Номер 2, страница 34 - гдз по физике 10 класс учебник Закирова, Аширов

2. Подготовьте сообщение по темам (на выбор):

1. «Запуск первого ИСЗ».

2. «Решение проблемы космического мусора».

3. «Почему возможны столкновения ИСЗ?»

4. «Орбита захоронения».

1. «Запуск первого ИСЗ»

Запуск первого в истории человечества искусственного спутника Земли (ИСЗ) стал эпохальным событием, открывшим космическую эру. Это произошло 4 октября 1957 года в Советском Союзе.

Ключевые факты о запуске:

• Название спутника: Официальное название — «Простейший Спутник-1» (ПС-1), но во всем мире он стал известен как «Спутник-1».
• Разработчики: Спутник был создан в ОКБ-1 под руководством главного конструктора Сергея Павловича Королёва.
• Конструкция: ПС-1 представлял собой герметичный шар из алюминиевых сплавов диаметром 58 сантиметров и массой 83,6 килограмма. На его поверхности были закреплены четыре стержневые антенны длиной 2,4 и 2,9 метра. Внутри находились радиопередатчики, система терморегуляции, датчики и источники питания (серебряно-цинковые аккумуляторы).
• Ракета-носитель и космодром: Запуск был осуществлен с 5-го Научно-исследовательского испытательного полигона Министерства обороны СССР (ныне космодром Байконур) с помощью ракеты-носителя Р-7 «Семёрка».
• Орбита и сигнал: Спутник был выведен на эллиптическую орбиту с высотой в перигее 228 км и в апогее 947 км. Период обращения составлял около 96,2 минуты. Радиопередатчики спутника работали на частотах 20,005 и 40,002 МГц, излучая знаменитые сигналы «бип-бип». Эти сигналы мог принимать любой радиолюбитель на Земле.

Значение запуска:

• Начало космической эры: Запуск первого ИСЗ ознаменовал практическое начало освоения космоса.
• Научный прорыв: Изучение характера радиосигналов и торможения спутника в верхних слоях атмосферы позволило получить новые данные о строении ионосферы и плотности атмосферы.
• Политическое значение: Успешный запуск продемонстрировал высокий научно-технический потенциал СССР и стал катализатором «космической гонки» между СССР и США, которая привела к бурному развитию ракетно-космической техники во всем мире.

«Спутник-1» находился на орбите 92 дня, совершив 1440 оборотов вокруг Земли. 4 января 1958 года он вошел в плотные слои атмосферы и сгорел.

Ответ: Запуск первого искусственного спутника Земли, «Спутника-1», был осуществлен СССР 4 октября 1957 года. Этот аппарат массой 83,6 кг был выведен на орбиту ракетой Р-7 и передавал радиосигналы, которые принимались по всему миру. Это событие открыло космическую эру, дало старт «космической гонке» и привело к важным научным открытиям о верхних слоях атмосферы и ионосфере.

2. «Решение проблемы космического мусора»

Космический мусор — это все нефункционирующие объекты искусственного происхождения на орбите Земли: отработавшие спутники, ступени ракет, обломки, образовавшиеся в результате взрывов и столкновений. Эта проблема становится все более острой, так как мусор представляет серьезную угрозу для действующих космических аппаратов, включая пилотируемые станции.

Методы решения проблемы делятся на две категории: пассивные (предупреждение) и активные (уборка).

Пассивные методы (митигация):

• Пассивация: После завершения миссии из космического аппарата или ступени ракеты стравливаются остатки топлива и газов, а аккумуляторы разряжаются. Это предотвращает возможные взрывы, которые являются одним из основных источников нового мусора.
• Своевременный увод с орбиты: Международные стандарты (например, «правило 25 лет») требуют, чтобы спутники, работающие на низкой околоземной орбите (НОО), были спроектированы так, чтобы в течение 25 лет после окончания миссии они либо сгорели в атмосфере, либо были переведены на орбиту захоронения.
• Использование орбит захоронения: Для спутников на геостационарной орбите (ГСО), где торможение для схода с орбиты требует огромного расхода топлива, применяется увод на более высокую «орбиту захоронения».
• Проектирование «на сгорание» (Design for Demise): Использование материалов и конструкций, которые гарантированно полностью сгорают при входе в атмосферу, не оставляя обломков, достигающих поверхности Земли.

Активные методы (уборка, Active Debris Removal - ADR):

Эти технологии находятся в основном на стадии разработки и экспериментальной проверки:

• Сети и гарпуны: Спутник-уборщик сближается с объектом мусора и захватывает его с помощью сети (проект RemoveDEBRIS) или гарпуна, после чего уводит его в атмосферу.
• Роботизированные манипуляторы: Использование роботизированной руки для захвата мусора и его последующей утилизации.
• Лазерное воздействие: Мощный лазер (наземный или космический) направляется на объект мусора. Испарение небольшого слоя материала с поверхности (абляция) создает реактивную тягу, которая изменяет орбиту объекта, ускоряя его падение.
• Электродинамические тросы: Трос, спущенный со спутника, при движении в магнитном поле Земли генерирует электрический ток, что создает силу, тормозящую спутник и ускоряющую его сход с орбиты.

Решение проблемы космического мусора требует комплексного подхода и международного сотрудничества, так как засорение околоземного пространства является общей угрозой для всей космической деятельности.

Ответ: Решение проблемы космического мусора включает пассивные методы (предотвращение появления нового мусора через пассивацию аппаратов и их плановый увод с орбиты) и активные методы (разработка технологий для «уборки» уже существующего мусора с помощью сетей, гарпунов, лазеров и роботизированных систем). Международное сообщество разрабатывает правила и стандарты, направленные на уменьшение засорения космоса.

