Спутники научат «зависать» над полюсами под солнечным парусом

Инженер Колин Макиннес (Colin McInnes) из Университета Глазго (Великобритания) совместно с коллегами из Европейского космического агентства (ESA) разработал набор параметров для орбит «полярных» спутников, а также предложил ряд принципиальных технологических решений для таких аппаратов. Новые спутники будут использовать сложную систему из солнечного паруса и ионных двигателей, чтобы постоянно «балансировать» над полюсами Земли, а не вращаться вокруг неё по кругу, сообщает сайт ESA.

Обычно искусственные спутники вращаются вокруг нашей планеты и имеют эллиптическую, так называемую кеплеровскую орбиту. Современные спутники также, как правило, являются геосинхронными (в этом случае орбита обращающегося вокруг Земли спутника имеет период обращения, равный звёздному периоду вращения Земли). Частный случай такой орбиты — геостационарная — спутник вращается вокруг планеты над её экватором, при этом в горизонтальной системе координат направление на него не изменяется ни по азимуту, ни по высоте над горизонтом. Спутник словно висит в небе неподвижно, как будто привязанный к определённой точке на поверхности планеты.

Такое положение позволяет космическим аппаратам долго удерживаться на определённой орбите без большого расхода топлива. Однако в целом ряде случаев от спутников требуется хорошо «видеть» приполярные зоны — например, это необходимо навигационным системам ГЛОНАСС и европейской Galileo. Чем меньше расстояние от спутника до данной точки поверхности планеты, тем точнее сигналы такой системы — именно поэтому в приполярных областях ГЛОНАСС даёт координаты точнее GPS, спутники которой дальше от полюса. Кроме того, удалённый мониторинг поверхности и разведывательные цели также требуют возможности надолго зависать над приполярными областями.

До последнего времени это было практически невозможно. Дело в том, что все некруговые (некеплеровские) орбиты не только очень сложны в смысле расчёта их параметров, но и требуют от спутника использовать какие-то двигатели, удерживающие его над полюсом. В 2009–2015 годах Макиннес провёл большую работу в рамках проекта VisionSpace, рассчитывая оптимальные параметры таких орбит и требующиеся для них системы спутникового маневрирования.

В итоге инженер пришёл к выводу, что для первого экспериментального «полярного» спутника, который разрабатывает ESA, потребуется сложная система из солнечного паруса — тонкой мембраны, от которой отражаются фотоны солнечного света, «отталкивая» космический аппарат в противоположную сторону, а также ионные двигатели.

Поодиночке ни та, ни другая система на сегодняшнем техническом уровне не могут обеспечить спутнику устойчивого пребывания в надполярных областях. Солнечный парус нужного размера был бы слишком велик, да и в земной или лунной тени он не работает. Ионный двигатель требуемой мощности довольно тяжёл, к тому же потребляет немало топлива. Однако вместе они вполне могут обеспечить длительную и устойчивую работу спутника весом около ста килограмм.

Макиннес считает, что некеплеровские орбиты имеют «двойное назначение». Те из них, что пригодны для «висящих» спутников и наиболее стабильны, могут, по его мнению, использоваться для размещения на них небольших астероидов. Ранее группа Макиннеса в рамках соответствующего исследования обнаружила новое семейство из сравнительно небольших тел диаметром от 2 до 60 метров. По расчётам учёных, они могут быть доставлены на приполярные орбиты с помощью существующих двигателей. Проработка гибридных систем, использующих одновременно и солнечный парус, и ионные двигатели способна пригодиться и для временного удержания в таких районах метеороиодов и мелких астероидов, полагает учёный.