ทำไมนักบินอวกาศไม่ตกลงสู่โลกจากวงโคจร? ทำไมดาวเทียมค้างฟ้าไม่ตกลงสู่พื้นโลก? โลกจากอวกาศ

เรากำลังพูดถึงความจริงที่ว่าวัตถุใด ๆ ที่อยู่ใกล้กับโลกจะได้รับผลกระทบจากแรงโน้มถ่วงของมัน และถ้าเป็นเช่นนั้น มันก็ไม่สามารถอยู่ในวงโคจรของมันได้นาน และจะตกลงสู่ผิวน้ำอย่างแน่นอนหากมันไม่ไหม้ในชั้นบรรยากาศชั้นบนก่อนหน้านั้น ตามทฤษฎีแล้วชะตากรรมเดียวกันควรจะเกิดขึ้นกับ ISS ซึ่งอยู่ห่างจากพื้นผิวโลก 400 กิโลเมตร แต่ถึงแม้ระยะทางที่ไกลขนาดนั้นก็ไม่สามารถบรรเทาสถานีอวกาศจากแรงโน้มถ่วงของโลกได้ แต่แล้วมันจะอยู่ในวงโคจรคงที่เป็นเวลานานได้อย่างไร?

ก่อนอื่นเรามาดูกันว่าสถานีอวกาศนานาชาติคืออะไร นี่คือการออกแบบโมดูลาร์ที่ซับซ้อน ซึ่งมีน้ำหนัก 400 ตัน ถ้าพูดถึงขนาดก็จะพอๆ กับสนามอเมริกันฟุตบอลเลยทีเดียว การประกอบโครงสร้างดังกล่าวใช้เวลา 13 ปี ในช่วงเวลานี้ มีการดำเนินงานจำนวนมาก ซึ่งรวมถึง: การปล่อยเรือบรรทุกสินค้าอวกาศ Progress, กระสวยอเมริกัน และนักบินอวกาศจำนวนมากออกสู่อวกาศ ปัจจุบันสถานีอวกาศนานาชาติมีราคามากกว่า 150 พันล้านดอลลาร์ ที่สถานีมีนักบินอวกาศหกคนอย่างต่อเนื่องซึ่งเป็นตัวแทนของประเทศต่างๆทั่วโลก

แต่กลับมาที่คำถามเดิมของเราแล้วลองคิดดูว่าเหตุใดสถานีจึงไม่ตกลงสู่พื้นผิวโลกภายใต้อิทธิพลของแรงโน้มถ่วง

ที่จริงแล้วมันกำลังตกลงมาอย่างช้าๆ ในระหว่างปีลดลงถึงสองกิโลเมตร และถ้าไม่ใช่เพราะการปรับวงโคจร เราคงบอกลามันไปนานแล้ว เป็นการปรับเปลี่ยนอย่างทันท่วงทีเพื่อให้ ISS ยังคงอยู่ในวงโคจรที่อยู่กับที่ คุณจะไม่เชื่อ แต่การออกแบบที่ซับซ้อนและหนักหน่วงเช่นนี้มีความคล่องตัวสูงสุด มันสามารถเปลี่ยนพารามิเตอร์ของวงโคจร เคลื่อนที่ไปทุกทิศทาง และแม้กระทั่งพลิกกลับหากจำเป็น เช่น เพื่อหลบวัตถุอวกาศต่างๆ ซึ่งรวมถึงเศษอวกาศด้วย

