Сверхнизкая околоземная орбита — низкая околоземная орбита, перигей и апогей которой находятся на такой высоте, что сопротивление верхней атмосферы Земли оказывает существенное влияние на движение космического аппарата. По определению исследовательского центра ATLAS (Advancing Technologies of Very Low Altitude Satellites) сверхнизкими считаются орбиты, с которых космический аппарат без противодействия сопротивлению среды будет снижаться до входа в атмосферу менее 6 месяцев. В англоязычной литературе для таких орбит принято название VLEO (, «очень низкая околоземная орбита»), этот термин, выделяющий их из других типов низких орбит, начал использоваться c конца 2000-х годов, когда сверхнизкие орбиты стали рассматриваться как перспективные для современных систем спутниковой фотосъёмки, связи, для длительных научных исследований и других приложений. Для того, чтобы спутник на сверхнизкой орбите мог существовать и работать достаточно долго (месяцы и годы), он должен поддерживать свою высоту с помощью собственного двигателя.
Испытываемое спутником сопротивление среды и его влияние на высоту орбиты зависит от состояния верхней атмосферы, определяемого активностью Солнца, и от поперечного по отношению к направлению полёта сечения аппарата. «Аэродинамически обтекаемая» форма аппарата начинает сказываться на высотах ниже . Границы высоты для сверхнизких орбит определяются достаточно условно. В разных источниках верхней границей считается от 300 до (в англоязычной литературе для орбит высотой ниже может использоваться отдельное обозначение SLEO, ). В качестве нижней границы принимается значение (линия Ка́рмана) или — условная высота, на которой космический аппарат, испытывающий сопротивление атмосферы, может совершить один полный оборот вокруг Земли без использования собственного двигателя.
Низкая опорная орбита также попадает в диапазон высот сверхнизких орбит, но не рассматривается как относящаяся к этому типу, поскольку космический аппарат находится на такой орбите временно, не дольше одного витка, после чего совершает орбитальный манёвр для перехода на более высокую орбиту, и верхняя атмосфера не успевает оказать на него значительного влияния.
Особенности сверхнизких орбит
Возможности Использование сверхнизких орбит даёт ряд преимуществ. Происходит существенное увеличение точности измерений при геофизических исследованиях, возможность непосредственных постоянных исследований в районах верхней атмосферы, доступных ранее только эпизодически. Уменьшение высоты орбиты позволяет повысить разрешение спутниковой съёмки без применения сложных фотокамер и методов обработки. При этом период обращения спутника при уменьшении высоты орбиты уменьшается, а значит он может обозреть бо́льшую площадь за то же время. Для спутниковой связи существенным является уменьшение расстояния, которое должен проходить сигнал, за счёт чего уменьшается задержка передачи данных, а также увеличивается энергия принимаемого сигнала, которая падает пропорционально квадрату расстояния. Это позволяет упростить оборудование как на борту спутников, так и на земных станциях и увеличить скорость передачи информации. Для радиолокационного зондирования Земли выигрыш в энергетике и разрешении за счёт уменьшения затухания оказывается ещё более существенным, так как сигнал проходит расстояние от спутника до поверхности дважды — к Земле и обратно. Возможность использовать более лёгкие носители для запуска космических аппаратов или увеличивать совокупную массу аппаратов, выводимых в одном запуске, позволяет снизить стоимость выведения по сравнению с более высокими орбитами. Для орбитальных манёвров, а также для ориентации космического аппарата в пространстве, можно использовать аэродинамические силы, без расхода рабочего тела. На сверхнизких орбитах происходит «самоочищение» от «космического мусора» — спутнику не требуется иметь отдельный запас топлива для сведения его с орбиты после прекращения работы.
Проблемы Чем меньше высота орбиты космического аппарата, тем меньше площадь видимой с него поверхности Земли. Из-за этого в группировках сетей спутниковой связи для обеспечения той же зоны покрытия требуется больше аппаратов, чем на более высоких орбитах. Для длительного существования на сверхнизкой орбите спутник должен постоянно поддерживать свою высоту с помощью корректирующих двигателей, что требует запаса рабочего тела, который всегда является ограниченным и в конечном итоге определяет время работы аппарата. Периоды, через которые необходимо проводить коррекцию орбиты, зависят от оказываемого верхней атмосферой сопротивления, зависящего, в свою очередь, от высоты и от состояния верхней атмосферы, которое может изменяться во времени в широких пределах. Плотность верхней атмосферы зависит от солнечной активности и может значительно изменяться со временем, на высотах порядка 200—250 км — в несколько раз, выше 300 км — на порядок и более. Эти изменения, наблюдающиеся не только в течение солнечных циклов, но и в течение года, и даже в течение суток, приводят и к изменению действующих на спутник аэродинамических сил. При этом направление силы сопротивления зависит от широты и долготы спутника и не совпадает с направлением его движения по орбите. Дополнительно на движение спутника могут влиять возникающие в термосфере ветры, имеющие скорость до сотен метров в секунду. Эти явления приводят к возмущениям орбиты спутника и сокращению времени его существования на орбите. На высотах более 150 км верхняя атмосфера состоит в основном из , образующегося при распаде молекул под действием ультрафиолетового излучения Солнца. Атомарный кислород является крайне активным радикалом, и его атомы, несмотря на малую концентрацию, при столкновении со спутником на большой скорости вызывают коррозию поверхности, сокращая срок службы космического аппарата.
