Uydular ne kadar süre uçabilir? Neden sonsuza kadar gökyüzünde uçmuyoruz?Orijinal
Adından da anlaşılacağı gibi, uydunun yörüngedeki ömrü, bir uydunun yörüngede kaldığı süreyi ifade eder ve bir uydunun yörüngeye girdiği andan düştüğü ana kadar geçen zaman aralığıdır. Bir uydunun yörüngedeki ömrünü etkileyen birçok faktör vardır.En önemli faktör dünya atmosferinin tıkanmasıdır.Uydu ile atmosfer arasındaki sürtünme yavaş yavaş uydunun kinetik enerjisini kaybederek yörüngenin bozulmasına ve ardından yörüngenin bozulmasına neden olur. sonbahar. Ayrıca uydu yüzey-kütle oranı, çalışma tutumu ve uzay ortamı gibi faktörler de uydunun yörüngedeki ömrünü etkileyecektir.
Dünya Atmosferinin Yörüngedeki Uydu Yaşamına Etkisi
Dünya'nın, dünya yüzeyinden yaklaşık 1000 km yüksekliğe kadar uzanan ve dünyada yaşamı kundak gibi bebeksi bir koruma sağlayan kalın bir atmosferle çevrili olduğunu biliyoruz. Yüzey sıcaklığını nispeten sabit tutan, dünyanın yalıtkan tabakasıdır; ultraviyole radyasyonun çoğunu emer, bu nedenle dünyadaki yaşam yok olma tehlikesiyle karşı karşıya değildir; zaman zaman uzayda meteorlar dünyaya düşer ve çünkü atmosferin korunması, afetlerin çoğunu etkisiz hale getirebildi. Ancak atmosferin etkisi pek tatmin edici değildir. Göktaşları için, atmosfer tarafından üretilen sürtünme direnci onları hızlı bir şekilde çarpabilir, ancak yapay dünya uyduları için bu direnç, yörüngedeki uyduların görünmez bir katilidir.
Şekil 1 Yaklaşık 50.000 yıl önce oluşmuş, yaklaşık 1200 m çapında ve yaklaşık 170 m genişliğinde, Arizona, ABD'deki Barringer krateri
Şekil 2 Atmosferik direncin etkisi altında, uydunun yörünge yüksekliği alçalan bir spiral gibi yavaş yavaş azalır.
Uydular çok çeşitli irtifalarda çalışırlar.1960 yılında 53. Barselona Uluslararası Havacılık Konferansı'nın düzenlemelerine göre, dünya yüzeyinden 100km üzerindeki boşluk uzay boşluğudur ve uydular bu irtifanın üzerinde uçabilirler, ancak uyduların çalışma irtifaları şu şekildedir: genellikle 100 km'den daha yüksektir Örneğin, ortak Dünya'ya yakın uydularımız genellikle yaklaşık 400 km'lik bir yörünge yüksekliğine sahiptir. Uydunun yüksekliği neden çok düşük olamıyor? Ana faktör atmosferin yoğunluğudur. Atmosferin kütlesinin %90'ı 30km'nin altında yoğunlaşmıştır.30km'nin üzerinde, irtifa artışıyla atmosfer yoğunluğu keskin bir şekilde düşer.100km rakımda, atmosferik yoğunluk deniz seviyesindekinin milyonda biri kadardır ve 120km irtifada, deniz seviyesindekinin birkaç milyonda biri kadardır.10.000.000'de 1, 200km yükseklikte yaklaşık 500.000.000'de 1'dir, irtifa arttıkça atmosferik yoğunluğun katlanarak azaldığı görülebilir. Uydunun çalışma irtifası ne kadar düşükse, atmosfer o kadar yoğun ve uydunun yörünge ömrü o kadar kısadır.
Yörünge irtifaları en düşük olan uydular keşif uydularıdır.Bazıları yaklaşık 120km irtifaya bile ulaşabilmektedir.Ancak özel görevlere sahip bu uyduların ömürleri genellikle çok kısadır.Ya hızlı düşerler ya da çok fazla yakıt taşırlar. rotadaki durumu korumak için değişim frenlemesi korunur. Örneğin, Şubat 1959'da Amerika Birleşik Devletleri tarafından fırlatılan insanlık tarihindeki ilk keşif uydusu "Discoverer 1", yaklaşık 114 km'lik bir perigee irtifasına ve sadece 3 günlük bir yörünge ömrüne sahiptir.
Şekil 3 Atmosferik yoğunluk dağılım eğrisi
Uydu yörünge ömrü üzerindeki uzay ortamı rahatsızlığının etkisi
Uzay ortamı rahatsızlıkları atmosferik yoğunlukta dramatik değişikliklere neden olabilir.Çeşitli uzay aktivitelerinde, uzay ortamı rahatsızlıklarının atmosferik yoğunluk üzerindeki etkilerini tanımlamak için genellikle atmosferik modeller kullanılır. Bu atmosferik modeller genellikle en önemli iki girdi parametresini içerir, biri güneş ışınımının etkisini tanımlamak için kullanılan F10.7 endeksi ve diğeri jeomanyetik alanın etkisini tanımlamak için kullanılan Ap endeksidir.
