HVAD ER LAV JORDBANE?

Send

Fra begyndelsen af 1950'erne med programmerne Sputnik, Vostok og Mercury begyndte mennesker at "glide jordens skumle bånd". Og i en tid var alle vores missioner det, der er kendt som Low-Earth Orbit (LEO). Over tid med Apollo-missioner og dybe rummissioner, der involverer robot rumfartøjer (som Voyager-missioner), begyndte vi at vove os ud over og nå månen og andre planeter i solsystemet.

Men stort set har det store flertal af missioner til rummet gennem årene - hvad enten de er besætning eller ubesatte - været på Low-Earth Orbit. Det er her jordens enorme vifte af kommunikations-, navigations- og militære satellitter bor. Og det er her, den internationale rumstation (ISS) udfører sine operationer, som også er der, hvor hovedparten af besætningsopgaver i dag går. Så hvad er LEO, og hvorfor er vi så opmærksomme på at sende ting der?

Definition:

Teknisk er genstande i lav-jordbane i en højde mellem 160 til 2.000 km (99 til 1200 mi) over jordoverfladen. Ethvert objekt under denne højde vil være at lide af orbital forfald og vil hurtigt falde ned i atmosfæren, enten brænde op eller gå ned på overfladen. Objekter i denne højde har også en orbitalperiode (dvs. den tid det vil tage dem at kredses rundt om Jorden en gang) på mellem 88 og 127 minutter.

Objekter, der befinder sig i en bane med lav jord, udsættes for atmosfærisk træk, da de stadig befinder sig i de øverste lag af jordens atmosfære - specifikt termosfæren (80 - 500 km; 50 - 310 mi), theremopause (500-1000 km; 310– 620 mi) og eksosfæren (1000 km; 620 mi og derover). Jo højere objektets kredsløb, desto lavere er atmosfæretætheden og træk.

Over 1000 km (620 mi) vil objekter dog blive underlagt Jordens Van Allen-strålingsbælter - en zone med ladede partikler, der strækker sig til en afstand af 60.000 km fra jordoverfladen. I disse bælter er solvind og kosmiske stråler fanget af Jordens magnetfelt, hvilket fører til forskellige niveauer af stråling. Derfor missioner til LEO sigter mod holdninger mellem 160 til 1000 km (99 til 620 mi).

Egenskaber:

Inden for termosfæren, termopause og eksosfæren varierer de atmosfæriske forhold. F.eks. Indeholder den nederste del af termosfæren (fra 80 til 550 kilometer; 50 til 342 mi) ionosfæren, som er såkaldt fordi det her i atmosfæren er, at partikler ioniseres med solstråling. Som et resultat, skal ethvert rumfartøj, der kredser i denne del af atmosfæren, være i stand til at modstå niveauerne af UV og hård ionstråling.

Temperaturerne i dette område stiger også med højden, hvilket skyldes den ekstremt lave densitet af dens molekyler. Så mens temperaturerne i termosfæren kan stige så højt som 1500 ° C (2700 ° F), betyder afstanden af gasmolekylerne, at det ikke ville føles varmt for et menneske, der var i direkte kontakt med luften. Det er også i denne højde, at de fænomener, der er kendt som Aurora Borealis og Aurara Australis, er kendt for at finde sted.

Eksosfæren, som er det yderste lag af jordens atmosfære, strækker sig fra eksobasen og smelter sammen med det tomme rum, hvor der ikke er nogen atmosfære. Dette lag er hovedsageligt sammensat af ekstremt lave tætheder af brint, helium og adskillige tungere molekyler, herunder nitrogen, ilt og kuldioxid (som er tættere på eksobasen).

For at opretholde en lavjord-bane skal et objekt have en tilstrækkelig orbitalhastighed. For genstande i en højde af 150 km og derover skal en orbitalhastighed på 7,8 km (4,84 mi) pr. Sekund (28,130 km / t; 17,480 mph) opretholdes. Dette er lidt mindre end den flugthastighed, der kræves for at komme i bane, som er 11,3 kilometer (7 miles) i sekundet (40.680 km / t; 25277 mph).

På trods af det faktum, at tyngdekraften i LEO ikke er væsentligt mindre end på jordoverfladen (ca. 90%), er mennesker og genstande i bane i en konstant tilstand af frit fald, hvilket skaber følelsen af vægtløshed.

Brug af LEO:

I denne historie med rumundersøgelse har langt de fleste menneskelige missioner været til Low Earth Orbit. Den internationale rumstation kredser også i LEO mellem en højde på 320 og 380 km (200 og 240 mi). Og LEO er det, hvor størstedelen af kunstige satellitter er installeret og vedligeholdt. Årsagerne hertil er ganske enkle.

