Почему МКС не падает на землю

Почему МКС не падает на Землю?

На самом деле она падает. Не быстро, но уверенно снизается двигаясь по орбите, которая постоянно понижается. Снижение происходит за счёт трения о разрежённую атмосферу и постепенное торможение. Это хорошо видно в прямом эфире полёта станции:

Для того чтобы станция не упала постоянно проводится коррекция орбиты всеми космическими кораблями, которые прибывют на станцию с очередной сменой или грузами.

Раньше были ограничения в коррекции орбиты максимальным пределом в 350 км, так как выше не могли летать американские “Шатлы”. После отмены их полётов в результате постоянныз коррекций удалось поднять МКС до 420 км. Но потом она снова снизилась до 390 км. в конце 2016 года Прогресс МС-02 поднял её на 405,6 км. В апреле 2017 года очередную корректировку проводил Союз МС-04.

Если корректировки не проводить, то МКС снизится, войдёт в плотные слои атмосферы и не до конца сгорев, грохнется на землю или в океан. Но это уже надо будет рассчитывать. Кстати ходят разговоры, что игрушка дорогая и возможно решения её судьбы через несколько лет.

МКС падает постоянно – только в основном не вниз на Землю, а по касательной , по орбите, благодаря заданной ракетными двигателями скорости. Как раскрученный предмет на веревке, где веревка – притяжение Земли. А скорость по орбите должна быть равна Первой космической – тогда станция или спутники и не упадут на Землю, и не улетят в космос, а будут вращаться вокруг Земли.

Хотя падает станция и вниз потихоньку. Поскольку на высоте орбиты МКС (примерно 400км) еще есть разряженный воздух, он притормаживает станцию, и она медленно снижается в ходе вращения. Поэтому её периодически подымают снова на нужную высоту двигателями пристыкованных космических кораблей.

Если бы на высоте, на которой находится международная космическая станция (а высота ее орбиты находится в пределах 337 – 430 км от поверхности Земли), совсем не было бы молекул газов, то МКС могла бы миллионами лет вращаться вокруг Земли, не падая на нее. Причина та же, по которой Луна не падает на Землю, а Земля не падает на Солнце. МКС имеет такую “горизонтальную” скорость, что, притягиваясь к Земле, совершает под действием земного притяжения целый круг (вернее, эллипс). Представим себе, что на Земле нет воздуха, а с вершины Эвереста выстрелили из пушки параллельно поверхности Земли. Снаряд полетит по параболе, не теряя горизонтальной скорости и одновременно падая на Землю. Пусть он упадет в 20 км от горы. Будем увеличивать скорость снаряда, чтобы он упал в 40 км от горы, потом в 60, потом в 80. Чем это закончится? Когда скорость снаряда достигнет 7,9 км/с, он “промахнется мимо” Земли и начнет круговое движение вокруг нее – как это показано на рисунке (только артиллеристу нужно будет оттащить пушку в сторону и нагнуть голову, чтобы свой же снаряд в них не врезался).

Почему спутники не падают

Прямо сейчас на орбите Земли расположено более 1000 искусственных спутников. Они выполняют самые разнообразные задачи и имеют различную конструкцию. Но объединяет их одно — спутники вращаются вокруг планеты и не падают.

Быстрое объяснение

На самом деле спутники постоянно падают на Землю из-за воздействия гравитации. Но они всегда промахиваются, т. к. имеют боковую скорость, заданную инерцией при запуске.

Вращение спутника вокруг Земли — это его постоянное падение мимо.

Развёрнутое объяснение

Если вы бросаете мяч в воздух, мяч возвращается обратно вниз. Это из-за гравитации — той же силы, которая удерживает нас на Земле и не дает улететь в открытый космос.

Спутники попадают на орбиту благодаря ракетам. Ракета должна разогнаться до 29 000 км/ч! Этого достаточно быстро, чтобы преодолеть сильное притяжение и покинуть атмосферу Земли. Как только ракета достигает нужной точки над Землей, она отпускает спутник.

Спутник использует энергию, полученную от ракеты, чтобы оставаться в движении. Это движение называется импульсом.

Но как спутник остается на орбите? Разве он не полетел бы по прямой в космос?

Не совсем. Даже когда спутник находится за тысячи километров, гравитация Земли все еще притягивает его. Притяжение Земли в сочетании с импульсом от ракеты заставляет спутник следовать круговой траектории вокруг Земли — орбите.

Когда спутник находится на орбите, он имеет идеальный баланс между импульсом и силой притяжения Земли. Но найти этот баланс довольно сложно.

Гравитация тем сильнее, чем ближе объект к Земле. И спутники, которые вращаются вокруг Земли, должны двигаться на очень высоких скоростях, чтобы оставаться на орбите.

Например, спутник NOAA-20 вращается всего в нескольких сотнях километров над Землей. Он должен путешествовать со скоростью 27 300 км/ч, чтобы оставаться на орбите.

С другой стороны, спутник NOAA GOES-East вращается вокруг Земли на высоте 35 405 км. Чтобы преодолеть гравитацию и остаться на орбите, ему нужна скорость около 10 780 км/ч.

Спутники могут оставаться на орбите в течение сотен лет, поэтому нам не нужно беспокоиться о том, что они упадут на Землю.

Почему МКС не падает на Землю

С 1998 года и по сегодняшний день вокруг Земли вращается удивительная орбитальная станция, на борту которой все время проживает команда космонавтов. Но как 460-тонной конструкции удается удерживаться рядом и почему Международная космическая станция не свалится нам на голову?

Подсказка от Исаака Ньютона

О подобных вещах еще задолго до космических запусков задумывался сэр Исаак Ньютон. Он объяснил явление в книге « Трактат о системе мира ». Давайте проведем мысленный эксперимент с пушечным ядром . Если двигать в бок, параллельно поверхности, то сила тяжести заставит его перемещаться по искривленной траектории. Чем сильнее увеличиваете скорость, тем дальше продвинется ядро.

А теперь поднимем нашу пушку на вершину высокой горы , где разряженный воздух не создает препятствий. Выстреливаем при ускорении, которое будет соответствовать земной кривизне и наблюдаем за движением. Хорошо, но что будет, если мы заберемся еще выше? Например, в космос!

МКС все время падает

Наша станция находится на высоте 400-450 км от земной поверхности. Мы привыкли думать, что в космосе нет гравитации , но она есть, просто отличается от привычного уровня. Более того, на высоте размещения орбитальной лаборатории она всего на 10% ниже земной , поэтому влияние оказывается серьезное. Тогда почему эта груда металла не рухнет нам на голову?

Вообще-то станция все время падает . Однако она не приближается к критической высоте, потому что движется по траектории кривизны планеты с правильной скоростью. То есть, скорость ее падения практически приравнивается к скорости кругового движения.

Гравитация притягивает конструкцию к планетарному центру и обеспечивает ускорение , которое заставляет объект двигаться по круговой траектории. Однако следует упомянуть, что периодически МКС все же снижается , поэтому инженерам приходится вовремя включать двигатели, чтобы скорректировать орбиту.

Несмотря на свои гигантские размеры (как футбольное поле) и вес, станция невероятно мобильная и доступная в управлении. Поэтому с управлением проблем не возникает.

Немножко посчитаем

Итак, чем выше расположен космический корабль, тем ниже гравитационная сила, поэтому он должен двигаться медленнее, чтобы не рухнуть на Землю. Срабатывает и обратная формула. Чем ниже аппарат, тем сильнее сила притяжения, а значит, он должен разгоняться, чтобы оставаться на стабильной высоте.

Выходит, что при высоте МКС в 400 км над земной поверхностью (центр – 6770 км ) нужно набрать скорость в 7.6 км/с . Двигаясь по такой схеме, МКС удается перемещаться по искривленной траектории на фиксированной дистанции без риска падения.

А теперь еще немного о корректировке орбиты. Ньютон говорил, что нужно подняться выше, чтобы избежать сопротивления воздуха. Удивительно, но и на высоте 400 км еще остается определенный уровень воздуха , который тормозит станцию .

Если точнее, то МКС теряет каждый день 5 см/с по скорости и 100 м по высоте, так как сталкивается с частицами газа. Но для компенсации необходимо раз в месяц запустить двигатели.

Волшебство невесомости

Кстати, таким образом объясняются и удивительные полеты астронавтов в невесомости , а также все их трюки на МКС. Важно понимать, что внутри станции все же есть гравитация, так как она недалеко от Земли.

МКС постоянно падает с определенной скоростью , и этот показатель компенсируется скоростью движения вокруг планеты. Так что создаются интересные физические условия, где члены экипажа не падают, а фактически парят .

Однажды упадет на Землю

Конечно, даже у МКС есть срок эксплуатации , рассчитанный до 2024 года (могут продлиться до 2028-2030-х гг.). Обычно крупные объекты возвращают на Землю, чтобы они сгорели в атмосферном слое или утонули в океане. Нельзя просто бросить станцию на орбите, так как она станет угрозой для ракет и прочего космического оборудования.

Сейчас разрабатывают планы по сведения ее с орбиты. Возможно, в 2024 году отсоединят российские модули , которые затем используют для создания новой станции (но это еще обсуждается). Главная цель – направить МКС в пустую часть Тихого океана (несудоходная область).

Анализ показывает, что из 400 тонн конструкции не сгорит около 120 тонн . И нужно позаботиться, чтобы они не рухнули на жилые районы. Скорее всего, придется задействовать несколько космических кораблей, чтобы снизить высоту и установить на нужном уровне.

Постскриптум

Как видите, физика творит настоящие чудеса, позволяя удерживать в космосе гигантские объекты, а астронавтам буквально летать в модулях МКС. Добавим, что после завершения эксплуатации орбитальной станции ее место должна занять другая. Страны-участники рассматривают различные концепции, ведь это пока единственное место, где можно проводить эксперименты в условиях микрогравитации.

Спасибо за чтение!

Понравилась статья? Ставим лайки и подписываемся на канал. Дальше будет еще интереснее

Источники:

http://www.bolshoyvopros.ru/questions/2623713-pochemu-mks-ne-padaet-na-zemlju.html
http://topor.info/why/pochemu-sputniki-ne-padayut
http://zen.yandex.ru/media/id/5b7aae9ee5dbd900a98c97f8/5c651d7eb39fad00ad2c2a81