3. «Почему возможны столкновения ИСЗ?»

Столкновения искусственных спутников Земли (ИСЗ) и других космических объектов, несмотря на огромные просторы космоса, не только возможны, но и уже происходили. Это связано с несколькими ключевыми факторами.

• Высокая концентрация объектов: Наиболее используемые орбиты, особенно низкая околоземная орбита (НОО, высота до 2000 км) и геостационарная орбита (ГСО, высота ~36000 км), переполнены. На НОО находятся тысячи действующих спутников, десятки тысяч крупных обломков (размером более 10 см), отслеживаемых с Земли, и, по оценкам, миллионы более мелких, но все еще опасных фрагментов.
• Огромные скорости: Объекты на НОО движутся со скоростями порядка 7-8 км/с. При столкновении двух объектов их относительная скорость может достигать 15 км/с. Кинетическая энергия $ E_k = \frac{1}{2}mv^2 $ при таких скоростях колоссальна. Даже крошечный объект массой в несколько граммов (например, частица краски) несет энергию, сравнимую с энергией пули, и способен пробить обшивку космического аппарата. Объект размером в 1 см может полностью разрушить спутник.
• Пересекающиеся траектории: Спутники движутся по разным орбитам с разным наклонением. Например, спутники на полярных орбитах при каждом витке пересекают экваториальную плоскость, где сосредоточено большое количество других аппаратов. Эти точки пересечения являются зонами повышенного риска.
• Синдром Кесслера: Эта теория, предложенная Дональдом Кесслером в 1978 году, описывает гипотетический сценарий, при котором плотность объектов на НОО становится настолько высокой, что столкновения порождают цепную реакцию. Каждое столкновение создает облако новых обломков, что экспоненциально увеличивает вероятность последующих столкновений. В конечном итоге это может сделать околоземное пространство непригодным для использования на многие десятилетия. Первое крупное столкновение двух спутников (американского Iridium 33 и российского «Космос-2251») в 2009 году, породившее тысячи обломков, показало, что этот сценарий вполне реален.
• Неконтролируемые объекты: Вышедшие из строя спутники и отработавшие ступени ракет превращаются в неуправляемый космический мусор. Они не могут выполнять маневры уклонения, и их траекторию можно предсказать лишь с определенной точностью, так как на нее влияют труднопрогнозируемые факторы, такие как гравитационные аномалии, солнечное давление и сопротивление остаточной атмосферы.

Ответ: Столкновения ИСЗ возможны из-за высокой концентрации объектов на популярных орбитах, их огромных скоростей (до 15 км/с относительно друг друга), пересечения орбит и наличия большого количества неуправляемого космического мусора. Каждое столкновение может породить тысячи новых обломков, увеличивая риск по принципу цепной реакции (синдром Кесслера).

4. «Орбита захоронения»

Орбита захоронения (англ. graveyard orbit или disposal orbit) — это специальная орбита, на которую переводят космические аппараты по окончании срока их службы. Основная цель — освободить ценные рабочие орбиты и снизить вероятность столкновений.

Применение на геостационарной орбите (ГСО):

Наиболее широкое применение орбиты захоронения нашли для спутников на геостационарной орбите. ГСО — это уникальная круговая орбита на высоте примерно 35 786 км над экватором, где угловая скорость спутника равна скорости вращения Земли. Спутник на ГСО «висит» над одной точкой земной поверхности, что идеально для телекоммуникаций и метеорологии. Эта орбита — ограниченный ресурс, и ее засорение неработающими аппаратами недопустимо.

Почему не сведение в атмосферу?

Торможение спутника на ГСО для его последующего падения и сгорания в атмосфере требует огромного количества топлива. Необходимое для этого изменение скорости ($ \Delta v $) составляет около 1,5 км/с. Напротив, для перевода на орбиту захоронения, расположенную выше, требуется гораздо меньшее изменение скорости — всего около 11 м/с. Поэтому с экономической и технической точек зрения увод на орбиту захоронения является единственным рациональным решением для аппаратов на ГСО.

Параметры орбиты захоронения для ГСО:

Согласно рекомендациям Межагентского координационного комитета по космическому мусору (IADC), спутник должен быть переведен на орбиту, перигей которой находится на высоте, превышающей ГСО на определенную величину. Минимальное увеличение высоты ($ \Delta H $) рассчитывается по формуле:

$ \Delta H = 235 \text{ км} + (1000 \cdot C_R \cdot \frac{A}{m}) $

где $ 235 \text{ км} $ — это защитная зона вокруг ГСО, $ C_R $ — коэффициент давления солнечного излучения, $ A $ — площадь поперечного сечения спутника в м², а $ m $ — его масса в кг. Второй член формулы учитывает влияние гравитационных возмущений и давления солнечного света, которые могут со временем изменить орбиту «похороненного» спутника. На практике спутники обычно поднимают на 300-350 км выше ГСО.

Орбиты захоронения для других орбит:

Для спутников на низких околоземных орбитах (НОО) концепция орбит захоронения практически не используется. Международные соглашения, наоборот, предписывают их сводить с орбит в течение 25 лет после окончания миссии для сгорания в атмосфере Земли, чтобы не создавать долгоживущий мусор.

Ответ: Орбита захоронения — это орбита, расположенная на несколько сотен километров выше основной рабочей орбиты, куда переводят отработавшие спутники. Это делается для того, чтобы освободить ценные орбитальные «слоты» и снизить риск столкновений. Наиболее активно этот метод применяется для спутников на геостационарной орбите, так как их сведение в атмосферу требует слишком больших затрат топлива.