การเคลื่อนไหวทั้งหมดดำเนินการโดยใช้เครื่องยนต์พิเศษที่เรียกว่าไจโรดิน ที่สถานีมีสี่คน เพื่อกำหนดทิศทางสถานีหรือปรับวงโคจรของมัน จะได้รับคำสั่งจากโลกให้ปล่อยสถานีเหล่านั้น หลังจากนั้นสถานีก็เริ่มเคลื่อนที่ ผู้ดำเนินการพิเศษมีหน้าที่รับผิดชอบในการดำเนินการที่รับผิดชอบดังกล่าว ความรับผิดชอบของเขาไม่เพียงแต่รวมถึงการปรับวงโคจรของ ISS ให้ทันเวลาเท่านั้น แต่ยังรับประกันความปลอดภัยด้วย เพื่อป้องกันการชนกับอุกกาบาตและเศษอวกาศ บูสเตอร์และเครื่องยนต์ที่คล้ายกันนี้มีอยู่ในยานอวกาศขนส่งสินค้า Progress ซึ่งเทียบท่ากับ ISS ด้วยความช่วยเหลือของพวกเขา คุณสามารถแก้ไขวงโคจรของมันได้

ผู้ปฏิบัติงานยังตรวจสอบน้ำหนักของสถานีด้วย หากไม่มีสิ่งนี้ ก็เป็นไปไม่ได้ที่จะคำนวณแรงขับของเฮโรดินได้อย่างแม่นยำ ซึ่งไม่ควรน้อยกว่า 1 เมตร/วินาที มวลของสถานีเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา ตามกฎแล้วสิ่งนี้จะเกิดขึ้นในขณะที่เทียบท่ากับเรือบรรทุกสินค้า Progress ถัดไปซึ่งบรรทุกน้ำหนักบรรทุกบนเรือ นักบินอวกาศไม่ได้มีส่วนร่วมใดๆ ในกระบวนการย้ายที่ตั้งสถานีตามแผน ทุกอย่างถูกควบคุมโดยผู้ปฏิบัติงานจากโลก

สถานีอวกาศนานาชาติ (ISS) เป็นโครงการขนาดใหญ่และบางทีอาจเป็นโครงการทางเทคนิคที่ซับซ้อนที่สุดในองค์กรของตนตลอดประวัติศาสตร์ของมนุษยชาติ ทุกวัน ผู้เชี่ยวชาญหลายร้อยคนทั่วโลกทำงานเพื่อให้แน่ใจว่า ISS สามารถทำหน้าที่หลักได้อย่างเต็มที่ - เพื่อเป็นเวทีทางวิทยาศาสตร์สำหรับศึกษาอวกาศอันไร้ขอบเขตและแน่นอนว่าโลกของเรา

เมื่อคุณดูข่าวเกี่ยวกับ ISS มีคำถามมากมายเกิดขึ้นเกี่ยวกับวิธีการที่สถานีอวกาศสามารถทำงานได้ในสภาวะที่รุนแรงในอวกาศ วิธีที่มันบินในวงโคจรและไม่ตก ผู้คนสามารถมีชีวิตอยู่ได้อย่างไรโดยไม่ต้องทนทุกข์ทรมานจากอุณหภูมิสูงและรังสีดวงอาทิตย์ .

หลังจากศึกษาหัวข้อนี้และรวบรวมข้อมูลทั้งหมดมารวมกันแล้ว ฉันต้องยอมรับว่าแทนที่จะได้รับคำตอบ กลับได้รับคำถามเพิ่มมากขึ้น

ISS บินที่ระดับความสูงเท่าใด

สถานีอวกาศนานาชาติบินในเทอร์โมสเฟียร์ที่ระดับความสูงประมาณ 400 กม. จากโลก (สำหรับข้อมูลระยะทางจากโลกถึงดวงจันทร์อยู่ที่ประมาณ 370,000 กม.) เทอร์โมสเฟียร์นั้นเป็นชั้นบรรยากาศซึ่งอันที่จริงแล้วยังไม่มีพื้นที่มากนัก ชั้นนี้ขยายจากโลกไปเป็นระยะทาง 80 กม. ถึง 800 กม.

ลักษณะเฉพาะของเทอร์โมสเฟียร์คืออุณหภูมิจะเพิ่มขึ้นตามความสูงและอาจผันผวนอย่างมาก เหนือ 500 กม. ระดับการแผ่รังสีแสงอาทิตย์จะเพิ่มขึ้น ซึ่งอาจสร้างความเสียหายให้กับอุปกรณ์ได้ง่ายและส่งผลเสียต่อสุขภาพของนักบินอวกาศ ดังนั้น ISS จึงไม่สูงเกิน 400 กม.

นี่คือลักษณะของ ISS เมื่อมองจากโลก

อุณหภูมิภายนอก ISS คืออะไร?

มีข้อมูลน้อยมากในหัวข้อนี้ แหล่งข้อมูลที่แตกต่างกันพูดแตกต่างกัน พวกเขาบอกว่าที่ระดับ 150 กม. อุณหภูมิสามารถสูงถึง 220-240° และที่ระดับ 200 กม. มากกว่า 500° เกินกว่านั้น อุณหภูมิยังคงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง และที่ระดับ 500-600 กม. คาดว่าจะเกิน 1,500° แล้ว

ตามความเห็นของนักบินอวกาศเอง ที่ระดับความสูง 400 กม. ซึ่ง ISS บิน อุณหภูมิจะเปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลาขึ้นอยู่กับสภาพแสงและเงา เมื่อสถานีอวกาศนานาชาติอยู่ในที่ร่ม อุณหภูมิภายนอกจะลดลงเหลือ -150° และหากอยู่กลางแสงแดดโดยตรง อุณหภูมิจะสูงขึ้นถึง +150° และจะไม่ใช่ห้องอบไอน้ำในโรงอาบน้ำอีกต่อไป! นักบินอวกาศสามารถอยู่ในอวกาศที่อุณหภูมิดังกล่าวได้อย่างไร? ชุดระบายความร้อนพิเศษสามารถช่วยพวกเขาได้จริงหรือ?

งานของนักบินอวกาศในอวกาศที่ +150°

อุณหภูมิภายใน ISS เท่าไหร่?

ตรงกันข้ามกับอุณหภูมิภายนอก ภายใน ISS คุณสามารถรักษาอุณหภูมิให้คงที่ซึ่งเหมาะสมกับชีวิตมนุษย์ได้ - ประมาณ +23° ยิ่งกว่านั้นวิธีการทำสิ่งนี้ยังไม่ชัดเจนโดยสิ้นเชิง ตัวอย่างเช่น หากอุณหภูมิภายนอกอยู่ที่ +150° คุณสามารถทำให้อุณหภูมิภายในสถานีเย็นลงหรือในทางกลับกัน และรักษาอุณหภูมิให้เป็นปกติได้อย่างไร

รังสีส่งผลต่อนักบินอวกาศบน ISS อย่างไร

ที่ระดับความสูง 400 กม. การแผ่รังสีพื้นหลังจะสูงกว่าบนโลกหลายร้อยเท่า ดังนั้นเมื่อพวกเขาพบว่าตัวเองอยู่ในด้านที่มีแดดจัด นักบินอวกาศบน ISS จะได้รับระดับรังสีที่สูงกว่าปริมาณรังสีที่ได้รับหลายเท่า เช่น จากการเอ็กซเรย์ทรวงอก และในช่วงเวลาที่เกิดเปลวสุริยะ พนักงานสถานีสามารถรับรังสีในปริมาณที่สูงกว่าปกติถึง 50 เท่า วิธีที่พวกเขาจัดการให้ทำงานในสภาวะเช่นนี้มาเป็นเวลานานยังคงเป็นปริศนาอยู่

ฝุ่นและเศษอวกาศส่งผลกระทบต่อ ISS อย่างไร

จากข้อมูลของ NASA มีเศษซากขนาดใหญ่ประมาณ 500,000 ชิ้นในวงโคจรโลกต่ำ (บางส่วนของระยะที่ใช้แล้วหรือส่วนอื่นๆ ของยานอวกาศและจรวด) และยังไม่ทราบว่าเศษชิ้นส่วนขนาดเล็กที่คล้ายกันมากน้อยเพียงใด “ความดี” ทั้งหมดนี้หมุนรอบโลกด้วยความเร็ว 28,000 กม./ชม. และด้วยเหตุผลบางประการจึงไม่ถูกดึงดูดมายังโลก

