Класифікація навколоземних орбіт

 https://universemagazine.com/wp-content/uploads/2018/10/zaglushka-e1538748301621.png
Классификация околоземных орбит

Навколоземні орбіти, куди запускаються космічні апарати, заведено поділяти на такі категорії. Низькі навколоземні орбіти (ННО) розташовуються на висоті від 160 до 2000 км над поверхнею нашої планети (у першому випадку період обертання дорівнює приблизно 88 хвилин, у другому – 127 хвилин). Об’єкти, що рухаються на висотах менше ніж 200 км, відчувають помітне гальмування у верхніх шарах атмосфери та досить швидко падають на Землю.

Тому орбіти нижче 300 км для супутників зазвичай не застосовуються – час існування на таких висотах порівняно невеликий. Верхнє значення визначається внутрішньою межею радіаційних поясів із підвищеною концентрацією заряджених частинок, здатних пошкодити електронне обладнання та завдати серйозної шкоди здоров’ю космонавтів.

На зображенні масштабу показана Земля та навколоземні орбіти. 
Область ННО відзначена синім. 
Джерело: wikipedia.org

Усі пілотовані космічні польоти – за винятком дев’яти експедицій до Місяця в рамках американської програми Apollo – проходили в області ННО або були суборбітальними. Найбільшої висоти (знову ж таки, крім місячних місій) досяг у вересні 1966 р. екіпаж корабля Gemini 11, що мав апогей 1374 км. Наразі всі орбітальні станції та переважна більшість інших штучних супутників Землі знаходяться на низьких орбітах. Також на них зосереджено більшу частину космічного сміття.

Тангенціальна швидкість об’єкта (перпендикулярна до напрямку на центр Землі), необхідна для перебування на стабільній ННО, становить приблизно 7,8 км/с, зменшуючись зі зростанням висоти. Для досягнення таких орбіт при старті із земної поверхні потрібна ракета-носій з характеристичною швидкістю від 9,4 км/с – додаткові 1,5-1,6 км/с “витрачаються” на аеродинамічні та гравітаційні втрати.

Багато супутників дистанційного зондування Землі (ДЗЗ) та апарати військової розвідки виводять на ННО, щоб вести знімання наземних об’єктів з якомога ближчої відстані та досягти максимально можливої роздільної здатності. Ці ж орбіти займають деякі телекомунікаційні супутники, оскільки на такій висоті їм потрібні менш потужні підсилювачі сигналу. Однак кожен подібний апарат рухається досить швидко і охоплює обмежену ділянку земної поверхні, тому в такому разі створюються цілі мережі («сузір’я») з безлічі супутників — наприклад, у супутниковій телефонній системі Iridium їх понад 70.

Часто використовуваний різновид ННО – сонячно-синхронна орбіта (ССО), іноді іменована геліосинхронною – розраховується таким чином, щоб об’єкт, що знаходиться на ній, проходив над будь-якою точкою земної поверхні приблизно в один і той же місцевий сонячний час. Зазвичай такі орбіти мають висоту близько 800 км та нахилення близько 90° (їх площини майже перпендикулярні площині земного екватора). Якщо супутник на ССО веде знімання поверхні, на всіх його проходах кут падіння сонячних променів виявиться приблизно однаковим. Наприклад, супутник LandSat-7 може перетинати екватор 15 разів на добу, щоразу о 10:00 за місцевим часом. Для апаратів, що ведуть спостереження за Сонцем або які вимагають стабільного електропостачання шляхом використання фотогальванічних панелей, можна підібрати орбітальні параметри, за яких вони практично не потраплятимуть у тінь Землі. Орбіти вибираються таким чином, щоб сонячна та місячна гравітація викликала їхню прецесію у східному напрямку на 360° на рік (трохи менше ніж на 1° на добу), компенсуючи обертання нашої планети навколо Сонця.

Супутникове сузір’я Iridium (концепт). Джерело: Iridium

Після закінчення функціонування штучних космічних об’єктів здійснюється їх відведення на орбіту поховання, як правило, що лежить вище їхньої робочої орбіти (щоб додатково послабити вплив атмосфери). Зокрема, низькоорбітальні розвідувальні супутники з ядерною енергетичною установкою у т.ч. радіолокаційні – відправляють на висоту близько 650-1000 км, де розрахунковий термін їхнього існування становить близько 2 тис. років. Часто туди вирушає не сам супутник, а лише активна зона реактора. Вважається, що за цей термін у ній розпадуться найшкідливіші радіоактивні ізотопи… або ж людство винайде спосіб утилізувати небезпечну техніку.

Понад 2000 км знаходиться зона так званих середніх навколоземних орбіт. Їх використовує порівняно мала кількість космічних апаратів — в основному науково-дослідних та навігаційних (зокрема супутники системи GPS рухаються по орбітах висотою 20 350 км з періодом обігу 12 годин). Головна проблема в цій галузі простору пов’язана з радіаційними поясами і високоенергетичними зарядженими частинками, що містяться в них.

Верхню межу «середньої» зони відзначають геосинхронні орбіти (ГСО) – вони мають радіус 42164 км, що відповідає висоті над рівнем моря 35786 км. Період обігу на таких орбітах дорівнює зірковій добі (23 години 56 хвилин 4,1 секунди). Їх окремим випадком є ​​геостаціонарна орбіта – кругова, та що знаходиться в площині земного екватора (0 ° широти). Супутник, що рухається по ній, фактично виявляється «висячим» над однією і тією ж точкою Землі. Тому приймальна антена, одного разу спрямована на нього, не вимагатиме подальшого наведення. Очевидно, такі орбіти є особливо зручними для телекомунікаційних апаратів, а також спеціалізованих метеорологічних обсерваторій, що ведуть моніторинг певного регіону.

Якщо орбіта нахилена до екватора і має невеликий ексцентриситет, то при спостереженні із Землі супутник протягом доби описуватиме на небі «вісімку». У деяких випадках “вісімка” може виродитися в еліпс (як у супутників серії Canyon), а при значному ексцентриситеті і нульовому нахилі – у відрізок прямої, що лежить в екваторіальній площині.

Схема, що показує різницю між круговою та еліптичною орбітою. Джерело: http://mediasat.info

Ідеальна ГСО практично недосяжна, тому що апарати на ній відчувають також тяжіння з боку Місяця та Сонця, вплив земного магнітного поля, сонячного вітру та інші сторонні обурення, які «зіштовхують» їх з точки стояння. Тому на борту геостаціонарних супутників передбачено рухову установку що їх корегує із запасом палива. Крім того, такі супутники не видно з місцевостей в околицях полюсів, що сягають приблизно 81° північної і південної широти.

Двічі на рік (поблизу весняного та осіннього рівнодень) виникають ситуації, коли телекомунікаційні апарати на ГСО проєктуються на сонячний диск. У цей час зв’язок через них ускладнений, а іноді взагалі неможливий.

Геостаціонарна орбіта поховання розташована приблизно на 200 км вище «стандартної» ГСО. Туди відправляють супутники, які виробили свій ресурс або вичерпали запаси пального для бортових двигунів. Далі до відстані близько 300 тис. км (точніше, до точки Лагранжа L1 системи «Земля-Місяць») знаходиться область високих навколоземних орбіт. Поки що вони використовуються досить рідко – зокрема, у цій галузі простору зараз працює космічний телескоп TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite).