Почему геостационарные спутники не падают на землю? Почему в космосе испытывают состояние невесомости? Почему мкс не падает на землю

Одним из величайших достояний человечества является международная космическая станция, или МКС. Для ее создания и работы на орбите объединилось несколько государств: Россия, некоторые страны Европы, Канада, Япония и США. Этот аппарат свидетельствует о том, что можно добиться многого, если постоянно сотрудничать странам. Об этой станции знают все люди планеты и многие задаются вопросами о том, на какой высоте летает МКС и по какой орбите. Сколько космонавтов там побывало? А правда ли, что туда пускают туристов? И это далеко не все, что интересно человечеству.

Строение станции

МКС состоит из четырнадцати модулей, в которых располагаются лаборатории, склады, комнаты отдыха, спальни, хозпомещения. На станции даже имеется спортзал с тренажерами. Весь этот комплекс работает на солнечных батареях. Они огромны, величиной со стадион.

Факты об МКС

За время своей работы станция вызывала немало восхищений. Этот аппарат является величайшим достижением человеческих умов. По своей конструкции, назначению и особенностям его можно назвать совершенством. Конечно, может быть, лет через 100 на Земле начнут строить космические корабли другого плана, но пока что, на сегодняшний день, этот аппарат - достояние человечества. Об этом свидетельствуют следующие факты об МКС:

1. За время своего ее существования на МКС космонавтов побывало около двухсот. Также здесь были туристы, которые просто прилетели посмотреть на Вселенную с орбитальной высоты.
2. Станцию видно с Земли невооруженным глазом. Эта конструкция является самой большой среди искусственных спутников, и ее легко можно увидеть с поверхности планеты без какого-то увеличивающего устройства. Есть карты, на которых можно посмотреть, в какое время и когда аппарат пролетает над городами. По ним легко отыскать сведения о своем населенном пункте: увидеть расписание полета над регионом.
3. Для сборки станции и поддержания ее в рабочем состоянии космонавты вышли более 150 раз в открытый космос, проведя там около тысячи часов.
4. Управляется аппарат шестью астронавтами. Система жизнеобеспечения обеспечивает непрерывное присутствие на станции людей с момента ее первого запуска.
5. Международная космическая станция - это уникальное место, где проводятся самые разные лабораторные эксперименты. Ученые делают уникальные открытия в области медицины, биологии, химии и физики, физиологии и метеонаблюдений, а также в других областях науки.
6. На аппарате используются гигантские солнечные батареи, размер которых достигает площади территории футбольного поля с его конечными зонами. Их вес - почти триста тысяч килограмм.
7. Батареи способны полностью обеспечивать работу станции. За их работой тщательно следят.
8. На станции есть мини-дом, оснащенный двумя ванными и спортзалом.
9. За полетом следят с Земли. Для контроля разработаны программы, состоящие из миллионов строк кода.

Космонавты

С декабря 2017 года экипаж МКС состоит из следующих астрономов и космонавтов:

• Антон Шкаплеров - командир МКС-55. Он дважды был на станции - в 2011-2012 и в 2014-2015 гг. За 2 полета он прожил на станции 364 дня.
• Скит Тингл - бортинженер, астронавт НАСА. Этот космонавт не имеет опыта космических полетов.
• Норишиге Канаи - бортинженер, астронавт Японии.
• Александр Мисуркин. Первый его полет был совершен в 2013 году длительностью 166 суток.
• Макр Ванде Хай не имеет опыта полетов.
• Джозеф Акаба. Первый полет совершил в 2009 году в составе «Дискавери», а второй полет был осуществлен в 2012 году.

Земля из космоса

Из космоса на Землю открываются уникальные виды. Об этом свидетельствуют фотографии, видеосъемки астронавтов и космонавтов. Увидеть работу станции, космические пейзажи можно, если посмотреть онлайн-трансляции со станции МКС. Однако некоторые камеры бывают выключенными, что связано с техработами.

Атмосфера нашей планеты защищает нас от ультрафиолетового излучения и от многочисленных метеоритов, приближающихся к Земле. Большинство из них полностью сгорает в плотных слоях атмосферы, так же как и космический мусор, падающий с орбиты. Но это обстоятельство является целой проблемой для космической отрасли, ведь космонавтов нужно не только отправлять на орбиту, но и возвращать обратно. Но астронавты благополучно завершают пребывание на Международной космической станции, возвращаясь в специальных капсулах, которые не сгорают в атмосфере. Сегодня мы посмотрим, почему так происходит.

Космические корабли, так же как и внеземные объекты, страдают от разрушительного воздействия атмосферы. При аэродинамическом сопротивлении газовых слоев атмосферы поверхность любого тела, движущегося со значительной скоростью, нагревается до критических значений. Поэтому конструкторам пришлось приложить немало усилий для решения этой проблемы. Технология защиты космической техники от подобного воздействия получила название абляционной защиты. Она включает в себя поверхностный слой на основе асбестосодержащих соединений, который наносится на внешнюю часть летательного аппарата и частично разрушается, но позволяет сохранить в целости сам космический аппарат.

Возвращение космонавтов с МКС на Землю происходит в специальной капсуле, которая находится на корабле «Союз». После отстыковки от МКС корабль начинает движение к Земле, и на высоте около 140 километров происходит его распад на три части. Приборно-агрегатный и бытовой отсеки корабля «Союз» полностью сгорают в атмосфере, а вот спускаемый аппарат с космонавтами имеет защитный слой и продолжает движение дальше. Примерно на высоте около 8,5 километров происходит выпуск тормозного парашюта, который существенно замедляет скорость и готовит аппарат к приземлению.

Если посмотреть на снимки капсул с космонавтами после их приземления, то можно увидеть, что они почти черного цвета и имеют следы обгорания, как результат пролета сквозь слои атмосферы.

Как Вы думаете почему космонавты в космосе испытывают состояние невесомости? Есть большая вероятность что ответите не правильно.

На вопрос, почему предметы и космонавты в условиях космического корабля предстают в состоянии невесомости, многие люди дают такой ответ:

1. В космосе отсутствует сила тяжести, поэтому они ничего не весят.
2. Космос — это вакуум, а в вакууме нет силы тяжести.
3. Космонавты находятся слишком далеко от поверхности Земли, чтобы на них могла действовать сила её притяжения.

Все эти ответы неверны!

Главное, что нужно понимать это то, что в космосе ЕСТЬ сила тяжести. Это довольно распространенное ошибочное представление. Что удерживает Луну на её орбите вокруг Земли? Сила тяжести. Что удерживает Землю на орбите вокруг Солнца? Сила тяжести. Что не позволяет галактикам разлетаться в разные стороны? Сила тяжести.

Сила тяжести существует в космосе везде!

Если бы вы построили на Земле вышку высотой 370 км (230 миль), приблизительно как высота орбиты космической станции, то сила тяжести, действующая на вас наверху вышки, была бы почти такой же, как и на поверхности земли. Если бы вы решились сделать шаг с вышки, вы бы устремились к Земле точно так же, как это собирается сделать чуть позже в этом году Феликс Баумгартнер (Felix Baumgartner), когда предпримет попытку совершить прыжок с края космоса. (Конечно, при этом мы не учитываем низкие температуры, которые мгновенно начнут вас замораживать, или как отсутствие воздуха или аэродинамического сопротивления будет убивать вас, а падение сквозь слои атмосферного воздуха заставит все части вашего тела испытать на собственном опыте, что такое «содрать три шкуры». И к тому же, внезапная остановка также причинит вам массу неудобств).

Да, так почему же космическая орбитальная станция или спутники, находящиеся на орбите, не падают на Землю, и почему космонавты и окружающие их предметы внутри международной космической станции (МКС) или любого другого космического корабля кажутся плавающими?

Оказывается, все дело в скорости!

Космонавты, сама международная космическая станция (МКС) и другие объекты, находящиеся на земной орбите, не плавают, — на самом деле, они падают. Но они не падают на Землю из-за своей огромной орбитальной скорости. Вместо этого они «падают вокруг» Земли. Объекты на земной орбите должны двигаться со скоростью, по меньшей мере, 28,160 км/ч (17,500 миль в час). Поэтому, как только они ускоряются относительно Земли, сила притяжения Земли сразу же изгибает и уводит траекторию их движения вниз, и они никогда не преодолеют этот минимум сближения с Землей. Поскольку космонавты имеют такое же ускорение, как и космическая станция, они испытывают состояние невесомости.

Случается, что мы тоже можем испытать это состояние — кратковременно — на Земле, в момент падения. Приходилось ли вам бывать на аттракционе «американские горки», когда сразу после прохождения наивысшей точки («вершины горки»), когда тележка уже начинает катиться вниз, ваше тело поднимает c сидения? Если бы вы находились в лифте на высоте стоэтажного небоскреба, и произошел обрыв троса, то пока лифт падал, вы бы парили в невесомости в кабине лифта. Конечно, в этом случае финал оказался бы намного драматичнее.

И потом, вы, вероятно, слышали об аэроплане, обеспечивающем состояние невесомости («Vomit Comet») — аэроплан KC 135, который НАСА использует для создания кратковременных состояний невесомости, для тренировок космонавтов и проверки экспериментов или оборудования в условиях невесомости (zero-G), а также для осуществления коммерческих полетов в невесомости, когда самолет летит по параболической траектории, как в аттракционе «американские горки» (но с большими скоростями и на больших высотах), проходит через вершину параболы и устремляется вниз, то в момент падения самолета создаются условия невесомости. К счастью, самолет выходит из пикирования и выравнивается.

Однако, давайте вернемся к нашей вышке. Если бы вместо обыкновенного шага с вышки вы совершили прыжок с разбега, ваша энергия, направленная вперед, отнесла бы вас далеко от вышки, вместе с тем, сила тяжести снесла бы вас вниз. Вместо того, чтобы приземлиться у основания вышки, вы бы приземлились на расстоянии от неё. Если бы при разбеге вы увеличили скорость, вы смогли бы прыгнуть дальше от вышки, прежде чем достигли бы земли. Ну, а если бы вы могли бегать так же быстро, как движется по орбите вокруг Земли космический корабль многоразового использования и МКС, со скоростью 28,160 км/ч (17,500 миль в час), то дуговая траектория вашего прыжка сделала бы круг вокруг Земли. Вы бы находились на орбите и испытывали состояние невесомости. Но вы бы падали, не достигая поверхности Земли. Правда, скафандр и запасы воздуха, пригодного для дыхания, вам все же понадобились бы. А если бы вы могли бегать со скоростью примерно 40,555 км/ч (25,200 миль в час), вы бы выпрыгнули сразу за пределы Земли и начали вращаться вокруг Солнца.

Или почему спутники не падают? Орбита спутника представляет собой хрупкий баланс между инерцией и гравитацией. Сила тяжести непрерывно притягивает спутник к Земле, в то время как инерция спутника стремится поддерживать его движение прямолинейным. Если бы не было силы тяжести, инерция спутника отправила бы его прямо с земной орбиты в открытый космос. Однако в каждой точке орбиты сила тяжести держит спутник на привязи.

Чтобы достичь равновесия между инерцией и силой тяжести, спутник должен иметь строго определенную скорость. Если он летит слишком быстро, инерция преодолевает силу тяжести и спутник покидает орбиту. (Вычисление так называемой второй космической скорости, позволяющей спутнику покидать околоземную орбиту, играет важную роль в запуске межпланетных космических станций.) Если спутник движется слишком медленно, сила тяжести победит в борьбе с инерцией и спутник упадет на Землю. Именно это случилось в 1979 году, когда американская орбитальная станция Скайлэб начала снижаться в результате растущего сопротивления верхних слоев земной атмосферы. Попав в железные клещи гравитации, станция вскоре упала на Землю.

Скорость и расстояние

Поскольку земное притяжение ослабевает с расстоянием, скорость, необходимая для удержания спутника на орбите, изменяется с высотой над уровнем моря. Инженеры могут вычислять, как быстро и как высоко спутник должен вращаться на орбите. Например, геостационарный спутник, расположенный всегда над одной и той же точкой земной поверхности, должен совершать один виток за 24 часа (что соответствует времени одного оборота Земли вокруг своей оси) на высоте 357 километров.

Сила тяжести и инерция

Балансирование спутника между силой тяжести и инерцией может быть сымитировано вращением груза на привязанной к нему веревке. Инерция груза стремится переместить его подальше от центра вращения, в то время как натяжение веревки, выполняющее роль гравитации, удерживает груз на круговой орбите. Если веревку перерезать, груз улетит по прямолинейной траектории перпендикулярно радиусу своей орбиты.

