Невидимая география космоса: как устроены орбиты для спутников

Все выше, и выше, и выше

После выхода за условную границу атмосферы — линию Кармана на высоте 100 километров — ракета-носитель еще примерно вдвое увеличивает высоту полета, одновременно делая его горизонтальным. К 185-200 километрам ступень ракеты с грузом разгоняется до скорости около 7,8 километра в секунду, орбитальной для такой высоты. С этого момента груз оказывается в состоянии орбитального движения.

Остатки атмосферы здесь слегка тормозят движение, опуская орбиту на километры за виток и приближая сход с нее. Поэтому на такой малой высоте долго не крутятся, за исключением специальных задач. Ступень ракеты с полезной нагрузкой (или сама полезная нагрузка), не сделав и одного полного оборота вокруг Земли, включает двигатель, разгоняется и переходит на более высокую орбиту.

Насколько высоко? Это зависит от задач полезной нагрузки. Большинство спутников размещено на низких орбитах высотой до 2000 километров над Землей. Часть спутников работает на средних высотах: например, спутники систем глобального позиционирования. Они летят по круговым орбитам на высоте 19 100 километров («Глонасс»), 20 200 километров (GPS), 21 528 километров («Бэйдоу»), 23 222 километра («Галилео»).

Почти вдвое выше них, на расстоянии 35 786 километров от линии экватора на земной поверхности, расположено большое и сегодня очень тесное скопление спутников. Они движутся по одной, общей для всех, круговой орбите (хотя точные реальные движения спутников еле заметно отклоняются от неё). Она называется геостационарной (ГСО) и обладает особыми свойствами, которые дают ей положение в плоскости земного экватора и высота. По распространенной классификации, эта высота заканчивает категорию средних орбит, лежащих ниже, и открывает категорию высоких орбит.

Находясь над точкой экватора, геостационарный спутник не обгоняет ее и не отстает от нее. И не смещается вбок, поскольку движется в плоскости экватора. Спутник стоит на одном и том же месте относительно точки экватора, а значит, и всех остальных любых точек земной поверхности. Для нее спутник никуда не движется и не меняет своего положения в небе, всегда одного и того же. Неподвижность его для земной поверхности можно назвать стационарностью. Это и дает название всей орбите.

Если навести на такой спутник направленную антенну, он останется в центре ее луча зрения, где чувствительность антенны наибольшая. Закрепив антенну, получим канал надежного и устойчивого приема сигнала со спутника — телевизионного, радиовещательного и любого другого.

Козыри большой высоты геостационарной орбиты

Неподвижность спутника в небе не единственный его плюс, хотя очень важный. Преимуществом выступает и огромная высота геостационарной орбиты: 35 786 километров — это 2,8 среднего диаметра Земли (12 742 километра). Спутник, находящийся в трех Землях от поверхности нашей планеты, неизбежно виден с очень многих ее точек. Поэтому число пользователей для такого спутника может быть огромным, а их география — очень широкой.

Иногда у спутника бывает встречная задача — быть не видимым, а видящим. Точнее, наблюдать обширные земные территории. Это мониторинг метеорологической обстановки. Или оборонная задача инфракрасного (теплового) обнаружения запусков межконтинентальных баллистических ракет. И не только самого факта запуска, но измерения разгона ракеты для прогноза района падения ее боеголовок.

Впрочем, одними межконтинентальными ракетами можно не ограничиваться. Ведь с геостационарной орбиты различимы пуски и ракет средней дальности, и более легких тактических. Видны и другие тепловые события: извержения вулканов, крупные природные пожары, мощные взрывы. Вопрос лишь в чувствительности инфракрасных сенсоров спутника и алгоритмов обработки информации.

При этом рабочая зона обзора геостационарного спутника огромна: почти треть поверхности нашей планеты. Для охвата наблюдением почти всей ее территории понадобится лишь несколько спутников на ГСО, четыре-шесть, если учесть перекрытия краев зон обзора, наблюдаемых хуже. «Почти» — потому что они не будут наблюдать небольшие полярные области, откуда и сами не видны. Полярные зоны лежат под горизонтом геостационарных спутников.

Нужен большой расход топлива, он в разы снижает массу полезной нагрузки по сравнению с низкой опорной орбитой. Для запуска на огромную высоту ГСО требуется отдельная космическая ступень — разгонный блок. А положение геостационарной орбиты в плоскости экватора требует еще и дополнительных затрат топлива на наклонение начальной орбиты (если запуск не с экватора, как бывает в большинстве случаев).

