Низкая околоземная орбита

Низкая околоземная орбита (НОО, англ. Low Earth Orbit, LEO) — область космического пространства вокруг Земли с высотой от 160 до 2000 км над уровнем моря. Это наиболее освоенный и густонаселённый искусственными спутниками участок космоса, характеризующийся относительно низкими энергетическими затратами на выведение аппаратов, коротким периодом обращения (от 88 до 127 минут) и значительным влиянием атмосферы Земли, которая вызывает постепенное торможение и сход с орбиты.

Определение и границы

Однозначного международного определения границ НОО не существует. Наиболее распространённой является граница, установленная Комитетом ООН по использованию космического пространства в мирных целях: от 160 км (нижняя граница, где атмосферное сопротивление становится существенным для поддержания орбиты) до 2000 км. Нижняя граница совпадает с линией Кармана (100 км), которая условно отделяет атмосферу от космоса, однако на высоте 100—160 км спутники не могут совершить полный виток без активной коррекции из-за быстрого торможения. Верхняя граница (2000 км) отделяет НОО от средней околоземной орбиты (СОО, 2000—35786 км).

Физические характеристики

Атмосферное сопротивление

На высотах до 1000 км атмосфера Земли, хотя и крайне разрежена, оказывает тормозящее воздействие на спутники. Плотность атмосферы на высоте 200 км составляет около 10⁻¹⁰ кг/м³, на 800 км — 10⁻¹⁴ кг/м³. Это приводит к постепенному снижению высоты орбиты. Для низких орбит (200—400 км) без коррекции спутник может находиться на орбите от нескольких недель до нескольких лет. Для компенсации торможения на спутниках устанавливают двигатели коррекции орбиты.

Период обращения

Период обращения спутника на НОО зависит от высоты. На высоте 200 км он составляет около 88 минут, на высоте 2000 км — около 127 минут. Для спутников на высоте около 400 км (типичная высота Международной космической станции (МКС)) период обращения составляет примерно 92 минуты. За сутки такой спутник совершает около 15—16 витков вокруг Земли.

Радиационная обстановка

Внутри НОО радиационная обстановка определяется солнечной активностью и положением относительно радиационных поясов Ван Аллена. Внутренний радиационный пояс (протоны высоких энергий) начинается с высоты около 500—1000 км в районе Южно-Атлантической аномалии. На высотах до 500 км радиационный фон относительно низкий, что делает НОО пригодной для пилотируемых миссий.

История освоения

Первые спутники

4 октября 1957 года СССР запустил первый в мире искусственный спутник Земли «Спутник-1» на орбиту с высотой апогея 947 км и перигея 228 км. Это стало началом практического освоения НОО. В 1961 году Юрий Гагарин на корабле «Восток-1» совершил первый полёт человека в космос, также на НОО (высота орбиты 181—327 км).

Развитие пилотируемых станций

В 1971 году СССР запустил первую в мире орбитальную станцию «Салют-1», работавшую на высоте около 200—250 км. В 1986 году на орбиту была выведена станция «Мир», проработавшая до 2001 года на высоте 320—400 км. С 1998 года на НОО (высота 408—420 км) эксплуатируется Международная космическая станция (МКС) — крупнейший искусственный объект на орбите.

Современные тенденции

С 2010-х годов наблюдается резкий рост числа спутников на НОО благодаря развитию малых космических аппаратов (кубсатов) и появлению частных космических компаний. Крупнейшими проектами стали спутниковые группировки для широкополосного интернета: Starlink (компания SpaceX, США) и OneWeb (Великобритания). По состоянию на 2024 год на НОО находится более 10 000 действующих спутников, из которых около 60 % принадлежат группировке Starlink.

Классификация орбит

По наклонению

• Полярные орбиты (наклонение 90°): спутник проходит над полюсами Земли, позволяя наблюдать всю поверхность планеты за несколько витков. Используются для метеорологических, разведывательных и картографических спутников.
• Солнечно-синхронные орбиты (ССО, наклонение 97—99°): подкласс полярных орбит, при котором плоскость орбиты поворачивается синхронно с движением Земли вокруг Солнца. Спутник всегда проходит над заданной точкой в одно и то же местное время. Используются для спутников дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ).
• Приполярные орбиты (наклонение 80—90°): близки к полярным, но не проходят строго над полюсами.
• Экваториальные орбиты (наклонение 0°): плоскость орбиты совпадает с плоскостью экватора. Используются редко на НОО из-за ограниченного покрытия.
• Наклонные орбиты (наклонение 30—60°): наиболее распространённые для пилотируемых миссий и многих спутников связи. Например, МКС имеет наклонение 51,6°.

По высоте

• Очень низкие орбиты (160—300 км): используются для краткосрочных миссий (например, космические корабли «Союз» и «Прогресс» при стыковке с МКС). Требуют частой коррекции из-за атмосферного торможения.
• Стандартные низкие орбиты (300—1000 км): наиболее распространённые. В этом диапазоне работают МКС, большинство спутников ДЗЗ, научные аппараты.
• Высокие низкие орбиты (1000—2000 км): переходная зона к средней орбите. Используются для навигационных спутников (например, российская система ГЛОНАСС имеет часть спутников на высоте около 19100 км, но некоторые — на НОО) и некоторых спутников связи.

