Полярная орбита

Строго говоря, полярными называются орбиты с углом наклона плоскости к плоскости экватора, равным 90˚. Если говорить проще, спутник будет двигаться по полярной орбите, если он на каждом своем обороте вокруг небесного тела будет пролетать строго над северным и южным географическими полюсами планеты. Однако из-за различных эффектов, например прецессии, долгое и устойчивое движение по такой траектории невозможно.

Поэтому понятие полярной орбиты расширяют. Угол наклона может варьироваться от 80˚ до 100˚, то есть спутник пролетает вблизи полюсов. Такие орбиты далее мы будем называть околополярными.

Если говорить о естественных спутниках, то они находятся в основном в плоскости экватора. Небесные тела образуются из протопланетного облака газа и пыли. При вращении это облако сплющивается, и основная масса материи оказывается в плоскости, перпендикулярной оси вращения.

К тому же есть эффект, описанный учеными Михаилом Лидовым и Ёсихидэ Козаи.

Естественные спутники, изначально имеющие большое наклонение орбиты, увеличивают свой эксцентриситет, то есть орбита спутников вытягивается. Тогда спутник либо слишком близко подходит к планете и разрушается, либо улетает от планеты.

Этот эффект связан с большим гравитационным влиянием на экваторе от сжатия планеты или от притяжения тел, которые летают в экваториальной плоскости. Каждый раз, когда спутник подлетает по полярной орбите к экватору, он либо немного ускоряется по своей орбите, от чего вытягивается траектория, либо смещается ближе к экватору, и тогда уменьшается угол наклонения.

Критическим углом является значение в 40 градусов. Однако этот эффект из-за слабого воздействия проявляется медленно на большом промежутке времени, так что могут встретиться спутники, орбиты которых обладают большим наклонением. Как говорится, для каждого правила есть исключения. Спутники планет не движутся по полярным орбитам (по крайней мере, такие нам пока неизвестны), а вот у Солнца есть подобные «подопечные». В 2010 году был обнаружен астероид, наклонение орбиты которого составляет 92 градуса. Он пока имеет временное имя 2010 EQ169. Также на околополярных орбитах Солнца могут находиться кометы, которым нужны тысячелетия, чтобы долететь до звезды и хотя бы чуть-чуть испытать эффект Лидова-Козаи. Самой первой открытой «околополярной кометой» была Большая комета 1861 года. В настоящее время также открывают подобные объекты. В этом году, например, французскими астрономами-любителями Аленом Мори и Жоржем Аттардом была обнаружена комета C/2022 J1.

С искусственными спутниками полегче. Человечество запускает их на небольшое время, причем контролирует их движение. Однако и тут есть тонкости. Спутник на полярную орбиту вывести сложнее, так как ракете-носителю нужно бороться не только с притяжением Земли, но и с ее вращением. Чтобы спутник оказался на орбите, ему нужно придать первую космическую скорость (7,9 км/с). Космодром, если его разместить на экваторе, за счет вращения Земли уже имеет скорость 0,5 км/с. Если нам нужно просто запустить космический аппарат, то это даже хорошо: скорость ракеты и скорость Земли сложатся, но тогда мы будем лететь вдоль экватора по направлению вращения Земли (с запада на восток). Для выхода на полярную орбиту эта скорость только мешает, ведь нужно лететь перпендикулярно экватору с севера на юг. Есть два выхода: либо создать ракету-носитель, которая будет лететь быстрее почти на 1 км/с, либо осуществлять пуск с космодрома, который находится на полюсе, и ракета-носитель будет двигаться быстрее почти на 0,5 км/с.

В итоге первым спутником на полярной орбите стал американский аппарат «Дискаверер-2». Его запустила ракета-носитель «Тор-Аджена-А» с космодрома Ванденберг в 1958 году. «Дискаверер-2» был создан с разведывательными целями по программе CORONA.

И это не случайно. Если спутник летит по полярной орбите, то в разные промежутки времени он будет пролетать над каждой точкой планеты. Спутник с меньшим наклонением орбиты может пролететь только над участками с максимальной широтой, равной углу наклонения. Поскольку еще и сама Земля вращается, аппарат может пролетать над точкой планеты с любой долготой. Если взять не глобус, а карту, то круглая орбита станет похожа на прямые линии, которые постепенно смещаются. Так сотрудники Центра управления полетами и видят полярные орбиты.