Другие минусы высоты ГСО — долгая задержка сигнала с высотного спутника (по сравнению с низкими орбитами в пару десятков раз). Еще один минус — в разы более низкое разрешение земных объектов: они далеки и видны не так детально. Также расстояние снижает и чувствительность к слабым, тусклым объектам на Земле и в атмосфере.

Каким бы зорким ни был спутник, источники излучения вдали ему видны хуже. Пуск межконтинентальной ракеты виден отлично благодаря тепловой яркости многометрового раскаленного выхлопа ее двигателей, а вот полет в атмосфере гиперзвуковых целей, в сотню раз более тусклых, сегодняшним спутникам с высоты ГСО уже неразличим.

Высокие эллиптические: подолгу в нужном месте

Как мы уже говорили, приполярные области с ГСО не видны, а из них не видно геостационарных спутников. Если точнее, они не видны с широт в 81°, а в полосе — до 75°, видны так низко над горизонтом, что могут заслоняться рельефом или строениями. Как быть с подобными высокими широтами? Там тоже есть получатели спутникового телесигнала, а запуск баллистической ракеты подводной лодки с полярной акватории тоже нужно увидеть и отследить. Здесь на помощь придут высокие эллиптические орбиты.

Плоскости таких орбит в пространстве (впрочем, как и любых других) можно задать как угодно. Например, чтобы апогей (высшая точка орбиты) находился над большими северными или южными широтами, на широком обзоре у приполярных территорий. И одновременно чтобы из апогейного участка орбиты спутник мог видеть обширные северные или южные территории.

Скорость полета по орбите всегда связана с высотой: на круговой орбите высота одна и та же, значит, и скорость в любой ее точке одинаковая. По ГСО спутник летит со всегда одинаковой скоростью — около двух километров в секунду. На эллиптической орбите спутник то забирается в горку к апогею (поэтому замедляется), то скатывается оттуда вниз к перигею, нижней точке орбиты, поэтому разгоняется, словно с горки на санках.

Если эллиптическая орбита своей вершиной дотягивается до круговой, скорость в вершине будет медленнее, чем на круговой орбите этой же точке. Тем медленнее, чем ниже перигей (и полная орбитальная энергия спутника). Ведь от него придется больше подниматься к апогею и сильнее замедляться.

Так эллиптическая орбита создает «зависание» спутника в высокой, апогейной части орбиты: там он движется медленно и долго. Если апогейную часть сформировать высоко над полярным или северным (или южным, но там мало населения) районом Земли, спутник будет несколько часов ползти высоко в небе, смещаясь в нем очень медленно. Следовательно, эти часы он будет хорошо видимым с обширных северных территорий.

Но за эти часы наша планеты повернется вокруг своей оси, а спутник пройдет апогей и ощутимо снизится; все вместе поместит его близко к горизонту. Значит, заранее должен начать подниматься новый спутник, на другой орбите с апогеем над «приехавшей» туда этой же территорией.

Три или четыре одинаковых орбиты в разных плоскостях могут охватить своими макушками апогейных участков полярную зону планеты, подобно лепесткам цветка. Поочередный подъем спутников к своим апогеям можно согласовать с вращением Земли. Тогда над выбранной территорией все время будет находиться один из них, очень медленно ползущий.

Первыми системы спутников на высоких эллиптических орбитах разработал и запустил СССР в 1965-х годах для покрытия телесигналом своих обширных северных территорий. Теперь сам тип таких орбит называется «Молния» и «Тундра». У них есть и другие особенности: период обращения равен половине суток у «Молнии» и суткам у «Тундры», что повышает степень согласованности с вращением Земли.

Но мы опустим эти детали, подчеркивая вклад именно высоты, дающей долгую и широкую видимость спутника. У «Молнии» высота апогея достигает 40 тысяч километров, а у «Тундры» — 46-52 тысяч километров.

Такие орбиты нужны не только для радиовещания: вспомним о наблюдении территорий. По ней летели советские/российские спутники УС-К космической системы раннего обнаружения пусков межконтинентальных баллистических ракет «Око», входившей в систему предупреждения о ракетном нападении (СПРН). Они использовали орбиту «Молния» с апогеем над континентальной частью США, просматривая оттуда всю их территорию. Сменившая ее современная российская СПРН «Купол» использует орбиту «Тундра».

Ультравысокие эллипсы

Но и «Тундра» не чемпион высоты. Спутники работают и на гораздо более высоких эллиптических орбитах. Из их апогея Земля видится в пространстве как яблоко в вытянутой руке.

Разве можно с такой высоты что-то на ней разобрать? Верно, мало что. Но столь высокие орбиты и не предназначены для наблюдения Земли. Напротив, их выбрали для обратной ситуации: чтобы планету подольше не было видно в поле зрения. Это орбиты космических обсерваторий.

