Кратко: спутники на НОО (низкой околоземной орбите) встречают разрежённую остаточную атмосферу (экзосферу/термосферу). При высокой орбитальной скорости это даёт аэродинамическое сопротивление, которое теряет энергию орбиты и вызывает её спад — уменьшение большой полуоси и в конечном счёте — падение на Землю.
Почему это происходит (физика)
- Остаточная плотность воздуха при высотах ~100–1000 км хотя и мала, но на скорости спутника $v\sim 7-8km/s$ приводит к заметной силе сопротивления.
- Силу можно оценить как
$$F_D=\frac{1}{2}{C}_{D}A\rho v^2,$$ где $C_D$ — коэффициент сопротивления, $A$ — эффективная площадь, $\rho$ — плотность воздуха, $v$ — скорость относительная атмосфере. Ускорение (замедление) для спутника массы $m$:
$$a_D=\frac{F_D}{m}=\frac{1}{2}\frac{C_{D}A}{m}\rho v^2.$$ Удобная характеристика — баллистический коэффициент $B=\frac{m}{C_{D}A}$ (чем больше $B$, тем меньше эффект сопротивления).
Как это влияет на орбиту (количественно и качественно)
- Потеря механической энергии (мощность рассеяния на единицу массы):
$$\dot{\epsilon }=\frac{\dot{E}}{m}=a_D\cdot v\approx -\frac{1}{2}\frac{C_{D}A}{m}\rho v^3.$$ - Для большой полуоси $a$ и гравитационного параметра Земли $\mu$ специфическая энергия $\epsilon =-\frac{\mu }{2a}$. Тогда скорость убывания полуоси:
$$\dot{a}=\frac{2a^2}{\mu }\dot{\epsilon }=-\frac{a^2}{\mu }\frac{C_{D}A}{m}\rho v^3.$$ - Последствия: для почти круговой орбиты сопротивление постепенно уменьшает высоту при почти постоянном снижении $a$; для сильно эллиптических орбит сопротивление в основном действует в перигее и приводит к частичной циркуляризации и последующему общему спадению.
- Скорость спада сильно зависит от $\rho$, которая меняется в десятки и сотни раз при изменении высоты и солнечной активности (солнечные вспышки расширяют атмосферу и увеличивают $\rho$ на НОО).
Стратегии и тактика коррекции орбиты
- Проектирование:
- Выбирать рабочую высоту: выше → меньше сопротивления (но другие задачи/радиация). Типично для длительных миссий выбирают >500–600 км или используют активную компенсацию на 300–500 км.
- Минимизировать площадь/увеличить массу (увеличить $B$) для уменьшения затухания.
- Активное поддержание:
- Периодические «ре‑бусты» (импульсы $\Delta v$) для восполнения потерянной энергии. Частота и величина зависят от высоты, площадно-массовых характеристик и погодных условий в верхней атмосфере.
- Электрические двигатели (постоянный малый тяговой уровень) эффективны для длочных мелких коррекций.
- Операционные меры:
- Прогнозирование плотности атмосферы с моделями (например, NRLMSISE‑00) и учёт солнечной активности при планировании манёвров.
- Для малых спутников — сознательное использование сопротивления для естественного демпинга и быстрого вывода из эксплуатации (drag sail) либо напланированного дестрикома.
- Конец срока службы:
- Планируемая деорбита либо контролируемый спуск; для соблюдения правил космической устойчивости рекомендуется обеспечить срыв с орбиты в допустимые сроки.
Практическая заметка: величина требуемого годового $\Delta v$ и время жизни очень варьируют (от дней/месяцев для маленьких CubeSat на ~200–400 км до десятков лет для более высоких орбит). Точный расчёт требует входных данных: высота, $B$, профиль $\rho (h,t)$ и прогнозы солнечной активности.