Почему советский спутник упал на Землю, пробыв на орбите всего три месяца

В 1957 году Советский Союз запустил первый спутник, который вышел за пределы земной атмосферы на околоземную орбиту. Неофициально он положил начало космической гонке. Но сам спутник больше не находится на околоземной орбите. В действительности, его жизнь оказалась такой быстротечной. Издание «Форбс» рассказывает, по каким причинам искусственные объекты не держатся на земной орбите. 

етвертого октября 1957 года Советский Союз запустил первый спутник, который вышел за пределы земной атмосферы на околоземную орбиту, делая один виток вокруг Земли каждые 90 минут. Тогда световое загрязнение в мире было исключительно низким, и этот летательный аппарат стал единственным в своем роде видимым объектом: искусственным, рукотворным спутником Земли. Неофициально он положил начало космической гонке, которая стала военно-политическим предприятием, оказавшимся в эпицентре международной политики на многие десятилетия.

Но сам спутник больше не находится на околоземной орбите. В действительности, его жизнь оказалась такой быстротечной, что когда Соединенные Штаты запустили в космос свой первый спутник «Эксплорер 1», на орбите уже несколько месяцев находился второй советский спутник с первым в космосе животным. А вот первый спутник, совершив более 1 400 витков, к тому времени уже упал на Землю.

В судьбе спутника не было ничего необычного. На самом деле, это происходит с большинством спутников, если вывести их на низкую околоземную орбиту и бросить там на произвол судьбы. У каждого витка есть апогей, когда спутник удаляется на максимальное расстояние от поверхности Земли, и есть перигей, когда спутник максимально к ней приближается. Если мы ведем речь о низкой околоземной орбите, это означает, что при минимальном удалении спутник находится в нескольких сотнях километрах над земной поверхностью. А если провести линию между земной атмосферой и внеземным космическим пространством на высоте всего 100 километров, может показаться (по крайней мере, на первый взгляд), что эти спутники будут в космосе неизменно и вечно.

Но на самом деле ситуация намного сложнее. Атмосфера не заканчивается внезапно, у нее нет четко очерченного края. Если газ состоит из настоящих частиц, то у нее все по-другому. По мере увеличения высоты плотность атмосферы снижается, но разные частицы, нагревающиеся при столкновении, двигаются с разными скоростями. Некоторые перемещаются быстрее, некоторые медленнее, но средняя скорость у них вполне определенная.

Чем выше мы поднимаемся, тем реальнее наши шансы найти частицы, обладающие большой энергией. Ведь чтобы подняться на такую высоту, нужно больше энергии. Но хотя плотность на больших высотах очень низкая, она никогда не доходит до нуля.

Мы находили атомы и молекулы, привязанные силой притяжения к Земле, даже на высоте 10 тысяч километров. Единственная причина, по которой мы не стали искать их дальше, состоит в том, что за этой отметкой земную атмосферу невозможно отличить от солнечного ветра, ибо в обоих случаях они состоят из редких горячих атомов и ионизированных частиц.

Большая часть нашей атмосферы (по массе) находится в самых низких ее слоях. На долю тропосферы приходится 75% земной атмосферы, на долю стратосферы 20%. А почти все оставшиеся пять процентов содержит в себе мезосфера. А вот следующий слой, носящий название термосфера, невероятно разреженный.

На уровне моря атмосферные частицы успевают пролететь лишь микроскопическое расстояние, после чего неизменно сталкиваются с другими молекулами. Но термосфера настолько разрежена, что там атом или молекула могут пролететь километр и более, прежде чем произойдет их столкновение.

Если вы атом или молекула, то термосфера наверняка покажется вам пустым пространством. Вы поднялись из земной атмосферы, а находясь на пике своей параболической орбиты, вы пребываете в бездне малой плотности. После этого вы медленно, постепенно падаете обратно на свою родную планету под воздействием ее силы притяжения.

Но если вы космический аппарат, вы испытываете нечто другое. Почему? Причин несколько:

Эти факторы в своем сочетании приводят к катастрофе любой орбитальный спутник.