Так, космический рентгеновский телескоп XMM-Newton движется по высокой эллиптической орбите с апогеем на высоте 114 тысяч километров. Рентгеновский телескоп «Чандра» летит по орбите с апогеем высотой 135 тысяч километров, около трети расстояния до Луны. Космическая рентгеновская обсерватория «Интеграл» проекта с российским участием, проработавшая на орбите 22 года и закончившая наблюдения только в последний день зимы 2025-го, в апогее достигает высоты 153 тысяч километров.

Российский аппарат «Спектр-Р», входивший в проект «Радиоастрон» и проработавший в космосе почти восемь лет, поднимался до 338,5 тысячи километров, почти доставая орбиту Луны. Это не просто сравнение: «Спектр-Р» на апогейном участке орбиты использовал гравитацию близкой Луны для коррекции плоскости своей орбиты.

У столь высоких орбит перигеи сравнительно низкие: 14,3 тысячи километров у «Чандры», 10,6 тысячи километров у «Спектра-Р», 5,7 тысячи километров у XMM-Newton. Мы помним, что чем ниже перигей, тем сильнее замедляется спутник в апогее благодаря большому подъему. Поэтому скорость движения в апогейных макушках столь высоких и при этом столь вытянутых орбит очень небольшая. Вследствие медленного движения время полного оборота по орбите у них вырастает до 2,5-3 суток. Большую часть этого времени обсерватория проводит в верхней части орбиты, откуда Земля видится яблоком в вытянутой руке.

Поэтому наша планета долгое время не заслоняет небо для главного инструмента обсерватории, телескопа того или иного диапазона. Это предоставляет ему две важные, ключевые вещи для работы. Первая: высокоточное наведение телескопа на объект наблюдения. Такая юстировка может занимать и полчаса, и 40 минут, и больше. Она нужна для ликвидации (до заданных пределов, весьма малых) остаточных мелких, микроскопических вращательных движений и колебаний.

Вторая важная вещь — долгая многочасовая экспозиция, выдержка наведенного на объект инструмента. Чем дольше прибор смотрит на объект, тем больше энергии получат его приемные матрицы, тем четче и детальнее выйдет изображение.

А на низких орбитах оборот вокруг Земли занимает примерно 1,5 часа. Только выставился телескоп на объект — его уже закрывает громадой Земли, за которую уходит обсерватория. Зато такой ситуации не возникает в верхней части очень высоких эллиптических орбит, где обсерватория может спокойно работать сутки и больше, прежде чем начнет ощутимо приближаться к планете.

Высокие переходные орбиты

Отметим, что наш рассказ идет о рабочих орбитах для длительного пребывания и работы на них. Есть другая категория орбит — переходные, как упомянутые в начале низкая опорная орбита для короткой «поездки» и перехода с нее дальше.

Переходными эллиптическими орбитами добираются и на геостационарную орбиту; тогда высота апогея переходной орбиты равна высоте геостационарной. Иногда для вывода на ГСО используют так называемую суперпереходную орбиту с апогеем на высоте 70 000 километров. Это снижает расход топлива для уменьшения наклонения плоскости орбиты до экваториального нуля. Но и эти орбиты не рекордсмены высоты.

Их апогеи уже настолько «погружены» в поле тяготения нашего естественного спутника, что лунные станции легко «перецепляются» там на лунную гравитацию включением двигателя и переходят на окололунные (селеноцентрические) орбиты, становясь искусственными спутниками Луны.

Все высокие орбиты, и долгосрочные рабочие, и временные переходные, подчинены трем законам великого Иоганна Кеплера. Он сформулировал их для свободного, без тяги двигателей и любых других сил, движения тела действием одной-единственной силы – гравитационного притяжения центрального тела, источника гравитационного поля. Форма кеплеровских эллипсов (а окружность — частный случай такого эллипса) и законы движения по ним полностью описываются и диктуются математическими формулами, понятными и компактными.

Выше самых высоких

Казалось бы, что за орбиту Луны уже вряд ли протянутся дороги космических аппаратов, остающихся возле Земли. Но существует особый тип рабочих, долгосрочных орбит, намного превосходящих высоту всего вышеперечисленного. На них тоже работают космические аппараты — уже не спутники Земли. Потому что это не околоземные орбиты, хотя «привязаны» к нашей планете и всегда остаются возле нее.