Применение

Связь и интернет

Спутниковые группировки на НОО обеспечивают низкую задержку сигнала (10—20 мс) по сравнению с геостационарными спутниками (250—600 мс). Это делает их пригодными для широкополосного интернета, голосовой связи и видеоконференций. Крупнейшие проекты: Starlink (SpaceX), OneWeb, Kuiper (Amazon, США).

Дистанционное зондирование Земли

Спутники ДЗЗ на НОО (высота 400—800 км) обеспечивают высокое разрешение снимков (до 0,3 м в панхроматическом режиме). Используются для картографии, мониторинга сельского хозяйства, лесных пожаров, наводнений, разведки полезных ископаемых. Примеры: Landsat (NASA, США), Sentinel (Европейское космическое агентство), «Ресурс-П» (Россия).

Навигация

Хотя основные навигационные системы (GPS, ГЛОНАСС, Galileo, BeiDou) используют средние орбиты (около 20000 км), некоторые спутники на НОО применяются для повышения точности (например, спутники системы WAAS в США) или для специальных задач.

Научные исследования

НОО используется для изучения атмосферы Земли, магнитного поля, солнечной активности, микрогравитации. На МКС проводятся эксперименты по биологии, материаловедению, физике жидкостей. Специализированные научные спутники: «Хаббл» (NASA/ESA, высота 540 км), «Чандра» (NASA, высота 139 000 км, но часть миссии — на НОО), «Спектр-РГ» (Россия/Германия, высота 1,5 млн км, но запуск — через НОО).

Пилотируемые полёты

Все пилотируемые космические корабли (СССР/Россия — «Восток», «Восход», «Союз»; США — Mercury, Gemini, Apollo (только лунные миссии), Space Shuttle, Crew Dragon; Китай — «Шэньчжоу») работали или работают на НОО. МКС и китайская орбитальная станция «Тяньгун» (высота 340—450 км) являются единственными постоянно обитаемыми объектами на НОО.

Проблемы и вызовы

Космический мусор

НОО является наиболее замусоренной областью космоса. По оценкам Европейского космического агентства (ESA) на 2024 год, на НОО находится более 36 000 объектов размером более 10 см, около 1 млн объектов размером 1—10 см и более 130 млн частиц размером менее 1 см. Столкновение с крупным объектом может уничтожить спутник, а с мелким — вывести его из строя. Наиболее опасные зоны — высоты 800—1000 км, где плотность мусора максимальна. В 2009 году произошло столкновение спутников Iridium 33 (США) и «Космос-2251» (Россия), породившее тысячи новых фрагментов.

Атмосферное торможение

Спутники на высотах менее 400 км требуют регулярной коррекции орбиты. Для МКС коррекция проводится раз в 1—2 месяца с помощью двигателей грузовых кораблей «Прогресс». Без коррекции спутник сходит с орбиты за время от нескольких месяцев (на высоте 200 км) до нескольких лет (на высоте 400 км).

Радиационная опасность

В зоне Южно-Атлантической аномалии (высота 200—1000 км) уровень радиации повышен в 10—100 раз по сравнению с другими участками НОО. Это создаёт риск для электроники и здоровья космонавтов. МКС и другие пилотируемые аппараты имеют усиленную радиационную защиту.

Регулирование и перегруженность

Рост числа спутников, особенно в рамках мегагруппировок, вызывает опасения по поводу перегруженности НОО. Международные организации (ООН, Международный союз электросвязи) разрабатывают правила по предотвращению столкновений, обязательному сходу с орбиты после завершения миссии (25-летнее правило, которое с 2024 года предлагается сократить до 5 лет) и координации частот.

Перспективы

Коммерциализация

Ожидается, что к 2030 году на НОО будет находиться до 100 000 спутников, в основном в составе группировок связи и интернета. Развиваются проекты по созданию орбитальных станций для туризма (Axiom Space, США; Orbital Reef, США; российская станция РОСС, планируемая к запуску после 2030 года).

Уборка мусора

Разрабатываются технологии активного удаления космического мусора: захват сетями, гарпунами, лазерное испарение. Первые демонстрационные миссии (ClearSpace-1, ESA; ELSA-d, Astroscale, Япония) запланированы на 2025—2027 годы.

Снижение стоимости запуска

Многоразовые ракеты-носители (Falcon 9, SpaceX; «Амур-СПГ», Россия, в разработке) снижают стоимость выведения грузов на НОО до 1500—2000 долларов за килограмм, что делает НОО доступной для частных компаний и университетов.

Источники

• Космический мусор: проблемы и решения // Роскосмос, 2023.
• Low Earth Orbit (LEO) // NASA, 2024.
• Спутниковые системы связи на низкой околоземной орбите // Журнал «Радиотехника», 2022.
• Международная космическая станция: факты и цифры // ESA, 2024.
• Космонавтика: энциклопедия / под ред. В. П. Бармина. — М.: Машиностроение, 1985.