Линия Кармана

Линия Кармана — это условная граница, расположенная на высоте 100 км (328 084 фута) над уровнем моря, которая широко используется для определения начала космического пространства. Названа в честь американского учёного венгерского происхождения Теодора фон Кармана, который впервые вычислил эту высоту как предел, за которым аэродинамическая подъёмная сила уже не может поддерживать полёт летательного аппарата. Линия Кармана является наиболее распространённой, но не единственной и не юридически закреплённой границей между атмосферой Земли и космосом.

История возникновения

Предпосылки и расчёты Теодора фон Кармана

В середине XX века, с началом эры космических полётов, возникла практическая и правовая необходимость определить, где заканчивается воздушное пространство, подпадающее под юрисдикцию государств (суверенитет на воздушное пространство), и начинается космическое пространство, где действует принцип свободы исследования и использования. Теодор фон Карман (1881–1963), один из основоположников современной аэродинамики, в 1957 году занялся проблемой определения границы, на которой аэродинамический полёт становится невозможным.

Фон Карман рассчитал, что с увеличением высоты плотность воздуха падает, и для создания подъёмной силы, равной весу летательного аппарата, требуется всё большая скорость. На определённой высоте скорость, необходимая для создания достаточной подъёмной силы, становится равной первой космической скорости (около 7,9 км/с), необходимой для выхода на орбиту. Эта точка и была названа линией Кармана. Первоначально фон Карман получил значение около 83,8 км, но впоследствии, после округления и уточнений, Международная авиационная федерация (FAI) приняла за стандарт высоту 100 км.

Принятие в качестве стандарта

Международная авиационная федерация (FAI), которая занимается регистрацией рекордов в авиации и космонавтике, официально приняла высоту 100 км в качестве границы между атмосферой и космосом. Это решение было закреплено в правилах FAI. Согласно этим правилам, любой полёт, достигший высоты 100 км и более, считается космическим полётом, а пилот такого аппарата — астронавтом. Это стало де-факто стандартом для многих стран и организаций, хотя и не имеет статуса международного закона.

Физическое обоснование

Физический смысл линии Кармана основан на балансе между аэродинамическими и орбитальными силами.

• Аэродинамический полёт: На малых высотах (до 20–30 км) самолёты летают за счёт подъёмной силы, создаваемой крыльями при обтекании их воздухом. Чем выше, тем воздух разреженнее, и для создания той же подъёмной силы требуется либо большая скорость, либо большая площадь крыла.
• Орбитальный полёт: На очень больших высотах (свыше 150–200 км) атмосфера настолько разрежена, что её сопротивление пренебрежимо мало. Спутники и космические корабли движутся по инерции, подчиняясь законам небесной механики, и их траектория определяется гравитацией Земли.

Линия Кармана (100 км) — это высота, на которой скорость, необходимая для аэродинамического полёта (с использованием подъёмной силы), становится равной скорости, необходимой для движения по орбите. Выше этой линии для поддержания полёта требуется уже не аэродинамика, а баллистика (движение по инерции в гравитационном поле). На практике это означает, что на высоте 100 км атмосфера уже настолько разрежена, что летательный аппарат с крыльями не может эффективно создавать подъёмную силу, и для удержания на высоте ему придётся развить скорость, достаточную для выхода на орбиту.

Значение и применение

Определение статуса космического полёта

Линия Кармана является ключевым критерием для регистрации рекордов в FAI. Например, полёты первых космонавтов (Юрия Гагарина в 1961 году, Германа Титова и других) официально признаны космическими, поскольку они превысили высоту 100 км. Также она используется для определения статуса суборбитальных полётов, например, полётов кораблей серии SpaceShipOne и SpaceShipTwo (компания Virgin Galactic). Преодоление линии Кармана считается достижением статуса астронавта.

Правовые аспекты

Несмотря на широкое распространение, линия Кармана не является юридически закреплённой границей в международном космическом праве. Договор по космосу 1967 года, основной документ, регулирующий космическую деятельность, не определяет, где начинается космос. Отсутствие чёткой границы создаёт правовые коллизии. Например, полёт космического корабля на высоте 80 км может считаться космическим по одним национальным стандартам (США присваивают статус астронавта пилотам, преодолевшим высоту 50 миль — около 80,5 км) и атмосферным по другим (стандарт FAI — 100 км). Это порождает споры о юрисдикции, ответственности за ущерб и правах на пролёт.