Понятие высоты орбиты и перигея с апогеем для этих кривых теряют смысл. Понятие высоты, привязанное к поверхности Земли и отсчитываемое от нее по правилам вертикали, заменяется на более общее понятие удаления. А сами кривые не являются строго замкнутыми, описываемыми точными математическими формулами. Они скорее напоминают огромную бухту свернутого провода или веревки, причем бухту кривоватую и слегка изогнутую. В ней каждый очередной оборот добавляет новую неровную петлю, не совпадающую точно ни с одной предыдущей. И не описываемой аналитически, то есть строгими законами и выражающей их точной математикой, как орбиты по законам Кеплера.

Это гало-орбиты вокруг так называемых первой и второй точек Лагранжа системы Солнце — Луна, именуемых L1 и L2. Рассказ о физике, формирующей гало-орбиты, сейчас опустим. Но отметим, что их создают одновременное притяжение Солнца и Земли и вращение их гравитационной системы.

Точек Лагранжа всего пять; первые две расположены ближе всего к Земле. Одна в полутора миллионах километров в направлении Солнца, другая — в противоположном. Вокруг каждой, приблизительно перпендикулярно линии Солнце — Земля, и раскинулись гало-орбиты.

Их размер, или приблизительный диаметр (точного нет, ибо это не окружности) различен, и вообще говоря, это целые семейства орбит, необязательно похожие друг на друга. Движение по этим кривым медленное и может происходить со скоростью всего 200 метров в секунду. Это скорость скорее не космическая, а авиационная: примерно так летит на крейсерском эшелоне транспортный Ил-76 с полной загрузкой. И с такими скоростями движутся и космические аппараты, работающие сегодня в окрестностях обеих близких к Земле точек Лагранжа.

Это тоже научные спутники разного назначения. Вблизи первой точки Лагранжа L1, что ближе к Солнцу, сейчас работают американские ACE, WIND, и DSCOVR, знаменитая европейская солнечная обсерватория SOHO, индийский «Адитья-L1», китайская «Чанъэ-5». Оттуда наблюдают за Солнцем и Землей, собирают частицы солнечного ветра, искали гравитационные волны.

В окрестностях второй точки Лагранжа L2, лежащей дальше от Солнца, отработали шесть аппаратов. Сейчас там находится китайский «Чанъэ-6», работают европейский широкоугольный космический телескоп «Евклид», знаменитый инфракрасный космический телескоп «Джеймс Уэбб».

Его орбита достаточно близка к орбите Земли (хотя их разделяет больше миллиона километров), и движение станции на этой орбите постепенно корректируется так, чтобы оказаться в окрестности точки Лагранжа. И уже там аппарат испытывает притяжение Земли, но не как определяющее влияние, а как часть гравитационного дуэта с Солнцем, который и задает дальнейшее движение по гало-орбите. Это самые дальние орбиты, формируемые с участием тяготения Земли.

Как пример рассмотрим подробнее «Спектр-РГ» — совместную российско-германскую космическую обсерваторию для изучения астрофизики высоких энергий. Ее запустили 13 июля 2019 года ракетой-носителем «Протон-М» с космодрома Байконур. Научное оборудование массой 1,2 тонны (российский и немецкий рентгеновские телескопы) было интегрировано в спутниковую платформу «Навигатор», сделанную в НПО имени Лавочкина с общей массой 2,7 тонны. Перелет к точке Лагранжа L2 занял ровно 100 дней и закончился 21 октября 2019-го выходом на рабочую гало-орбиту.

Выведение туда занимает месяц или полтора и требует достаточно много энергии; впрочем, таковы все полеты за пределы околоземных орбит. Движение по гало-орбитам квазиустойчиво, то есть время от времени требует небольших коррекций движения включением двигателей. Этим гало-орбиты не отличаются от реальных околоземных орбит, тоже требующих периодических коррекций для компенсации возмущений от гравитации Солнца и планет, давления солнечного света, и других факторов.

Вместо заключения

Существуют ли орбиты еще более высокие или, тут точнее сказать, далекие? Да, но с Землей они уже никак не связаны.

На орбитах вокруг Солнца, планет и астероидов работают или работали самые разные космические аппараты. Отдельные запущенные человеком в космос конструкции летят прочь из Солнечной системы. Это знаменитые «Вояджер-1» и «Вояджер-2», один из которых еще продолжает работать. Еще уже замолкшие «Пионер-10» и «Пионер-11», а также современный зонд «Новые горизонты», с большой скоростью уходящий все дальше в пояс Койпера, лежащий на краю наблюдаемой Солнечной системы.

Линии движения этих космических аппаратов уже не орбиты обращения. Это траектории покидания гравитационного поля Солнца. Другое их название — гиперболические траектории. На них не будет возвращения обратно, к Земле. На них удаление от нее со временем только возрастает, стремясь к бесконечности. Впрочем, это уже другая история.