Катастрофа неизбежна из-за лобового сопротивления, которое испытывает спутник. Его сила показывает, какую скорость со временем теряет спутник по причине того, что в него при движении на довольно высокой скорости врезаются частицы. У спутника на низкой околоземной орбите продолжительность жизни может составлять от нескольких месяцев до нескольких десятилетий, но не больше. Срок службы спутника можно увеличить, подняв его на большую высоту, но и это не станет для него вечным спасением.

Всякий раз, когда повышается солнечная активность (это пятна на Солнце, вспышки-протуберанцы, корональные выбросы массы и т.д.), атмосфера Земли нагревается. Более горячие частицы движутся с большей скоростью, а более высокая скорость поднимает их на большую высоту. В результате даже в космосе плотность атмосферы увеличивается. Когда такое происходит, даже те спутники, которые испытывали минимальное лобовое сопротивление, начинают падать на Землю. Магнитные бури также увеличивают плотность воздуха на сверхбольших высотах.
Этот процесс носит накопительный характер в том смысле, что когда спутник испытывает лобовое сопротивление, его перигей опускается все ниже и ниже. На меньшей высоте сила лобового сопротивления еще больше возрастает, и из-за этого спутник еще быстрее теряет кинетическую энергию, которая удерживает его на орбите. Такая постепенная спираль смерти бывает очень продолжительной, составляя тысячи, десятки тысяч и даже сотни тысяч витков. А поскольку время одного витка всего полтора часа, спутник на низкой околоземной орбите может протянуть максимум несколько десятилетий.

Падение на Землю было проблемой не только для первых спутников 1950-х годов. Оно остается проблемой почти для всех запущенных нами спутников. 95% искусственных спутников Земли летают на низкой околоземной орбите, включая Международную космическую станцию и телескоп «Хаббл». Если бы мы периодически не ускоряли эти летательные аппараты, многие из них уже давно бы упали на Землю.

Если мы просто оставим «Хаббл» и МКС умирать, на своей нынешней орбите они пролетают менее 10 лет. Что касается больших спутников, то они совершают так называемое неуправляемое возвращение в плотные слои атмосферы. В лучшем случае они сгорают в атмосфере или падают в океан. Но если спутник развалится в полете и/или упадет на землю, это может привести к катастрофе. В зависимости от места падения и размеров обломков могут погибнуть люди и пострадать здания.

Но «Хабблу» такая участь в конце жизни не грозит. Астронавт Майкл Массимино (Michael Massimino), участвовавший в последнем обслуживании «Хаббла» в 2009 году, рассказал:

«Его орбита будет снижаться. С телескопом все будет нормально, но он будет опускаться по своей орбите все ближе и ближе к Земле. Это будет конец».

Но во время последнего обслуживания «Хаббла» на нем установили стыковочный механизм, который называется система мягкого захвата и стыковки. Любая специально оборудованная ракета сможет безопасно вернуть телескоп на Землю.

Но что касается остальных 25 с лишним тысяч спутников на низкой околоземной орбите, то никакое управляемое возвращение в плотные слои атмосферы их не ждет. На Землю их вернет атмосфера, которая простирается гораздо дальше искусственно очерченной границы космического пространства. Если мы сегодня прекратим запускать спутники, то менее чем через 100 лет на низкой околоземной орбите не останется и следа человеческого присутствия.

Первый спутник запустили в 1957 году, а спустя всего три месяца он ни с того ни с сего сошел с орбиты и упал обратно на Землю. Частицы из атмосферы поднимаются гораздо выше проведенной нами искусственной линии и оказывают воздействие на обращающиеся вокруг Земли спутники. Чем дальше их перигей, тем дольше они остаются наверху, но тем труднее им получать сигналы с Земли и передавать их туда. Пока мы не изобретем бестопливную технологию для пассивного вывода спутников на более устойчивую орбиту, земная атмосфера будет оставаться самой разрушительной силой, препятствующей присутствию человека в космосе.