tianzhou-pic905-895x505-77444_59932900.jpg

Китайская космическая станция Тяньгун-1, связь с которой была прекращена два года назад, на данный момент медленно падает на Землю, завершая тем самым «фазу спуска в атмосфере». В то время как эксперты уже больше года знают, что это произойдет, существует огромная неопределенность в отношении точного времени. Однако, поскольку высота орбиты станции постоянно уменьшается, эта неопределенность также уменьшается, и теперь можно определить, что станция сойдет с орбиты в течение нескольких дней.

Большая часть 8.5-тонной станции сгорит и распадется при прохождении через атмосферу, однако некоторые обломки могут все же долететь до Земли. И хотя у нас есть возможность точно управлять таким космическим аппаратом, как Розетта, который находится на расстоянии нескольких сотен километров от кометы 67P, будучи при этом удаленным на 405 млн км от Земли и путешествуя со скоростью 55 000 км в час, мы не можем предсказать время и место падения Тяньгун-1 на Землю, несмотря на то, что она находится всего в 200 км над нами.

Но почему это так сложно, и сможет ли наука однажды уточнить такие прогнозы?

1.jpg

Законы Ньютона (вообще-то Кеплера — прим. перев.) говорят нам о том, что спутники вращаются вокруг Земли по идеальным круговым или эллиптическим орбитам, повторяя путь по ним снова и снова (при условии, что сила тяжести — единственная сила, действующая на них). Однако это не так на низких высотах — скажем, ниже 1000 км — потому что на таких высотах все же есть остатки земной атмосферы. Это вызывает «аэродинамическое сопротивление» (сопротивление воздуха) — силу, которая противостоит движению спутника, и которая фактически превращает орбиту в нисходящую спираль к поверхности Земли.

Теоретически, мы можем точно вычислить сопротивление, чтобы предсказать путь спутника. Это можно сделать, используя уравнение, которое зависит от скорости спутника в квадрате (v²), плотности атмосферы (ρ), численного коэффициента, который зависит от формы спутника и его ориентации относительно воздушного потока (C), и области объекта (A). Для тех, кто интересуется, это уравнение выглядит так: D = ½ × C × ρ × A × v². Но вам не нужно разбираться в нем, чтобы понять, почему так сложно вычислить сопротивление.

Скорость космического аппарата легко измерить довольно точно с помощью наблюдений. Однако другие параметры достаточно сильно неопределены, что и затрудняет определение пути станции. Для транспортных средств, таких как автомобили и самолеты, коэффициент C можно оценить теоретически или экспериментально измерить в аэродинамической трубе. Основная проблема здесь заключается в том, что форма Тяньгун-1 достаточно сложна, и объект является неконтролируемым и постоянно вращается, в результате чего постоянно меняется C.

Другой неизвестной является плотность атмосферы, которая уменьшается с высотой. Однако, особенно на больших высотах, она варьируется в зависимости от ряда непредсказуемых факторов, важнейшим из которых является солнечная активность.

Магнитная активность Солнца изменяется по 11-летним циклам, что приводит к периодическому увеличению или уменьшению излучения и количества испускаемых заряженных частиц. Они взаимодействуют с верхней частью атмосферы Земли, называемой ионосферой, изменяя ее плотность. Хорошим показателем солнечной активности является количество наблюдаемых солнечных пятен. При этом уровень активности также непредсказуемо изменяется, что приводит к непредсказуемым изменениям плотности атмосферы.

Другим важным фактором является то, что спутник будет распадаться и гореть в течение последних нескольких витков, добавляя дополнительную неопределенность ко всем величинам в формуле.

3.jpg

Это объясняет, почему почти невозможно предсказать точку (или область) падения вдоль траектории спутника. Тем не менее, вы можете получить приблизительное представление о зоне вероятного падения, основанное на наклоне орбиты космического корабля. Мы знаем, что орбита станции простирается между 43 градусами северной и южной широты. Как вы можете видеть на карте выше, это и приводит к самому грубому ограничению области падения.

Технологические усовершенствования

Для предотвращения накопления обломков на орбитах вокруг Земли, которые могут представлять угрозу для космических аппаратов и спутников, теперь рекомендуется, чтобы спутники на низкой околоземной орбите вновь входили в атмосферу Земли в течение 25 лет после завершения миссии.

Поэтому все большее значение имеет необходимость избежать угроз населению и объектам на Земле при падении космических аппаратов. Модели и экспериментальные данные для атмосферного сопротивления постоянно совершенствуются, но маловероятно, что они когда-либо достигнут необходимой точности, чтобы позволить нам прогнозировать точную точку падения обломков.

Вместо этого будущие спутники должны быть спроектированы с возможностью повторного включения в качестве важной части миссии. Активный и контролируемый спуск — например, с помощью парусов или реактивных двигателей — может уменьшить неопределенность и гарантировать, что спутник полностью горит в атмосфере, следуя заранее тщательно рассчитанной траектории.

4.jpg

Другое возможное решение проблемы —  проектирование спутников таким образом, чтобы во время повторного включения они разделялись на части, и при падении такие обломки не вызывали бы угрозу для Земли. Эта концепция, аналогичная управляемым деформациям в автомобилях для защиты пассажиров в результате аварии, известна как «дизайн для смерти». Увы — сегодня ни один спутник так не умеет.

В безопасности всегда могут быть улучшения. Но даже несмотря на то, что повторное включение космического корабля пока никем не используется и не просчитывается, вам не нужно беспокоиться о том, что падение обломков вызовет какие-либо проблемы. Шансы на то, что вы попадете под удар, находятся около нуля, в то время как вероятность того, что обломок попадет в кого-нибудь, составляет примерно 1 к 3200.