นอกจากนี้ยังมีฝุ่นจักรวาลซึ่งเป็นเศษอุกกาบาตหรืออุกกาบาตขนาดเล็กทุกชนิดที่ดาวเคราะห์ดึงดูดอยู่ตลอดเวลา ยิ่งไปกว่านั้น แม้ว่าฝุ่นจะมีน้ำหนักเพียง 1 กรัม แต่มันก็กลายเป็นกระสุนเจาะเกราะที่สามารถสร้างรูในสถานีได้

พวกเขากล่าวว่าหากวัตถุดังกล่าวเข้าใกล้ ISS นักบินอวกาศจะเปลี่ยนเส้นทางของสถานี แต่ไม่สามารถติดตามเศษหรือฝุ่นขนาดเล็กได้ ปรากฎว่า ISS ต้องเผชิญกับอันตรายร้ายแรงอยู่ตลอดเวลา วิธีที่นักบินอวกาศรับมือกับเรื่องนี้ยังไม่ชัดเจนอีกครั้ง ปรากฎว่าทุกวันพวกเขาเสี่ยงชีวิตอย่างมาก

หลุมเศษอวกาศในกระสวยอวกาศ Endeavour STS-118 ดูเหมือนรูกระสุน

ทำไม ISS จึงไม่ตก?

แหล่งข่าวหลายแห่งเขียนว่า ISS ไม่ได้ตกเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของโลกที่อ่อนแอและความเร็วหลุดพ้นของสถานี นั่นคือหมุนรอบโลกด้วยความเร็ว 7.6 กม./วินาที (สำหรับข้อมูล ระยะเวลาการปฏิวัติของ ISS รอบโลกอยู่ที่เพียง 92 นาที 37 วินาที) ดูเหมือนว่า ISS จะพลาดตลอดเวลาและไม่ตก นอกจากนี้ ISS ยังมีเครื่องยนต์ที่ช่วยให้สามารถปรับตำแหน่งของยักษ์ใหญ่ขนาด 400 ตันได้อย่างต่อเนื่อง

ชั้นบรรยากาศของโลกของเราปกป้องเราจากรังสีอัลตราไวโอเลตและจากอุกกาบาตจำนวนมากที่เข้ามาใกล้โลก ส่วนใหญ่จะเผาไหม้อย่างสมบูรณ์ในชั้นบรรยากาศที่หนาแน่น เช่นเดียวกับเศษอวกาศที่ตกลงมาจากวงโคจร แต่เหตุการณ์นี้เป็นปัญหาทั้งหมดสำหรับอุตสาหกรรมอวกาศ เพราะนักบินอวกาศไม่เพียงต้องถูกส่งขึ้นวงโคจรเท่านั้น แต่ยังต้องถูกส่งกลับด้วย แต่นักบินอวกาศสามารถอยู่ในสถานีอวกาศนานาชาติได้อย่างปลอดภัย โดยกลับมาในแคปซูลพิเศษที่ไม่ไหม้ในชั้นบรรยากาศ วันนี้เราจะมาดูว่าทำไมสิ่งนี้ถึงเกิดขึ้น