For det første ville indsættelsen af raketter og rumfærger til højder over 1000 km (610 mi) kræve betydeligt mere brændstof. Og inden for LEO oplever kommunikations- og navigationssatellitter såvel som rummissioner høj båndbredde og lav kommunikationstidsforsinkelse (alias latens).

Til jordobservation og spionsatellitter er LEO stadig lav nok til at få et godt kig på jordoverfladen og løse store genstande og vejrmønstre på overfladen. Højden giver også mulighed for hurtige orbitalperioder (lidt over en time til to timer lange), hvilket giver dem mulighed for at kunne se det samme område på overfladen flere gange på en enkelt dag.

Og selvfølgelig, i højder mellem 160 og 1000 km fra jordoverfladen, er genstande ikke udsat for den intense stråling af Van Allen-bælterne. Kort sagt, LEO er det enkleste, billigste og sikreste sted til udrulning af satellitter, rumstationer og besætning af rumopgaver.

Problemer med rumfald:

På grund af dens popularitet som destinationer for satellitter og rummissioner og med stigninger i rumfartøjer i løbet af de sidste par årtier, bliver LEO også mere og mere overbelastet med pladsrester. Dette tager form af kasserede raketstadier, ikke-fungerende satellitter og affald skabt af kollisioner mellem store stykker affald.

Eksistensen af dette snavs felt i LEO har ført til voksende bekymring i de senere år, da kollisioner med høj hastighed kan være katastrofale for rummissioner. Og med hver kollision oprettes yderligere affald, hvilket skaber en destruktiv cyklus kendt som Kessler-effekten - som er opkaldt efter NASA-forsker Donald J. Kessler, der først foreslog det i 1978.

I 2013 estimerede NASA, at der kan være så meget som 21.000 bit søppel større end 10 cm, 500.000 partikler mellem 1 og 10 cm og mere end 100 millioner mindre end 1 cm. Som et resultat er der i de seneste årtier blevet truffet talrige foranstaltninger for at overvåge, forebygge og afbøde pladsrester og kollisioner.

I 1995 blev for eksempel NASA det første rumfartsagentur i verden, der udstedte et sæt omfattende retningslinjer for, hvordan man kan afbøde orbitalt affald. I 1997 svarede den amerikanske regering ved at udvikle Orbital Debris Mitigation Standard Practices, baseret på NASA's retningslinjer.

NASA har også oprettet Orbital Debris Program Office, som koordinerer med andre føderale afdelinger for at overvåge pladsrester og håndtere forstyrrelser forårsaget af kollisioner. Derudover overvåger det amerikanske rumovervågningsnetværk i øjeblikket omkring 8.000 objekter, der betragtes som kollisionsfare, og giver en kontinuerlig strøm af baneoplysninger til forskellige agenturer.

Det Europæiske Rumagenturs (ESA) Space Debris Office vedligeholder også databasen og informationssystemet, der karakteriserer objekter i rummet (DISCOS), som giver oplysninger om lanceringsdetaljer, orbitalhistorier, fysiske egenskaber og missionebeskrivelser for alle objekter, der i øjeblikket spores af ESA. Denne database er internationalt anerkendt og bruges af næsten 40 agenturer, organisationer og virksomheder over hele verden.

I over 70 år har Low-Earth Orbit været legepladsen for menneskelig rumfærdighed. Lejlighedsvis har vi vovet os ud over legepladsen og længere ud i solsystemet (og endda ud over). I de kommende årtier forventes en meget mere aktivitet at finde sted i LEO, som inkluderer indsættelse af flere satellitter, cubesats, fortsatte operationer ombord på ISS og endda luftrummeturisme.

Naturligvis kræver denne stigning i aktivitet, at vi gør noget ved alt det skrammel, der gennemsyrer rumbanerne. Med flere pladsbureauer, private luftfartsselskaber og andre deltagere, der ønsker at drage fordel af LEO, bliver der brug for noget seriøs oprydning. Og nogle ekstra protokoller er helt sikkert nødvendigt at udvikle for at sikre, at det forbliver rent.

Vi har skrevet mange interessante artikler om kredsløb omkring Jorden her i Space Magazine. Her er hvad er Jordens kredsløb?, Hvor højt er rummet?, Hvor mange satellitter er i rummet?, Nord- og sydlyset - Hvad er en Aurora? og hvad er den internationale rumstation?

Hvis du gerne vil have mere information om bane på lav jord, kan du tjekke om typer af bane fra Det Europæiske Rumagenturs websted. Her er også et link til NASAs artikel om Low Earth Orbit.

Vi har også optaget en hel episode af Astronomy Cast alt om at komme rundt i solsystemet. Lyt her, Afsnit 84: At komme rundt i solsystemet.

Kilder: