Очень низкая околоземная орбита
Очень низкая околоземная орбита представляет собой диапазон орбитальных высот ниже 400 км (250 миль) и приобретает все большее коммерческое значение в различных сценариях и для множества применений как в частных, так и в государственных спутниковых операциях. Приложения включают наблюдение Земли , радар, инфракрасный порт, погоду, телекоммуникации и доступ в Интернет в сельской местности .
Интерес
[ редактировать ]В 2009 году правительства начали проявлять интерес к спутникам VLEO, таким как научный спутник Европейского космического агентства « Исследование гравитационного поля и стационарной циркуляции океана ». [1] (РАДОСТЬ), [2] предназначен для точных измерений гравитационного поля Земли. Он демонстрировал устойчивую орбиту от 250 до 300 км (155-186 миль) в течение трех лет с 2009 по 2013 год.
Китайское космическое агентство запустило космическую станцию «Тяньгун-1» на VLEO в 2011 году, находящуюся на орбите в среднем 355 км (220 миль), и « Тяньгун-2» в 2016 году, которые с тех пор сошли с орбиты. «Тяньгун », запущенный в 2021 году, работает на расстоянии примерно 350–450 км (217–280 миль).
Японское космическое агентство JAXA в 2017 году запустило свой сверхмалый испытательный спутник , или SLATS («Цубамэ»), орбита которого медленно уменьшалась с начальной высоты 630 км (391 миль) до работы на семи различных высотах, с 271 км. км (168 миль) до конечной высоты 167,4 км (104,0 миль).
Компании приняли к сведению возросший интерес к VLEO. В 2016 году Скейон подала первый патент на спутник VLEO, описывающий работу коммерческих спутников на орбитах от 100 до 350 км (62–218 миль), с планами по выводу спутников на орбиту VLEO. [ нужна ссылка ] Такие компании, как Albedo , EOI Space , Thales Alenia Space и другие, объявили о планах позднее. [3]
В июне 2021 года пройдет «1-й Международный симпозиум по миссиям и технологиям ВЛЕО», [4] почти 200 зарегистрированных участников из промышленности, научных кругов, космических агентств и правительства. В апреле 2022 года DARPA выступило с предложением изучить VLEO для ВЧ-передачи . [5] а в декабре 2022 года преимущества VLEO упоминаются как возможность будущей технологии связи 6G с использованием группировки небольших спутников в VLEO. [6]
Преимущества
[ редактировать ]Преимущества спутников, работающих на VLEO, многократны. [7] включая; по своей сути более высокая производительность спутников; существенно снизить затраты на запуск и эксплуатацию; коммуникационные нагрузки со значительно лучшими бюджетами каналов; и создание самоочищающихся орбит, что, по сути, решит важную проблему космического мусора .
Связать бюджет
[ редактировать ]Грубо определяется как измерение всех приростов и потерь мощности в системе связи. [8] При использовании спутников процесс передачи с Земли на спутник называется восходящей линией связи, а со спутника на Землю — нисходящей линией связи. Разница между мощностью, отправленной на одном конце и полученной на другом конце, называется потерями при передаче. Поскольку плотность мощности радиоволн уменьшается пропорционально квадрату расстояния между передатчиком и приемником, в первую очередь из-за распространения электромагнитной энергии в пространстве по закону обратных квадратов , то чем ближе спутник к Земле, тем меньше энергии требуется для получите сигнал на Землю или на спутник, и тем лучше будет бюджет канала. Этот улучшенный бюджет канала может использоваться либо для более низкой мощности при той же скорости передачи данных, либо для более высокой скорости передачи данных при той же мощности, либо для комбинации того и другого. Меньшие и/или более мощные передатчики могут быть наземными, спутниковыми или и теми, и другими.
Самоочищающиеся орбиты
[ редактировать ]Если орбиты VLEO достаточно низкие, они, по сути, самоочищаются, решая серьезную проблему космического мусора . Поскольку как гравитационное притяжение, так и сопротивление атмосферы на VLEO больше, чем на более высоких орбитах, транспортные средства на VLEO останутся там до тех пор, пока либо их двигательная установка не иссякнет, либо они не будут пополнены топливом. Как только движение прекратится, меньшие транспортные средства сгорят при входе в атмосферу, а более крупные сгорят и/или развалятся, потенциально создавая опасность для Земли и жителей внизу. [9] [10]
Проблемы
[ редактировать ]Существует несколько проблем, связанных с поддержанием работы спутников на VLEO, которых нет на более высоких орбитах. Орбиты ниже 450 км (280 миль) требуют использования новых технологий для работы спутников, таких как частые импульсы движения или даже непрерывное движение (например, GOCE), чтобы противодействовать атмосферному сопротивлению и более высоким гравитационным силам. [11]
Расход топлива
[ редактировать ]Расход топлива увеличивается в геометрической прогрессии по мере приближения орбиты к Земле. Международная космическая станция (МКС) первоначально находилась на орбите в среднем 350 км (217 миль) от Земли, но в 2011 году ее увеличили в среднем до 400 км (248 миль). [12] Это позволило МКС перейти от среднего расхода топлива с 8600 кг в год до 3600 кг в год. Перемещение МКС в среднем на 50 км (21 милю) выше, с 350 до 400 км, привело к сокращению годового расхода топлива на 58%. МКС теперь требует перезагрузки всего несколько раз в год из-за распада орбиты.
