Неліктен геостационарлық спутниктер жерге түспейді? Бастауыш физика: неге спутниктер Жерге түспейді? Неліктен ХҒС орбитадан құлап кетпейді?
Халықаралық ғарыш станциясы (ХҒС) бүкіл адамзат тарихындағы кең ауқымды және, мүмкін, оны ұйымдастырудағы ең күрделі техникалық жоба болып табылады. Күн сайын дүние жүзіндегі жүздеген мамандар ХҒС өзінің негізгі функциясын - шексіз кеңістікті және, әрине, біздің планетаны зерттеудің ғылыми платформасы болуын қамтамасыз ету үшін жұмыс істейді.
ХҒС туралы жаңалықтарды көргенде, ғарыш станциясы әдетте экстремалды ғарыш жағдайында қалай жұмыс істей алады, оның орбитада қалай ұшады және құламайды, адамдар онда жоғары температура мен күн радиациясынан зардап шекпестен қалай өмір сүре алады деген көптеген сұрақтар туындайды. .
Осы тақырыпты зерттеп, барлық ақпаратты бірге жинаған соң, жауаптардың орнына мен одан да көп сұрақтар алғанымды мойындауым керек.
ХҒС қандай биіктікте ұшады?
ХҒС термосферада Жерден шамамен 400 км биіктікте ұшады (ақпарат үшін, Жерден Айға дейінгі қашықтық шамамен 370 мың км). Термосфераның өзі атмосфералық қабат, ол шын мәнінде әлі толық кеңістік емес. Бұл қабат Жерден 80 км-ден 800 км-ге дейін созылады.
Термосфераның ерекшелігі - температура биіктікке қарай артады және айтарлықтай ауытқуы мүмкін. 500 км-ден жоғары күн радиациясының деңгейі жоғарылайды, бұл жабдықты оңай зақымдауы және ғарышкерлердің денсаулығына теріс әсер етуі мүмкін. Сондықтан ХҒС 400 шақырымнан жоғары көтерілмейді.
ХҒС Жерден осылай көрінеді
ХҒС сыртындағы температура қандай?
Бұл тақырып бойынша ақпарат өте аз. Әртүрлі дереккөздер әртүрлі айтады. Олар 150 км деңгейде температура 220-240°, ал 200 км деңгейде 500°-тан жоғары болуы мүмкін дейді. Бұдан жоғары температура көтерілуін жалғастыруда және 500-600 км деңгейінде ол қазірдің өзінде 1500°-тан асады.
Ғарышкерлердің өздерінің айтуынша, ХҒС ұшатын 400 км биіктікте жарық пен көлеңке жағдайына байланысты температура үнемі өзгеріп отырады. ХҒС көлеңкеде болғанда, сырттағы температура -150°-қа дейін төмендейді, ал тікелей күн сәулесінде болса, температура +150°-қа дейін көтеріледі. Бұл енді моншадағы бу бөлмесі емес! Ғарышкерлер мұндай температурада ғарышта қалай бола алады? Бұл шынымен де оларды құтқаратын супер термиялық костюм ме?
Ғарышкердің +150° ғарыштағы жұмысы
ХҒС ішіндегі температура қандай?
Сыртқы температурадан айырмашылығы, ХҒС ішінде адам өміріне қолайлы тұрақты температураны ұстауға болады - шамамен +23°. Оның үстіне, мұның қалай жасалғаны мүлдем түсініксіз. Егер ол, мысалы, сыртта +150° болса, станцияның ішіндегі температураны қалай салқындатуға немесе керісінше, оны үнемі қалыпты ұстауға болады?
Радиация ХҒС ғарышкерлеріне қалай әсер етеді?
400 км биіктікте фондық радиация Жердегіден жүздеген есе жоғары. Сондықтан ХҒС-дағы астронавтар күн шуақты жағында болғанда, мысалы, кеуде рентгенінен алынған дозадан бірнеше есе жоғары радиация деңгейін алады. Ал күшті күн жарқырауы кезінде станция жұмысшылары нормадан 50 есе жоғары дозаны қабылдай алады. Олардың мұндай жағдайда қалай ұзақ уақыт жұмыс істей алғаны да жұмбақ күйінде қалып отыр.
Ғарыштық шаң мен қоқыс ХҒС-қа қалай әсер етеді?
NASA мәліметтері бойынша, төмен жер орбитасында 500 мыңға жуық ірі қоқыс бар (пайдаланылған кезеңдердің бөліктері немесе ғарыш кемелері мен зымырандардың басқа бөліктері) және қаншалықты ұқсас ұсақ қалдықтар әлі белгісіз. Мұның бәрі «жақсы» Жерді 28 мың км/сағ жылдамдықпен айналады және қандай да бір себептермен Жерге тартылмайды.
Сонымен қатар, ғарыштық шаң бар - бұл планета үнемі тартылатын метеорит сынықтары немесе микрометеориттердің барлық түрлері. Оның үстіне шаң түйірінің салмағы небәрі 1 грамм болса да, ол станцияны тесуге қабілетті сауыт тесіп өтетін снарядқа айналады.
Олардың айтуынша, мұндай нысандар ХҒС-қа жақындаса, ғарышкерлер станцияның бағытын өзгертеді. Бірақ ұсақ қоқыстарды немесе шаңды қадағалау мүмкін емес, сондықтан ХҒС үнемі үлкен қауіпке ұшырайтыны белгілі болды. Ғарышкерлер мұнымен қалай күресетіні тағы да түсініксіз. Олар күн сайын өз өмірлеріне қауіп төндіреді екен.
Endeavour STS-118 шаттлындағы ғарыш қоқыс тесігі оқ тесігі сияқты көрінеді
Неліктен ХҒС құламайды?
Әртүрлі дереккөздер ХҒС Жердің әлсіз тартылыс күші мен станцияның қашу жылдамдығына байланысты құламайды деп жазады. Яғни, Жерді 7,6 км/с жылдамдықпен айналады (ақпарат үшін, ХҒС-тың Жерді айналу кезеңі небәрі 92 минут 37 секунд), ХҒС үнемі сағынып, құламайтын сияқты. Сонымен қатар, ХҒС-да 400 тонналық колосстың орнын үнемі реттеуге мүмкіндік беретін қозғалтқыштар бар.
Адамзаттың ең үлкен байлықтарының бірі - Халықаралық ғарыш станциясы немесе ХҒС. Оны құру және оны орбитада пайдалану үшін бірнеше мемлекеттер біріккен: Ресей, кейбір Еуропа елдері, Канада, Жапония және АҚШ. Бұл аппарат елдер үнемі ынтымақтаса көп нәрсеге қол жеткізуге болатынын көрсетеді. Бұл станция туралы планетаның барлығы біледі және көптеген адамдар ХҒС қандай биіктікте және қандай орбитада ұшатыны туралы сұрақтар қояды. Ол жерде қанша ғарышкер болды? Ол жақта туристерге рұқсат етілгені рас па? Бұл адамзатты қызықтыратын нәрсе емес.
Станция құрылымы
ХҒС он төрт модульден тұрады, оларда зертханалар, қоймалар, демалыс бөлмелері, жатын бөлмелері және қосалқы бөлмелер орналасқан. Станцияда тіпті тренажерлармен жабдықталған спорт залы бар. Бұл кешеннің барлығы күн батареяларында жұмыс істейді. Олар үлкен, көлемі стадиондай.
ХҒС туралы фактілер
Станция жұмыс істеу барысында көпшіліктің таңданысын тудырды. Бұл аппарат адам ақыл-ойының ең үлкен жетістігі болып табылады. Дизайнында, мақсаты мен ерекшеліктерінде оны мінсіз деп атауға болады. Әрине, мүмкін олар 100 жылдан кейін жер бетінде басқа үлгідегі ғарыш кемелерін жасай бастайды, бірақ әзірге бұл құрылғы адамзаттың меншігі болып табылады. Бұған ХҒС туралы келесі фактілер дәлел:
- Оның бар кезінде ХҒС-қа екі жүзге жуық астронавт барды. Мұнда ғаламға орбиталық биіктіктен қарауға келген туристер де болды.
- Станция Жерден жай көзбен көрінеді. Бұл құрылым жасанды серіктердің ішіндегі ең үлкені және оны планетаның бетінен ешқандай үлкейткіш құрылғысыз оңай көруге болады. Құрылғының қалалардың үстінен қай уақытта және қай уақытта ұшатынын көруге болатын карталар бар. Олардың көмегімен сіз тұратын жер туралы ақпаратты оңай таба аласыз: аймақ бойынша ұшу кестесін қараңыз.
- Станцияны құрастыру және оны жұмыс тәртібінде ұстау үшін ғарышкерлер ғарыш кеңістігіне 150-ден астам рет шығып, онда мың сағатқа жуық уақыт жұмсады.
- Құрылғыны алты ғарышкер басқарады. Тіршілікті қамтамасыз ету жүйесі алғаш іске қосылған сәттен бастап станцияда адамдардың үздіксіз болуын қамтамасыз етеді.
- Халықаралық ғарыш стансасы – әртүрлі зертханалық тәжірибелер жүргізілетін бірегей орын. Ғалымдар медицина, биология, химия және физика, физиология және метеорологиялық бақылау салаларында, сондай-ақ ғылымның басқа салаларында бірегей жаңалықтар ашады.
- Құрылғы шет аймақтары бар футбол алаңындай үлкен күн батареяларын пайдаланады. Олардың салмағы үш жүз мың келіге жуық.
- Батареялар станцияның жұмысын толық қамтамасыз етуге қабілетті. Олардың жұмысы мұқият қадағаланады.
- Станцияда екі ванна бөлмесі және спорт залы бар шағын үй бар.
- Ұшу Жерден бақыланады. Басқару үшін миллиондаған код жолдарынан тұратын бағдарламалар әзірленді.
Ғарышкерлер
2017 жылдың желтоқсан айынан бастап ХҒС экипажы келесі астрономдар мен ғарышкерлерден тұрады:
- Антон Шкаплеров - ХҒС-55 командирі. Ол вокзалға екі рет – 2011-2012 және 2014-2015 жылдары келген. 2 рейс кезінде станцияда 364 күн тұрды.
- Скит Тингл - бортинженер, NASA астронавты. Бұл астронавттың ғарышқа ұшу тәжірибесі жоқ.
- Норишиге Канай - бортинженер, жапон астронавты.
- Александр Мисуркин. Оның алғашқы рейсі 2013 жылы 166 күнге созылған.
- Макр Ванде Хайдың ұшу тәжірибесі жоқ.
- Джозеф Акаба. Алғашқы рейс Discovery аясында 2009 жылы, ал екінші рейс 2012 жылы орындалды.
Ғарыштан Жер
Ғарыштан Жердің ерекше көріністері бар. Бұған ғарышкерлер мен ғарышкерлердің фотосуреттері мен видеолары дәлел. Сіз ХҒС станциясынан онлайн хабарларды көрсеңіз, станцияның жұмысын және ғарыш пейзаждарын көре аласыз. Дегенмен, кейбір камералар жөндеу жұмыстарына байланысты өшірілген.
Біздің планетамыздың атмосферасы бізді ультракүлгін сәулелерден және Жерге жақындаған көптеген метеориттерден қорғайды. Олардың көпшілігі орбитадан құлаған ғарыш қалдықтары сияқты атмосфераның тығыз қабаттарында толығымен жанып кетеді. Бірақ бұл жағдай ғарыш саласы үшін тұтас проблема болып табылады, өйткені ғарышкерлерді орбитаға шығарып қана қоймай, кері қайтару керек. Бірақ астронавтар Халықаралық ғарыш стансасында болуды аман-есен аяқтап, атмосферада жанбайтын арнайы капсулаларда оралды. Бүгін біз неге бұлай болатынын қарастырамыз.
Ғарыштық кемелер де жерден тыс объектілер сияқты атмосфераның жойқын әсерінен зардап шегеді. Атмосфераның газ қабаттарының аэродинамикалық кедергісі кезінде айтарлықтай жылдамдықпен қозғалатын кез келген дененің беті сыни мәндерге дейін қызады. Сондықтан дизайнерлерге бұл мәселені шешуге көп күш салуға тура келді. Ғарыштық техниканы мұндай әсерлерден қорғау технологиясы аблативті қорғаныс деп аталады. Ол ұшақтың сыртқы бөлігіне жағылатын және жартылай бұзылған, бірақ ғарыш кемесінің өзін тұтас ұстауға мүмкіндік беретін асбесті бар қосылыстар негізіндегі беткі қабатты қамтиды.
Ғарышкерлердің ХҒС-тан Жерге оралуы «Союз» ғарыш кемесінде орналасқан арнайы капсулада өтеді. ХҒС-тан шығарылғаннан кейін кеме Жерге қарай жылжи бастайды және шамамен 140 шақырым биіктікте ол үш бөлікке бөлінеді. «Союз» ғарыш кемесінің аспаптары мен қосалқы бөлімдері атмосферада толығымен жанып кетті, бірақ астронавтар мінген түсіп келе жатқан көлікте қорғаныс қабаты бар және одан әрі қозғалады. Шамамен 8,5 шақырым биіктікте тежегіш парашют шығарылады, ол жылдамдықты айтарлықтай бәсеңдетеді және құрылғыны қонуға дайындайды.
Жерге қонғаннан кейін ғарышкерлері бар капсулалардың фотосуреттеріне қарасаңыз, олардың түсі қара дерлік және атмосфера қабаттары арқылы ұшу нәтижесінде жану іздері бар екенін көресіз.
Немесе спутниктер неге құламайды? Спутниктің орбитасы инерция мен гравитация арасындағы нәзік тепе-теңдік болып табылады. Ауырлық күші жер серігін үздіксіз Жерге қарай тартады, ал спутниктің инерциясы оның қозғалысын түзу ұстауға ұмтылады. Егер гравитация болмаса, спутниктің инерциясы оны Жер орбитасынан тікелей ғарыш кеңістігіне жіберер еді. Дегенмен, орбитаның әрбір нүктесінде гравитация спутникті байланыстырады.
Инерция мен гравитация арасындағы тепе-теңдікке жету үшін спутникте қатаң белгіленген жылдамдық болуы керек. Егер ол тым жылдам ұшса, инерция гравитацияны жеңіп, спутник орбитадан шығады. (Спутниктің Жер орбитасынан шығуына мүмкіндік беретін екінші қашу жылдамдығын есептеу планетааралық ғарыш станцияларын ұшыруда маңызды рөл атқарады.) Егер спутник тым баяу қозғалса, гравитация инерциямен күресте жеңеді және спутник жерге құлау. Дәл осындай жағдай 1979 жылы американдық орбиталық Скайлэб станциясы жер атмосферасының жоғарғы қабаттарының қарсылығының күшеюі нәтижесінде құлдырай бастаған кезде болды. Ауырлық күшінің темір құрсауында қалған станция көп ұзамай Жерге құлады.
Жылдамдық және қашықтық
Жердің тартылыс күші қашықтыққа қарай әлсірейтіндіктен, спутникті орбитада ұстау үшін қажетті жылдамдық биіктікке байланысты өзгереді. Инженерлер спутниктің қаншалықты жылдамдықпен және қаншалықты биіктікте айналу керектігін есептей алады. Мысалы, әрқашан жер бетіндегі бір нүктеден жоғары орналасқан геостационарлық спутник 357 километр биіктікте 24 сағат ішінде (бұл Жердің өз осінің айналасында бір рет айналу уақытына сәйкес келеді) бір орбита жасауы керек.
Гравитация және инерция
Жер серігінің ауырлық күші мен инерция арасындағы теңдестірілуін оған бекітілген арқандағы салмақты айналдыру арқылы модельдеуге болады. Жүктің инерциясы оны айналу центрінен алыстатуға ұмтылады, ал арқанның тартылуы ауырлық күшінің рөлін атқара отырып, жүкті дөңгелек орбитада ұстайды. Егер арқан кесілсе, жүк өз орбитасының радиусына перпендикуляр түзу жолмен ұшып кетеді.