Чому мкс не падає з орбіти? Чому в космосі відчувають стан невагомості? Факти про МКС
На питання, чому предмети, а також самі космонавти під час перебування на орбіті знаходяться в невагомості, часто можна почути невірні відповіді. Насправді в космосі є сила тяжіння, адже завдяки їй утримуються планети.
Без дії сили тяжіння галактики могли б просто розлетітися на всі боки. Насправді невагомість виникає завдяки наявності швидкості руху.
Падіння "біля Землі"
Насправді космонавти, а також інші предмети, що знаходяться на земній орбіті, падають. Однак це падіння відбувається не в звичному значенні (на Землю, з орбітальною швидкістю), а ніби навколо Землі.
При цьому їх рух повинен становити не менше ніж сімнадцять з половиною миль на годину. При прискоренні щодо Землі сила тяжкості тут переносить траєкторію руху, спрямовуючи її вниз, тому космонавти під час польоту ніколи не зможуть подолати мінімум зближення із Землею. А через те, що прискорення космонавтів дорівнює прискоренню космічної станції, вони перебувають у стані невагомості.
Чи чомусь супутники не падають? Орбіта супутника є крихким балансом між інерцією і гравітацією. Сила тяжіння безперервно притягує супутник до Землі, тоді як інерція супутника прагне підтримувати рух прямолінійним. Якби не було сили тяжіння, інерція супутника відправила його прямо з земної орбіти у відкритий космос. Однак у кожній точці орбіти сила тяжіння тримає супутник на прив'язі.
Щоб досягти рівноваги між інерцією та силою тяжіння, супутник повинен мати строго певну швидкість. Якщо він летить надто швидко, інерція долає силу важкості та супутник залишає орбіту. (Обчислення так званої другої космічної швидкості, що дозволяє супутникові залишати навколоземну орбіту, відіграє важливу роль у запуску міжпланетних космічних станцій.) Якщо супутник рухається надто повільно, сила тяжкості переможе у боротьбі з інерцією і супутник впаде Землю. Саме це сталося в 1979 році, коли американська орбітальна станція Скайлеб почала знижуватися в результаті опору верхніх шарів земної атмосфери, що зростає. Потрапивши до залізних кліщів гравітації, станція невдовзі впала на Землю.
Швидкість та відстань
Оскільки земне тяжіння слабшає з відстанню, швидкість, необхідна утримання супутника на орбіті, змінюється з висотою над рівнем моря. Інженери можуть обчислювати, як швидко і високо супутник повинен обертатися на орбіті. Наприклад, геостаціонарний супутник, розташований завжди над тією ж точкою земної поверхні, повинен здійснювати один виток за 24 години (що відповідає часу одного обороту Землі навколо своєї осі) на висоті 357 кілометрів.
Сила тяжкості та інерція
Балансування супутника між силою тяжкості та інерцією може бути зімітовано обертанням вантажу на прив'язаній до нього мотузці. Інерція вантажу прагне перемістити його подалі від центру обертання, тоді як натяг мотузки, що виконує роль гравітації, утримує вантаж на круговій орбіті. Якщо мотузку перерізати, вантаж полетить прямолінійною траєкторією перпендикулярно радіусу своєї орбіти.
Міжнародна космічна станція (МКС) - це масштабний і, мабуть, найскладніший за своєю організацією реалізований технічний проект за історію людства. Щодня сотні фахівців по всьому світу працюють над тим, щоб МКС могла повноцінно виконувати свою основну функцію – бути науковим майданчиком для вивчення безмежного космічного простору та, звичайно ж, нашої планети.
Коли дивишся новини про МКС, то виникає безліч питань щодо того, як космічна станція взагалі може працювати в екстремальних умовах космосу, як вона літає по орбіті і не падає, як у ній можуть жити люди, не страждаючи від високих температур та сонячної радіації.
Вивчивши цю тему і зібравши всю інформацію до купи, зізнатися, я замість відповідей отримав ще більше запитань.
На якій висоті літає МКС?
МКС літає в термосфері на висоті приблизно 400 км від Землі (для інформації – відстань від Землі до Місяця становить приблизно 370 тисяч км). Сама термосфера є атмосферним шаром, який, по суті, ще не зовсім є космосом. Цей шар простягається від Землі відстань від 80 км до 800 км.
Особливість термосфери в тому, що температура з висотою підвищується і може значно коливатися. Понад 500 км зростає рівень сонячної радіації, який може запросто вивести з ладу техніку та негативно вплинути на здоров'я космонавтів. Тому МКС вище за 400 км не піднімається.
Так виглядає МКС із Землі
Яка температура за боротом МКС?
Інформації на цю тему обмаль. Різні джерела говорять по-різному. Кажуть, що на рівні 150 км температура може досягати 220-240 °, а на рівні 200 км більше 500 °. Вище температура продовжує зростати, і на рівні 500-600 км вона вже нібито перевищує 1500°.
За словами самих космонавтів, на висоті 400 км, де літає МКС, температура постійно змінюється в залежності від світлотіньової обстановки. Коли МКС перебуває у тіні, температура за бортом опускається до -150°, і якщо вона під прямими променями сонця, температура підвищується до +150°. І це вже навіть не лазня в лазні! Як за такої температури космонавти взагалі можуть перебувати у відкритому космосі? Невже їх рятує супер термокостюм?
Робота космонавта у відкритому космосі за +150°
Яка температура усередині МКС?
На відміну від температури за бортом усередині МКС вдається зберегти стабільну температуру, придатну життя людей - приблизно +23°. Причому, як це робиться, абсолютно незрозуміло. Якщо за бортом, наприклад, +150 °, то як вдається охолодити температуру всередині станції або навпаки і постійно тримати її в нормі?
Як впливає радіація на космонавтів у МКС?
На висоті 400 км радіаційне тло в сотні разів перевищує земне. Тому космонавти на МКС, коли вони опиняються на сонячній стороні, отримують опромінення, рівень якого у кілька разів перевищує дозу, наприклад, отриману при рентгені грудної клітки. А в моменти потужних спалахів на Сонці працівники станції можуть схопити дозу, яка в 50 разів перевищує норму. Як їм при цьому вдається працювати за таких умов тривалий час, також залишається загадкою.
Як впливає космічний пил та сміття на МКС?
За даними NASA, на навколоземній орбіті близько 500 тисяч великих уламків (частин відпрацьованих щаблів або інших деталей космічних кораблів і ракет) і ще невідомо скільки подібного дрібного сміття. Все це «добро» обертається довкола Землі зі швидкістю 28 тисяч км/год і чомусь не притягується до Землі.
Крім того, існує і космічний пил – це всілякі метеоритні уламки або мікрометеорити, які постійно притягуються планетою. Причому, якщо навіть порошинка важить всього 1 грам, вона перетворюється на бронебійний снаряд, здатний продірявити станцію.
Кажуть, якщо до МКС наближаються такі об'єкти, то космонавти змінюють курс станції. Але дрібне сміття або пил неможливо відстежити, тому виходить, що МКС постійно наражається на величезну небезпеку. Як із цим справляються космонавти, знову ж таки незрозуміло. Виходить, що кожен день вони дуже ризикують своїм життям.
Отвір у шатлі Індевор STS-118 від попадання космічного сміття схожий на кульовий отвір
Чому МКС не падає?
У різних джерелах пишуть про те, що МКС не падає завдяки слабкій гравітації Землі та космічній швидкості станції. Тобто, обертаючись навколо Землі зі швидкістю 7,6 км/с (для інформації - період звернення МКС навколо Землі становить лише 92 хв 37 секунд), МКС як би постійно промахується і не падає. Крім того, на МКС є двигуни, які дозволяють постійно коригувати положення 400-тонної махини.
Ми говоримо про те, що на будь-який об'єкт, що знаходиться в безпосередній близькості до Землі, діє її сила гравітації. А якщо так, то він не може довго перебувати на її орбіті, і обов'язково впаде на поверхню, якщо до цього не згорить у верхніх шарах атмосфери. Ця ж доля, за ідеєю, повинна осягнути МКС, яка знаходиться на відстані 400 кілометрів від поверхні планети. Але навіть така солідна відстань не може позбавити космічну станцію сили земної гравітації. Але тоді як вона настільки тривалий час утримується на стаціонарній орбіті?
Давайте спочатку розберемося, що являє собою міжнародна космічна станція. Це складна модульна конструкція вагою 400 тонн. Якщо говорити про її розміри, то вони приблизно такі самі, як поле для гри в американський футбол. Щоб зібрати таку конструкцію, знадобилося 13 років. За цей час було проведено величезну роботу, яка включає: численні запуски космічних вантажних кораблів «Прогрес», американських «Шатлів», вихід космонавтів у відкритий космос. На даний момент вартість міжнародної космічної станції становить понад 150 мільярдів американських доларів. На станції постійно перебувають шість космонавтів, які є представниками різних країн світу.
Але повернемося до нашого первісного питання, і спробуємо розібратися, чому станція під дією сил гравітації не падає на поверхню Землі.
Насправді вона потихеньку падає. Протягом року її зниження сягає двох кілометрів. І якби не коригування орбіти, то ми давно б із нею розпрощалися. Саме своєчасне коригування дозволяє МКС залишатися на стаціонарній орбіті. Ви не повірите, але така складна і важка конструкція має високу мобільність. Вона може змінювати параметри орбіти, рухатися в усіх напрямках, і навіть перевертатися за необхідності, у тому, наприклад, щоб ухилитися від різних космічних об'єктів, у яких входить і космічний сміття.
Усі переміщення здійснюються з допомогою спеціальних двигунів, іменованих гіродинами. На станції їх чотири. Щоб зорієнтувати станцію або скоригувати її орбіту, із Землі надходить команда на їх запуск, після чого станція починає свій рух. За таку відповідальну операцію відповідає спеціальний оператор. До його обов'язку входить не лише своєчасне коригування орбіти МКС, а й забезпечення її безпеки з метою недопущення зіткнення з метеоритами та космічним сміттям. Аналогічні прискорювачі та двигуни є на вантажних космічних кораблях «Прогрес», які пристиковуються до МКС. З їх допомогою можна також коригувати її орбіту.
Також оператор стежить за масою станції. Без цього неможливо точно розрахувати тягу геродинів, яка не повинна бути меншою за 1 м/секунду. Маса станції постійно змінюється. Як правило, це відбувається в момент пристикування до неї чергового вантажного корабля «Прогрес», який доставляє корисний вантаж на борт. Космонавти у процесі планового переміщення станції жодної участі не беруть. Усім керує оператор із Землі.