Кроме того, активное использование сверхнизких орбит может привести к ряду правовых и политических проблем, требующих разрешения. Эти проблемы связаны в первую очередь со сложностью отслеживания объектов на такой орбите, с возможностью повышенного загрязнения атмосферы из-за частых сходов с орбиты и с вопросами лицензирования космической деятельности.
Технологии Для работы на сверхнизких орбитах используются и разрабатываются технологии, позволяющие длительное время поддерживать высоту орбиты спутника и использовать предоставляемые такими орбитами преимущества. Для обеспечения длительного существования на сверхнизкой орбите и уменьшения затрат рабочего тела на её поддержание космический аппарат должен иметь низкое аэродинамическое сопротивление, то есть как можно меньшую площадь поперечного по отношению к набегающему потоку сечения, а также осесимметричную форму, чтобы набегающий поток не разворачивал его по курсу и тангажу. Компенсация аэродинамического сопротивления при помощи формы спутника и покрытия специально разработанными материалами позволяет продлить срок его существования на 10—30 %.
Электроракетные двигатели (ионные и плазменные), широко используемые в современной космонавтике, при малом собственном весе имеют высокую скорость истечения и большой удельный импульс, что уменьшает расход рабочего тела, нужный для поддержания орбиты. В то же время такие двигатели имеют малую тягу, которая может оказаться недостаточной для компенсации сопротивления на очень низких высотах, и большое энергопотребление, что требует наличия на спутнике мощной системы энергоснабжения. Установка таких двигателей возможна на спутниках с весом в сотни килограмм, но для маленьких аппаратов, формата кубсатов, требуемые запас рабочего тела и мощность системы электропитания могут оказаться чрезмерными. Перспективным представляется использование , которые используют в качестве рабочего тела набегающий поток газа из окружающей атмосферы. Такой двигатель позволил бы поддерживать орбиту аппарата практически неограниченное время, хотя он имеет бо́льшее энергопотребление, чем традиционные электроракетные двигатели при той же тяге. Опытный двигатель на таком принципе был построен и испытан ЕКА, но образцов, пригодных для практического применения, не создано.
Ещё одной теоретически возможной технологией, не требующей запаса рабочего тела для создания тяги, является применение . Сила Лоренца, действующая в магнитном поле Земли на протекающий по такому тросу ток, создаёт тягу, а система из скрещённых тросов позволяет обеспечить тягу в любом направлении. Электрическая мощность, требуемая на единицу тяги, у такой системы в несколько раз меньше, чем у электроракетных двигателей, но её техническое воплощение сталкивается с многими трудностями и нерешёнными проблемами.
Для космических аппаратов, длительное время находящихся на сверхнизкой орбите, требуется применение специальных покрытий и материалов, защищающих от вызываемой атомарным кислородом коррозии, а также защитных экранов, отклоняющих набегающий поток от уязвимых компонентов спутника. Такие покрытия и экраны находятся в стадии разработки.
Использование сверхнизких орбит
История Использование сверхнизких орбит началось с конца 1950-х годов, первые спутники фоторазведки по программе «Corona» выводились на орбиты с перигеем 120—160 км и апогеем 300—400 км, что позволяло получать изображения земной поверхности с достаточно высоким для того времени разрешением. Время их работы на орбите, определяемое запасом фотоплёнки, возвращаемой на Землю в специальной отделяемой капсуле, составляло около суток, после отстрела капсулы аппарат продолжал полёт, постепенно снижаясь до входа в атмосферу и разрушения. Впоследствии запас фотоплёнки на спутниках программы «Corona», размещаемой в нескольких отстреливаемых капсулах, был увеличен. С 1963 года на них стали устаналиваться двигатели орбитального маневрирования, позволяющие изменять орбиту, осуществляя съёмку с разных высот и продлевая существование аппарата. Советские фоторазведчики «Зенит» также работали на орбитах, определяемых как «сверхнизкие», в основном высотой 200—350 км. Первые серии этих аппаратов осуществляли съёмку в течение 4—8 дней, после чего отснятые материалы и аппаратура возвращались в отделяемом от спутника спускаемом аппарате. С 1968 года «Зениты» стали оснащаться корректирующей двигательной установкой, позволяющей увеличить продолжительность существования на орбите до двух недель и более. Малое время активного существования аппаратов «Зенит» и «Corona» первых серий требовало их постоянных запусков, количество выведенных на орбиту аппаратов исчислялось сотнями.
Для первых пилотируемых космических полётов также выбирались орбиты, сход космического корабля с которых из-за сопротивления верхней атмосферы происходил бы в течение нескольких дней, позволяя космонавтам вернуться на Землю даже в случае отказа тормозной двигательной установки.
Первые в мире эксперименты по использованию аэродинамических сил для ориентации космического аппарата по тангажу и рысканию производились на советских космических аппаратах типа ДС-МО (Космос-149 и Космос-320). Эти аппараты, снабжённые выдвижным аэродинамическим стабилизатором, запускались на орбиты с высотой от 240 до 320 километров в 1967 и 1970 годах.
Исследования и эксперименты