F10.7, esas olarak güneş EUV radyasyonunun büyüklüğünü tanımlar. Üst atmosfer, güneş aşırı ultraviyole radyasyonunu emer ve emilen enerjinin %20~30'u üst atmosferi ısıtmak için kullanılır.Bu nedenle, F10.7 arttığında, atmosferik sıcaklık artar ve atmosferik yoğunluk artar; Ap indeksi esas olarak açıklar jeomanyetik alanın değişimi. Yerel manyetizma sakin olduğunda, güneş rüzgarı tarafından taşınan enerji, güneş aşırı ultraviyole radyasyonunun sadece onda biri kadardır, ancak bir jeomanyetik fırtına sırasında, güneş rüzgarı aşırı ultraviyole radyasyondan on kat veya daha fazla enerji getirir. ısınmanın ve yüksek enerjili partikül birikiminin etkisiyle, atmosferin yoğunluğu kısa sürede hızla artacak ve uyduya karşı atmosferik direnç de aniden artacak ve böylece uydunun yörüngesinin zayıflaması hızlanacaktır.
Örneğin, 12 Nisan 1981'de ABD uzay mekiği "Columbia"nın uçuşu sırasında, şiddetli bir uzay ortamı rahatsızlık olayı ile karşılaştı.Atmosfer yoğunluğundaki ani artış, uzay mekiğinin beklenenden 60 kat daha hızlı bir şekilde daha alçak bir yörüngeye inmesine neden oldu. .%. Diğer bir örnek, Mart 1989'daki "Carrington Olayı"dır. Uzay ortamının şiddetli bir şekilde bozulması, atmosferik yoğunlukta keskin bir artışa neden oldu ve bu da atmosferik yoğunluğu 840 km yükseklikte 9 kat arttırdı. Atmosferik yoğunluktaki çarpıcı artış, ABD Solar Zirve Uydusunun (SMM) etkinlik boyunca 5 km yükseklikte düşmesine neden olarak erken düşüşüne yol açtı.
Şekil 4 Carrington olayı sırasında, uzay ortamı şiddetle bozuldu ve atmosferik yoğunluk keskin bir şekilde arttı
Uydunun yörüngedeki ömrünü etkileyen diğer faktörler
Atmosferik yoğunluğa ek olarak, uydunun kendisinin fiziksel parametreleri de yörüngedeki yaşam üzerinde büyük bir etkiye sahip olacaktır.Çok önemli bir parametre, uydunun kütlesinin kütleye oranı olan uydunun yüzey-kütle oranıdır. kesit alanı. Uydunun kütlesi ne kadar büyükse, uydunun ataleti o kadar büyük ve kesit alanı ne kadar küçükse, uydu o kadar az atmosferik direnç alır.Bu nedenle, yüzey-kütle oranı ne kadar küçükse, o kadar uzun olur. uydunun yörünge ömrü ve bunun tersi.
Bir uydunun kütlesini belirlemek genellikle kolaydır, ancak kesit alanının hesaplanması değildir. Kesit alanı, uydunun şekli ve çalışma tutumu ile ilgilidir.Genellikle, uydunun şekli karmaşıktır ve çalışma tutumu sıklıkla değişir.Uydunun konumu sabit olsa bile, etkin kesit alanı zamanla değişecektir, bu nedenle uydunun yüzey-kütle oranı çoğunlukla değişim her zaman oluyor.
Şekil 5 Kararlı konumu olan CHAMP uydusu, kesit alanı değişim eğrisi
Uydunun yörüngedeki ömrü nasıl tahmin edilir?
Özetle, bir uydunun yörüngedeki ömrünü etkileyen ana faktör atmosfer yoğunluğudur ve atmosferik yoğunluk uydunun yüksekliği ve uzay ortam koşulları ile yakından ilişkilidir.Ayrıca uydu yüzey-kütle oranı ve çalışma tutumu da çok önemli faktörlerdir. Bu faktörlerin etkisi uygun şekilde dikkate alınabilirse, uydunun yörüngedeki ömrü kabaca tahmin edilebilir.
Şekil 6, farklı fırlatma yıllarında uluslararası üne sahip STK yazılımı tarafından simüle edilen 400km yükseklikte alan kütle oranı 0,01 olan küresel bir uydunun yörünge bozulmasının zaman eğrisidir. Yatay eksen, farklı uzay ortamı koşullarını temsil eden fırlatma zamanını temsil eder ve dikey eksen, uydunun 400km'den 250km'ye düşmesi için gereken süreyi temsil eder.
Şekil 6. Farklı fırlatma yıllarında alan-kütle oranı 0,01 olan uyduların yörünge bozulma süresi eğrileri
24. güneş aktivite döngüsünün düşük yılı 2019 civarında olduğundan, güneş aktivitesi 2016'dan 2019'a kademeli olarak azalır ve atmosferik yoğunluk kademeli olarak azalır. Bu yüzey-kütle oranı altında, 400 km yükseklikteki uyduların ömrü genellikle 1-2 yıldır, bu nedenle uyduların yörüngedeki ömrü yıldan yıla artar.
Bir uydunun yörüngedeki ömrünü etkileyen birçok faktör olduğu için, yörüngedeki ömrü tasarlarken çeşitli yönlerin etkisini hesaba katmak gerekir. Sadece çeşitli faktörlerin etkisi uygun şekilde dikkate alındığında, uydu beklendiği gibi uzayda kalabilir ve çeşitli bilimsel araştırma ve deneysel görevleri tamamlayabilir.
Yazar, Çin Bilimler Akademisi Ulusal Uzay Bilimleri Merkezi'nde araştırmacıdır.
Çin Bilimler Akademisi Ulusal Uzay Bilimleri Merkezi'nin WeChat'ine hoş geldiniz