Научное и практическое значение

Линия Кармана служит ориентиром для классификации атмосферных слоёв. Выше 100 км начинается термосфера и экзосфера, где атмосфера крайне разрежена. Для спутников на низких орбитах (например, Международная космическая станция, МКС, находится на высоте около 400 км) линия Кармана является нижней границей, ниже которой орбитальное движение становится нестабильным из-за атмосферного торможения. Спутники на высоте 100–200 км быстро теряют высоту и сгорают в атмосфере, если не имеют двигателей для коррекции орбиты.

Критика и альтернативные подходы

Споры о точном значении

Некоторые учёные и инженеры критикуют линию Кармана как произвольную и не вполне физически обоснованную. Расчёты фон Кармана были основаны на упрощённой модели атмосферы и конкретных параметрах летательного аппарата. Современные исследования показывают, что граница, на которой аэродинамический полёт становится невозможным, может варьироваться в зависимости от конструкции аппарата, его скорости и состояния атмосферы (солнечная активность, сезонные колебания). Например, для гиперзвуковых летательных аппаратов с очень большими крыльями эффективная аэродинамическая поддержка может сохраняться на несколько километров выше 100 км, а для небольших тел — теряться ниже.

Альтернативные границы

• Высота 50 миль (80,5 км): Используется Военно-воздушными силами США и некоторыми другими ведомствами для присвоения статуса астронавта. Эта граница основана на том, что на этой высоте атмосфера уже настолько разрежена, что аэродинамическое управление становится крайне затруднительным, и полёт переходит в баллистический режим.
• Высота 80 км: Часто рассматривается как нижняя граница мезосферы и начало термосферы, где начинают проявляться эффекты ионизации и свечения (северное сияние).
• Высота 400–500 км: Некоторые исследователи предлагают считать границей космоса высоту, на которой атмосферное сопротивление становится пренебрежимо малым для долговременного орбитального движения. Однако эта граница сильно варьируется в зависимости от солнечной активности.
• Физическая граница: Некоторые учёные предлагают отказаться от фиксированной высоты и определять границу космоса по физическому критерию — например, по высоте, на которой сила аэродинамического сопротивления становится меньше силы гравитационного притяжения для типичного космического аппарата.

Правовая неопределённость

Отсутствие юридически закреплённой границы создаёт проблемы для регулирования космического туризма, запусков малых спутников и военной деятельности в космосе. Например, суборбитальные полёты, не достигающие 100 км, могут формально считаться атмосферными, что может влиять на вопросы страхования, ответственности и национальной безопасности. В 2019 году Международная авиационная федерация (FAI) подтвердила свою приверженность высоте 100 км, но признала, что этот вопрос остаётся предметом обсуждения.

Интересные факты

• Первым человеком, который официально (по стандарту FAI) преодолел линию Кармана, был Юрий Гагарин 12 апреля 1961 года на корабле «Восток-1».
• В 1960-х годах США и СССР проводили запуски ракет и спутников, которые достигали высот, превышающих 100 км, но не выходили на орбиту. Эти полёты (суборбитальные) также считались космическими по стандарту FAI.
• Высота 100 км выбрана не случайно: она является круглым числом в метрической системе и удобна для расчётов. В англоязычных странах часто используется эквивалент 62,14 мили.
• Линия Кармана не является физической преградой. Космические аппараты могут пересекать её в обоих направлениях. При возвращении на Землю спутники и космические корабли входят в атмосферу на высоте около 120–100 км, где начинают испытывать значительное аэродинамическое сопротивление и нагрев.

Источники

• FAI (Fédération Aéronautique Internationale). «FAI Sporting Code – Section 8: Astronautics».
• Космическая энциклопедия «Astronaut.ru».
• «Карман, Теодор фон». Большая советская энциклопедия.
• «The Kármán Line: Where does space begin?». BBC Future.
• «Space Law: A Treatise». Francis Lyall, Paul B. Larsen.
• «The Edge of Space: Revisiting the Kármán Line». Acta Astronautica.