Хотя «Дискаверер-2» вышел на орбиту, полноценным спутником-шпионом он не стал. Только с 14-й попытки запусков аппаратов этой серии удалось получить фотографии. В процессе полета по полярной орбите спутники сталкиваются с целым рядом проблем.

Во-первых, магнитное поле. У полюсов плотность силовых линий и напряженность магнитного поля больше. Внутри многих систем могут возникать электрические разряды при изменении магнитного поля. Во-вторых, радиация. Магнитное поле служит первым щитом, закрывающим Землю от быстрых заряженных частиц, летящих от Солнца. Однако магнитное поле не останавливает, а перенаправляет эти частички к полюсам. Собственно результат этого процесса — полярные сияния в атмосфере Земли. Легко догадаться, что у полюса радиация выше, чем в любом другом месте, и спутники на полярной орбите испытывают это в полной мере. Они первое время постоянно выходили из строя. Проблему тем не менее всегда можно превратить в возможность. Конструкторами была разработана система магнитного успокоения. Магнитное поле позволяет проще сориентировать аппарат, так как магнит внутри спутника разворачивает его в нужную сторону, как стрелка компаса, и для этого даже не требуется двигатель. Была разработана технология производства новой фотопленки, которая бы не портилась от радиации. Она оказалась еще и легче и позволяла получать снимки более высокого качества.

Тем временем в СССР с запуском космических аппаратов на высокие широты не торопились. Сначала появился северный космодром Плесецк, и только потом, в 1968 году, на околополярной орбите оказался спутник «Космос-144». Этот аппарат по конструкции напоминал спутник-шпион, но он был первым работающим образцом метеорологического спутника, который получил позднее имя «Метеор». По сути, спутнику, следящему за погодой, тоже нужно делать фото местности, и к его орбите предъявляются те же требования, что и к разведывательным аппаратам, но не совсем. Для метеорологии хорошо бы получать снимки одной и той же территории в одно и то же время суток. Сделать это несложно — просто необходимо рассчитать такую орбиту, чтобы ровно через сутки аппарат оказался над тем же самым местом. Такая орбита получила название солнечно-синхронной. Она может быть в том числе и околополярной и достойна отдельного блога.

Еще одно отличие связано с камерой. Разведчики ранее несли пленочные фотоаппараты. Пленка заканчивалась через 10–15 дней, и надо было возвращаться. «Метеор» летал больше года. На его борту вместо пленки была телевизионная система, которая не давала изображения достаточно хорошего качества для поиска мелких скрытых деталей, но вполне пригодного для отслеживания циклонов.

При полете на полярной орбите больше месяца проявляется эффект прецессии. На спутник действует притяжение Солнца и Луны. При этом сама орбита, а именно ее наклонение, вытянутость и размер, не меняется, а меняется положение орбиты в пространстве. Если представить орбиту как твердый диск с осью посередине, то она становится похожа на юлу: движение орбиты подобно вращению волчка. В целом это не страшно, но из-за прецессии спутник может пролетать над интересующей точкой планеты ночью. Решение и этой проблемы было найдено. В зависимости от высоты орбиты (ее большой полуоси) можно подобрать такой угол, что в результате прецессии орбита за сутки сделает полный оборот и вернет положение с изначальными параметрами.

Обычно используется орбита с периодом 95–100 минут и углом 82 градуса (или 98). С этими параметрами сейчас летает большинство спутников дистанционного зондирования Земли. Однако бывает, что спутники запускаются не на околополярные, а точно на полярные орбиты, несмотря на их недостатки. В первую очередь это нужно, чтобы изучить гравитационное и магнитное поле Земли. Выполнению таких задач эффекты прецессии не мешают, а радиация и особенности магнитного поля являются объектами изучения, а не помехами.

Не только у Земли есть искусственные спутники на полярной орбите. Так, на таких орбитах вокруг Венеры летали советские зонды «Венера-15» и «Венера-16» и американский зонд «Магеллан». Вокруг Марса курсируют между полюсами Марсианский разведывательный спутник, «Марс-экспресс», «Марс Одиссей». Вокруг Юпитера по полярной орбите летает АМС «Юнона». На полярной орбите вокруг Солнца работал также зонд «Улисс».

В этом блоге мы затронули только один вид орбит, а обо всех остальных можно узнать в центре «Космонавтика и авиация». Благодаря интерактивному экспонату ЦУП можно в реальном времени фиксировать и изучать все искусственные спутники Земли и траектории их движения. И это можно сделать очень легко и увлекательно.