת אסטרונאוט בחלל החיצון ב-+150°

מהי הטמפרטורה בתוך ISS?

בניגוד לטמפרטורה בחוץ, בתוך ה-ISS ניתן לשמור על טמפרטורה יציבה המתאימה לחיי אדם - בערך +23°. יתרה מכך, כיצד זה נעשה אינו ברור לחלוטין. אם זה, למשל, +150° בחוץ, איך אתה יכול לקרר את הטמפרטורה בתוך התחנה או להיפך ולשמור על זה כל הזמן נורמלי?

כיצד משפיעה קרינה על אסטרונאוטים ב-ISS?

בגובה של 400 ק"מ, קרינת הרקע גבוהה פי מאות מונים מאשר על כדור הארץ. לכן, אסטרונאוטים ב-ISS, כשהם מוצאים את עצמם בצד שטוף השמש, מקבלים רמות קרינה גבוהות פי כמה מהמינון המתקבל, למשל, מצילום חזה. וברגעים של התלקחויות סולריות חזקות, עובדי התחנה יכולים לקחת מינון גבוה פי 50 מהנורמה. גם איך הם מצליחים לעבוד בתנאים כאלה לאורך זמן נותר בגדר תעלומה.

כיצד אבק חלל ופסולת משפיעים על ISS?

על פי נאס"א, יש כ-500 אלף פסולת גדולה במסלול נמוך של כדור הארץ (חלקים משלבים מושקעים או חלקים אחרים של חלליות ורקטות) ועדיין לא ידוע כמה פסולת קטנה דומה. כל ה"טוב" הזה מסתובב סביב כדור הארץ במהירות של 28 אלף קמ"ש ומשום מה לא נמשך לכדור הארץ.

בנוסף, יש אבק קוסמי - אלה כל מיני שברי מטאוריטים או מיקרומטאוריטים שנמשכים כל הזמן על ידי כוכב הלכת. יתרה מכך, גם אם כתם אבק שוקל גרם אחד בלבד, הוא הופך לקליע חודר שריון המסוגל ליצור חור בתחנה.

הם אומרים שאם עצמים כאלה מתקרבים ל-ISS, האסטרונאוטים משנים את מהלך התחנה. אבל אי אפשר לעקוב אחר פסולת קטנה או אבק, אז מסתבר שה-ISS חשופה כל הזמן לסכנה גדולה. איך האסטרונאוטים מתמודדים עם זה שוב לא ברור. מסתבר שבכל יום הם מסכנים מאוד את חייהם.

חור פסולת חלל במעבורת Endeavour STS-118 נראה כמו חור כדור

למה ה-ISS לא נופל?

מקורות שונים כותבים כי ה-ISS אינו נופל עקב כוח הכבידה החלש של כדור הארץ ומהירות הבריחה של התחנה. כלומר, מסתובב סביב כדור הארץ במהירות של 7.6 קמ"ש (למידע, תקופת הסיבוב של ה-ISS סביב כדור הארץ היא רק 92 דקות 37 שניות), נראה שה-ISS מחטיא כל הזמן ואינו נופל. בנוסף, ל-ISS יש מנועים המאפשרים לה להתאים כל הזמן את מיקום הקולוסוס במשקל 400 טון.

אחד הנכסים הגדולים ביותר של האנושות הוא תחנת החלל הבינלאומית, או ISS. כמה מדינות התאחדו כדי ליצור אותו ולהפעיל אותו במסלול: רוסיה, כמה מדינות באירופה, קנדה, יפן וארה"ב. המנגנון הזה מראה שאפשר להשיג הרבה אם מדינות ישתפו פעולה כל הזמן. כולם על הפלנטה יודעים על התחנה הזו ואנשים רבים שואלים שאלות באיזה גובה טס ה-ISS ובאיזה מסלול. כמה אסטרונאוטים היו שם? האם זה נכון שמותר לתיירים שם? וזה לא כל מה שמעניין את האנושות.

מבנה התחנה

ה-ISS מורכב מארבעה עשר מודולים, המאכלסים מעבדות, מחסנים, חדרי מנוחה, חדרי שינה וחדרי שירות. בתחנה יש אפילו חדר כושר עם ציוד כושר. כל המתחם הזה פועל על פאנלים סולאריים. הם ענקיים, בגודל של אצטדיון.

עובדות על ISS

במהלך הפעלתה עוררה התחנה התפעלות רבה. המנגנון הזה הוא ההישג הגדול ביותר של המוחות האנושיים. בעיצובו, מטרתו ותכונותיו, אפשר לקרוא לזה שלמות. כמובן, אולי בעוד 100 שנים יתחילו לבנות חלליות מסוג אחר על פני כדור הארץ, אבל לעת עתה, היום, המכשיר הזה הוא רכוש האנושות. יעידו על כך העובדות הבאות על ISS:

1. במהלך קיומו, כמאתיים אסטרונאוטים ביקרו ב-ISS. היו כאן גם תיירים שפשוט באו להסתכל על היקום מגובה מסלול.
2. התחנה נראית מכדור הארץ בעין בלתי מזוינת. מבנה זה הוא הגדול ביותר מבין לוויינים מלאכותיים וניתן לראות אותו בקלות מפני השטח של כדור הארץ ללא כל מכשיר הגדלה. ישנן מפות בהן ניתן לראות באיזו שעה ומתי המכשיר טס מעל ערים. באמצעותם תוכלו למצוא בקלות מידע על היישוב שלכם: עיין בלוח הטיסות באזור.
3. כדי להרכיב את התחנה ולתחזק אותה במצב תקין, האסטרונאוטים יצאו לחלל החיצון יותר מ-150 פעמים, ובילו בה כאלף שעות.
4. המכשיר נשלט על ידי שישה אסטרונאוטים. מערכת תומכת החיים מבטיחה נוכחות רציפה של אנשים בתחנה מרגע השקתה לראשונה.
5. תחנת החלל הבינלאומית היא מקום ייחודי בו נערכים מגוון רחב של ניסויי מעבדה. מדענים מגלים תגליות ייחודיות בתחומי הרפואה, ביולוגיה, כימיה ופיזיקה, פיזיולוגיה ותצפיות מטאורולוגיות, וכן בתחומי מדע נוספים.
6. המכשיר משתמש בפאנלים סולאריים ענקיים בגודל של מגרש כדורגל עם אזורי הקצה שלו. משקלם הוא כמעט שלוש מאות אלף קילוגרמים.
7. הסוללות מסוגלות להבטיח באופן מלא את פעולת התחנה. עבודתם מפוקחת בקפידה.
8. בתחנה יש מיני-בית המצויד בשני חדרי רחצה וחדר כושר.
9. הטיסה מנוטרת מכדור הארץ. תוכנות המורכבות ממיליוני שורות קוד פותחו לשליטה.

אסטרונאוטים

מאז דצמבר 2017, צוות ISS מורכב מהאסטרונומים והקוסמונאוטים הבאים:

• אנטון שקפלרוב - מפקד ISS-55. הוא ביקר בתחנה פעמיים - ב-2011-2012 וב-2014-2015. במהלך 2 טיסות הוא התגורר בתחנה במשך 364 ימים.
• סקיט טינגל - מהנדס טיסה, אסטרונאוט של נאס"א. לאסטרונאוט הזה אין ניסיון בטיסה בחלל.
• Norishige Kanai - מהנדס טיסה, אסטרונאוט יפני.
• אלכסנדר מיסורקין. הטיסה הראשונה שלו בוצעה ב-2013, שנמשכה 166 ימים.
• ל-Macr Vande Hai אין ניסיון בטיסה.
• יוסף עקבה. הטיסה הראשונה בוצעה ב-2009 במסגרת דיסקברי, והטיסה השנייה בוצעה ב-2012.

כדור הארץ מהחלל

יש תצוגות ייחודיות של כדור הארץ מהחלל. עדות לכך תצלומים וסרטונים של אסטרונאוטים וקוסמונאוטים. ניתן לראות את עבודת התחנה ונופי החלל אם תצפו בשידורים מקוונים מתחנת ISS. עם זאת, חלק מהמצלמות כבויות עקב עבודות תחזוקה.

האטמוספירה של הפלנטה שלנו מגינה עלינו מפני קרינה אולטרה סגולה ומפני מטאוריטים רבים המתקרבים לכדור הארץ. רובם נשרפים לחלוטין בשכבות הצפופות של האטמוספירה, ממש כמו פסולת חלל שנופלת ממסלול. אבל הנסיבות האלה הן בעיה שלמה עבור תעשיית החלל, כי אסטרונאוטים צריכים לא רק להישלח למסלול, אלא גם להחזיר אותם בחזרה. אבל אסטרונאוטים משלימים בבטחה את שהותם בתחנת החלל הבינלאומית, וחוזרים בקפסולות מיוחדות שאינן נשרפות באטמוספירה. היום נבחן מדוע זה קורה.

ספינות חלל, כמו עצמים מחוץ לכדור הארץ, סובלות מההשפעות ההרסניות של האטמוספירה. עם ההתנגדות האווירודינמית של שכבות הגז של האטמוספירה, פני השטח של כל גוף הנע במהירות משמעותית מתחממים לערכים קריטיים. לכן, מעצבים היו צריכים להשקיע מאמץ רב בפתרון בעיה זו. הטכנולוגיה להגנה על טכנולוגיית החלל מפני השפעות כאלה נקראת הגנה אבלטיבית. הוא כולל שכבת פני השטח המבוססת על תרכובות המכילות אסבסט, הנמרחת על החלק החיצוני של המטוס ונהרסת חלקית, אך מאפשרת לשמור על החללית עצמה שלמה.

חזרתם של אסטרונאוטים מה-ISS לכדור הארץ מתבצעת בקפסולה מיוחדת, הממוקמת על חללית סויוז. לאחר התנתקות מה-ISS, הספינה מתחילה לנוע לעבר כדור הארץ, ובגובה של כ-140 קילומטרים היא מתפרקת לשלושה חלקים. תאי המכשור והתועלת של חללית הסויוז נשרפים לגמרי באטמוספירה, אבל לרכב הירידה עם האסטרונאוטים יש שכבת הגנה והוא ממשיך לנוע הלאה. בגובה של כ-8.5 קילומטרים לערך משתחרר מצנח בלימה המאט משמעותית את המהירות ומכין את המכשיר לנחיתה.

אם תסתכלו על צילומי הקפסולות עם אסטרונאוטים לאחר נחיתתם, תראו שצבעם כמעט שחור ויש להם עקבות של שריפה כתוצאה מעוף בשכבות האטמוספירה.

או למה לוויינים לא נופלים? מסלול הלוויין הוא איזון עדין בין אינרציה לכוח המשיכה. כוח הכבידה מושך ללא הרף את הלוויין לכיוון כדור הארץ, בעוד האינרציה של הלוויין נוטה לשמור על תנועתו ישרה. אם לא היה כוח משיכה, האינרציה של הלוויין הייתה שולחת אותו ישירות ממסלול כדור הארץ לחלל החיצון. עם זאת, בכל נקודה במסלול, כוח הכבידה שומר על הלוויין קשור.

כדי להשיג איזון בין אינרציה לכוח הכבידה, על הלוויין להיות בעל מהירות מוגדרת בהחלט. אם הוא טס מהר מדי, האינרציה מתגברת על כוח המשיכה והלוויין עוזב את מסלולו. (חישוב מהירות הבריחה השנייה, המאפשרת ללוויין לצאת ממסלול כדור הארץ, ממלא תפקיד חשוב בשיגור תחנות חלל בין-כוכביות.) אם הלוויין ינוע לאט מדי, כוח המשיכה ינצח במאבק באינרציה והלוויין יצליח ליפול לכדור הארץ. זה בדיוק מה שקרה ב-1979, כאשר תחנת המסלול האמריקאית Skylab החלה לרדת כתוצאה מההתנגדות הגוברת של השכבות העליונות של האטמוספירה של כדור הארץ. נתפסה באחיזת הברזל של כוח המשיכה, התחנה נפלה עד מהרה לכדור הארץ.

מהירות ומרחק

מכיוון שכוח המשיכה של כדור הארץ נחלש עם המרחק, המהירות הנדרשת כדי לשמור על לוויין במסלול משתנה בהתאם לגובה. מהנדסים יכולים לחשב כמה מהר וכמה גבוה לוויין צריך להקיף. לדוגמה, לוויין גיאוסטציונרי, הממוקם תמיד מעל אותה נקודה על פני כדור הארץ, חייב לעשות מסלול אחד ב-24 שעות (המתאים לזמן של סיבוב אחד של כדור הארץ סביב צירו) בגובה של 357 קילומטרים.

כוח משיכה ואינרציה

ניתן לדמות את האיזון של לוויין בין כוח המשיכה לאינרציה על ידי סיבוב משקולת על חבל המחובר אליו. האינרציה של העומס נוטה להרחיק אותו ממרכז הסיבוב, בעוד שהמתח של החבל, הפועל ככבידה, שומר על העומס במסלול מעגלי. אם החבל נחתך, העומס יעוף משם בשביל ישר בניצב לרדיוס מסלולו.