Атмосферное сопротивление
[ редактировать ]На VLEO существует остаточная атмосфера, создающая значительное сопротивление спутникам, планирующим оставаться на орбите. В отличие от МКС на границе орбит VLEO/LEO, которая снабжается топливом для противодействия гравитации и сопротивлению, как только большинство более крупных космических кораблей LEO и GEO достигают орбиты, им требуется мало или совсем не требуется двигательная установка для поддержания орбиты. Спутники меньшего размера, такие как микро- и наноспутники, не предназначены для пополнения запасов топлива и должны иметь собственное топливо или разрабатывать его из имеющихся ресурсов. С этой целью ряд компаний и правительств разрабатывают двигатели, использующие различные концепции движения на VLEO. Компания Kreios Space разрабатывает воздушно-реактивную двигательную установку для спутников VLEO. [13] тогда как Скейон имеет патент на двигательную установку, использующую самоподдерживающийся ионный двигатель. [14] Сопротивление остаточной атмосферы также требует улучшения аэродинамической конструкции космического корабля. Существующие конструкции большого квадратного объекта на орбите с прикрепленными к нему огромными солнечными панелями, характерными для многих высотных орбитальных космических кораблей, не будут работать на VLEO.
Воздействие кислорода
[ редактировать ]Кроме того, спутники на VLEO подвергаются воздействию очень высоких уровней элементарного кислорода. [15] также известный как атомарный кислород (АО), высокореактивная форма кислорода, которая быстро разъедает большинство веществ. [16] Это требует использования специальных покрытий для защиты объектов и оборудования на этой орбите. По оценкам, на орбите VLEO до 96% атмосферы составляет АО. [17] На высотах VLEO общее количество атомов O растет экспоненциально, чем ниже высота, и на порядки превышает то, с которым сталкивается МКС на высоте 400 км. Любому аппарату, находящемуся на орбите VLEO более месяца, потребуются специальные покрытия и защита, иначе он быстро подвергнется коррозии. Материалы были разработаны [18] для использования VLEO, что одновременно обеспечивает два ключевых преимущества: защиту от повреждений АО и атомно-гладкую внешнюю поверхность, которая упруго рассеивает атомы АО, что приводит к вдвое меньшему сопротивлению по сравнению с традиционными материалами, которые способствуют диффузному рассеянию падающего кислорода и других атомов. Такие материалы могут продлить срок службы спутника VLEO за счет уменьшения коррозии и снижения сопротивления.
Требования к выводу с орбиты
[ редактировать ]В связи с планами нескольких компаний по созданию крупных спутниковых группировок, некоторые из которых насчитывают более 10 000 спутников, [19] 29 сентября 2022 года Федеральная комиссия по связи (FCC) приняла новое правило. Новые спутники, выводимые на орбиту, должны либо сойти с орбиты, либо быть выведены на орбиту кладбища через пять лет после завершения миссии, что меньше ранее общепринятых 25 лет после завершения миссии. Это относится как к спутникам, имеющим лицензию США, так и к спутникам из других стран, которые стремятся получить доступ к рынку США. [20] Владельцы спутников теперь обязаны предоставлять планы увода с орбиты вместе с предложениями по запуску, чтобы помочь устранить дополнительный космический мусор. Скорее всего, это будет включать резервирование топлива для начала схода с орбиты, увеличение либо затрат на запуск для перевозки большего количества топлива, либо сокращение срока службы миссии.
Спутникам в VLEO также потребуются планы схода с орбиты после завершения миссии. Однако из-за того, что сопротивление атмосферы в VLEO на несколько порядков выше, системе управления ориентацией спутника, которая обычно обеспечивает сохранение направлений крена, тангажа и рыскания транспортного средства, можно дать команду повернуть спутник на максимальную площадь поверхности, обращенную вперед. . Меньшая конструкция транспортного средства с ориентацией низкого сопротивления во время работы и ориентацией высокого сопротивления после завершения миссии потенциально может быть оптимальным выбором транспортного средства для орбит VLEO и использовать преимущества присущих свойств самоочистки атмосферного сопротивления при входе в атмосферу.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «ГОЦЕ» . www.esa.int . Проверено 9 мая 2023 г.
- ^ Михаэлис, И.; Стип-Рековски, К.; Рауберг, Дж.; Столле, К.; Корте, М. (13 сентября 2022 г.). «Геомагнитные данные спутниковой миссии GOCE» . Земля, планеты и космос . 74 (1): 135. Бибкод : 2022EP&S...74..135M . дои : 10.1186/s40623-022-01691-6 . ISSN 1880-5981 . S2CID 252203828 .
- ^ Вернер, Дебра (05 октября 2021 г.). «Насколько низко могут опускаться спутники? Предприниматели VLEO планируют это выяснить» . Космические новости . Проверено 9 мая 2023 г.
- ^ Робертс, Питер CE (01 октября 2022 г.). «1-й симпозиум по сверхнизкоорбитальным миссиям и технологиям» . Космический журнал CEAS . 14 (4): 605–608. Бибкод : 2022CEAS...14..605R . дои : 10.1007/s12567-022-00466-9 . ISSN 1868-2510 . S2CID 251489292 .
- ^ «DARPA ищет информацию об ионосфере для улучшения связи между доменами» . www.darpa.mil . 26 апреля 2022 г. Проверено 9 мая 2023 г.
- ^ «Сверхнизкоорбитальные спутниковые сети для 6G» . Хуавэй . Проверено 9 мая 2023 г.
- ^ Робертс, Питер CE (01 октября 2022 г.). «1-й симпозиум по сверхнизкоорбитальным миссиям и технологиям» . Космический журнал CEAS . 14 (4): 605–608. Бибкод : 2022CEAS...14..605R . дои : 10.1007/s12567-022-00466-9 . ISSN 1868-2510 . S2CID 251489292 .
- ^ Ю, Рошни (29 декабря 2020 г.). «Что такое бюджет спутниковой линии? Вывод формулы расчета линии и уравнения бюджета мощности линии» . Стол электроники . Проверено 9 мая 2023 г.
- ^ «Синдром Кесслера» . www.spacesafetymagazine.com . Проверено 9 мая 2023 г.
- ^ Корбетт, Джуди (17 сентября 2015 г.). «Микрометеороиды и орбитальный мусор (MMOD)» . НАСА . Проверено 9 мая 2023 г.
- ^ Крисп, Нью-Хэмпшир; Робертс, PCE; Ливадиотти, С.; Ойко, ВТА; Эдмондсон, С.; Хей, С.Дж.; Хайтон, К.; Синпетру, Л.; Смит, КЛ; Уорролл, SD; Беседас, Дж.; Домингес, РМ; Гонсалес, Д.; Ханессян, В.; Мёлгаард, А. (15 июля 2020 г.). «Преимущества очень низкой околоземной орбиты для миссий по наблюдению за Землей». Прогресс аэрокосмических наук . 117 : 100619. arXiv : 2007.07699 . Бибкод : 2020ПрАэС.11700619С . doi : 10.1016/j.paerosci.2020.100619 . S2CID 220525689 .
- ^ «НАСА: большая высота повышает экономию топлива станции» . www.nasa.gov . Проверено 9 мая 2023 г.
- ^ Янг, Крис (2 марта 2022 г.). «Новая спутниковая система всасывает воздух, обеспечивая неограниченную тягу» . Интересный инжиниринг.com . Проверено 9 мая 2023 г.
- ^ US 10351267 , Риди, Рональд Э. и Шварцентрубер, Томас Э., «Спутниковая система», опубликовано 16 июля 2019 г., передано Skeyeon, Inc.
- ^ Гото, Аки; Умеда, Каори; Юкумацу, Кадзуки; Кимото, Юго (01 июля 2021 г.). «Изменение свойств материалов из-за атомарного кислорода на низкой околоземной орбите» . Космический журнал CEAS . 13 (3): 415–432. Бибкод : 2021CEAS...13..415G . дои : 10.1007/s12567-021-00376-2 . ISSN 1868-2510 . S2CID 237817395 .
- ^ «Атомный кислород» . www.reading.ac.uk . Проверено 9 мая 2023 г.
- ^ Вудс, Тори. «НАСА — из воздуха» . www.nasa.gov . Проверено 9 мая 2023 г.
- ^ Минтон, Тимоти К.; Шварцентрубер, Томас Э.; Сюй, Чэньбяо (3 ноября 2021 г.). «О возможности применения ПОСС-полиимидов с покрытием для транспортных средств, находящихся на очень низкой околоземной орбите» . Прикладные материалы и интерфейсы ACS . 13 (43): 51673–51684. дои : 10.1021/acsami.1c14196 . ISSN 1944-8252 . ПМИД 34672189 .
- ^ Бродкин, Джон (16 октября 2019 г.). «SpaceX говорит, что 12 000 спутников недостаточно, поэтому она может запустить еще 30 000» . Арс Техника . Проверено 9 мая 2023 г.
- ^ Колдуэлл, Соня (16 октября 2021 г.). «Системы схода с орбиты 13.0» . НАСА . Проверено 9 мая 2023 г.
Гравитационные орбиты |
|---|