ยานอวกาศก็เหมือนกับวัตถุจากนอกโลกที่ต้องทนทุกข์ทรมานจากผลกระทบในการทำลายล้างของชั้นบรรยากาศ ด้วยความต้านทานตามหลักอากาศพลศาสตร์ของชั้นก๊าซในบรรยากาศ พื้นผิวของวัตถุใดๆ ที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วที่สำคัญจะถูกให้ความร้อนจนถึงค่าวิกฤต ดังนั้นผู้ออกแบบจึงต้องใช้ความพยายามอย่างมากในการแก้ไขปัญหานี้ เทคโนโลยีในการปกป้องเทคโนโลยีอวกาศจากผลกระทบดังกล่าวเรียกว่าการป้องกันแบบระเหย ประกอบด้วยชั้นพื้นผิวที่ใช้สารประกอบที่มีแร่ใยหิน ซึ่งนำไปใช้กับส่วนภายนอกของเครื่องบินและถูกทำลายไปบางส่วน แต่ช่วยให้ยานอวกาศยังคงสภาพเดิมได้

การกลับมาของนักบินอวกาศจากสถานีอวกาศนานาชาติสู่โลกเกิดขึ้นในแคปซูลพิเศษซึ่งตั้งอยู่บนยานอวกาศโซยุซ หลังจากออกจากสถานีอวกาศนานาชาติแล้ว เรือก็เริ่มเคลื่อนตัวเข้าหาโลก และที่ระดับความสูงประมาณ 140 กิโลเมตร เรือก็แบ่งออกเป็นสามส่วน ช่องเครื่องมือและยูทิลิตี้ของยานอวกาศโซยุซเผาไหม้ในชั้นบรรยากาศจนหมด แต่ยานโคตรที่มีนักบินอวกาศนั้นมีชั้นป้องกันและยังคงเคลื่อนที่ต่อไป ที่ระดับความสูงประมาณ 8.5 กิโลเมตร ร่มชูชีพเบรกจะถูกปล่อยออกมา ซึ่งจะทำให้ความเร็วช้าลงอย่างมากและเตรียมอุปกรณ์สำหรับการลงจอด

หากคุณดูรูปถ่ายของแคปซูลกับนักบินอวกาศหลังจากลงจอดแล้วคุณจะเห็นว่ามันเกือบจะเป็นสีดำและมีร่องรอยการเผาไหม้อันเป็นผลมาจากการบินผ่านชั้นบรรยากาศ

เมื่อถามว่าทำไมวัตถุรวมทั้งตัวนักบินอวกาศเองถึงอยู่ในภาวะไร้น้ำหนักขณะอยู่ในวงโคจร คุณมักจะได้ยินคำตอบที่ไม่ถูกต้อง ในความเป็นจริง มีแรงโน้มถ่วงในอวกาศ เพราะมันเป็นสิ่งที่ยึดดาวเคราะห์ไว้ด้วยกัน

หากไม่มีการกระทำของแรงโน้มถ่วง กาแลคซีก็สามารถแยกออกจากกันได้ทุกทิศทาง ในความเป็นจริงความไร้น้ำหนักเกิดขึ้นเนื่องจากมีความเร็วในการเคลื่อนที่

ตกลงมา “ใกล้พื้นโลก”

ในความเป็นจริง นักบินอวกาศและวัตถุอื่นๆ ที่อยู่ในวงโคจรของโลกต่างตกลงไป อย่างไรก็ตาม การล่มสลายครั้งนี้ไม่ได้เกิดขึ้นในความหมายปกติ (กับโลกด้วยความเร็วของวงโคจร) แต่เหมือนกับว่าเกิดขึ้นรอบโลก

นอกจากนี้ การเคลื่อนไหวจะต้องมีอย่างน้อยสิบเจ็ดไมล์ครึ่งต่อชั่วโมง เมื่อเร่งความเร็วโดยสัมพันธ์กับโลก แรงโน้มถ่วงที่นี่จะถ่ายโอนวิถีการเคลื่อนที่และเคลื่อนตัวลงด้านล่าง ดังนั้นนักบินอวกาศในระหว่างการบินจะไม่สามารถเอาชนะวิถีการเคลื่อนที่ขั้นต่ำสุดสู่โลกได้ และเนื่องจากการเร่งความเร็วของนักบินอวกาศเท่ากับความเร่งของสถานีอวกาศ พวกเขาจึงอยู่ในสภาวะไร้น้ำหนัก

หรือทำไมดาวเทียมไม่ตก? วงโคจรของดาวเทียมนั้นมีความสมดุลที่ละเอียดอ่อนระหว่างความเฉื่อยและแรงโน้มถ่วง แรงโน้มถ่วงจะดึงดาวเทียมเข้าหาโลกอย่างต่อเนื่อง ในขณะที่ความเฉื่อยของดาวเทียมมีแนวโน้มที่จะทำให้การเคลื่อนที่ของมันตรง หากไม่มีแรงโน้มถ่วง ความเฉื่อยของดาวเทียมจะส่งมันโดยตรงจากวงโคจรของโลกไปยังอวกาศ อย่างไรก็ตาม ในแต่ละจุดในวงโคจร แรงโน้มถ่วงจะทำให้ดาวเทียมถูกล่ามไว้

เพื่อให้เกิดความสมดุลระหว่างความเฉื่อยและแรงโน้มถ่วง ดาวเทียมจะต้องมีความเร็วที่กำหนดไว้อย่างเคร่งครัด ถ้ามันบินเร็วเกินไป ความเฉื่อยจะเอาชนะแรงโน้มถ่วงและดาวเทียมจะออกจากวงโคจร (การคำนวณความเร็วหลบหนีที่สองที่เรียกว่า ซึ่งช่วยให้ดาวเทียมออกจากวงโคจรโลก มีบทบาทสำคัญในการปล่อยสถานีอวกาศระหว่างดาวเคราะห์) หากดาวเทียมเคลื่อนที่ช้าเกินไป แรงโน้มถ่วงจะชนะการต่อสู้กับความเฉื่อย และดาวเทียมจะ ตกลงสู่พื้นโลก นี่คือสิ่งที่เกิดขึ้นในปี 1979 เมื่อสถานีโคจรของอเมริกา Skylab เริ่มลดลงอันเป็นผลมาจากความต้านทานที่เพิ่มขึ้นของชั้นบรรยากาศชั้นบนของโลก เมื่อติดอยู่ในกำมือเหล็กแห่งแรงโน้มถ่วง สถานีก็ตกลงสู่พื้นโลกในไม่ช้า

ความเร็วและระยะทาง

เนื่องจากแรงโน้มถ่วงของโลกอ่อนลงตามระยะทาง ความเร็วที่จำเป็นในการรักษาดาวเทียมให้อยู่ในวงโคจรจึงแตกต่างกันไปตามระดับความสูง วิศวกรสามารถคำนวณได้ว่าดาวเทียมควรโคจรเร็วแค่ไหนและสูงแค่ไหน ตัวอย่างเช่น ดาวเทียมค้างฟ้าซึ่งอยู่เหนือจุดเดียวกันบนพื้นผิวโลกเสมอ จะต้องสร้างวงโคจรหนึ่งครั้งใน 24 ชั่วโมง (ซึ่งสอดคล้องกับเวลาของการปฏิวัติโลกหนึ่งครั้งรอบแกนของมัน) ที่ระดับความสูง 357 กิโลเมตร

แรงโน้มถ่วงและความเฉื่อย

ความสมดุลของดาวเทียมระหว่างแรงโน้มถ่วงและความเฉื่อยสามารถจำลองได้โดยการหมุนตุ้มน้ำหนักบนเชือกที่ติดอยู่ ความเฉื่อยของโหลดมีแนวโน้มที่จะเคลื่อนออกจากจุดศูนย์กลางการหมุน ในขณะที่ความตึงของเชือกซึ่งทำหน้าที่เป็นแรงโน้มถ่วง จะทำให้โหลดอยู่ในวงโคจรเป็นวงกลม หากเชือกถูกตัด สิ่งของจะลอยออกไปตามเส้นทางตรงที่ตั้งฉากกับรัศมีวงโคจรของมัน