Международная космическая станция (МКС) - это масштабный и, пожалуй, самый сложный по своей организации реализованный технический проект за всю историю человечества. Ежедневно сотни специалистов по всему миру трудятся над тем, чтобы МКС могла полноценно выполнять свою основную функцию - быть научной площадкой для изучения безграничного космического пространства и, конечно же, нашей планеты.

Когда смотришь новости про МКС, то возникает множество вопросов, относительно того, как космическая станция вообще может работать в экстремальных условиях космоса, как она летает по орбите и не падает, как в ней могут жить люди, не страдая от высоких температур и солнечной радиации.

Изучив данную тему и собрав всю информацию в кучу, признаться, я вместо ответов получил еще больше вопросов.

На какой высоте летает МКС?

МКС летает в термосфере на высоте примерно 400 км от Земли (для информации - расстояние от Земли до Луны составляет примерно 370 тысяч км). Сама термосфера представляет собой атмосферный слой, который, по сути, еще не совсем является космосом. Этот слой простирается от Земли на расстояние от 80 км до 800 км.

Особенность термосферы в том, что температура с высотой повышается и при этом может значительно колебаться. Выше 500 км возрастает уровень солнечной радиации, который может запросто вывести из строя технику и негативно повлиять на здоровье космонавтов. Поэтому МКС выше 400 км не поднимается.

Так выглядит МКС с Земли

Какая температура за боротом МКС?

Информации на данную тему совсем мало. Разные источники говорят по-разному. Говорят, что на уровне 150 км температура может достигать 220-240°, а на уровне 200 км более 500°. Выше температура продолжает расти и на уровне 500-600 км она уже якобы превышает 1500°.

По словам самих космонавтов, на высоте 400 км, на которой летает МКС, температура постоянно меняется в зависимости от светотеневой обстановки. Когда МКС находится в тени, температура за бортом опускается до -150°, а если она под прямыми лучами солнца, то температура повышается до +150°. И это уже даже не парилка в бане! Как при такой температуре космонавты вообще могут находиться в открытом космосе? Неужели их спасает супер термокостюм?

Работа космонавта в открытом космосе при +150°

Какая температура внутри МКС?

В отличие от температуры за бортом внутри МКС удается сохранить стабильную температуру, пригодную для жизни людей - приблизительно +23°. Причем как это делается, совершенно непонятно. Если за бортом, например, +150°, то как удается охладить температуру внутри станции или наоборот и постоянно держать её в норме?

Как влияет радиация на космонавтов в МКС?

На высоте 400 км радиационный фон в сотни раз превышает земной. Поэтому космонавты на МКС, когда они оказываются на солнечной стороне, получают облучение, уровень которого в несколько раз превышает дозу, например, полученную при рентгене грудной клетки. А в моменты мощных вспышек на Солнце работники станции могут схватить дозу, в 50 раз превышающую норму. Как им при этом удается работать в таких условиях длительное время, также остается загадкой.

Как влияет космическая пыль и мусор на МКС?

По данным NASA, на околоземной орбите около 500 тысяч больших обломков (частей отработанных ступеней или других деталей космических кораблей и ракет) и ещё неизвестно, сколько подобного мелкого мусора. Всё это «добро» вращается вокруг Земли со скоростью 28 тысяч км/ч и почему-то не притягивается к Земле.

Кроме того, существует и космическая пыль - это всевозможные метеоритные осколки или микрометеориты, которые постоянно притягиваются планетой. Причём, если даже пылинка весит всего 1 грамм, она превращается в бронебойный снаряд, способный продырявить станцию.

Говорят, что если к МКС приближаются такие объекты, то космонавты меняют курс станции. Но мелкий мусор или пыль невозможно отследить, поэтому получается, что МКС постоянно подвергается огромной опасности. Как с этим справляются космонавты, опять же непонятно. Получается, что каждый день они сильно рискуют своей жизнью.

Отверстие в шаттле Индевор STS-118 от попадания космического мусора похоже на пулевое отверстие

Почему МКС не падает?

В различных источниках пишут о том, что МКС не падает благодаря слабой гравитации Земли и космической скорости станции. То есть, вращаясь вокруг Земли со скорость 7,6 км/с (для информации - период обращения МКС вокруг Земли составляет всего 92 мин 37 секунд), МКС как бы постоянно промахивается и не падает. Кроме того, на МКС есть двигатели, которые позволяют постоянно корректировать положение 400-тонной махины.