Μάθετε τι είναι η χαμηλή γήινη τροχιά (Low Earth Orbit) την οποία έχουν οι περισσότεροι τεχνητοί δορυφόροι της Γης και γιατί είναι σημαντική.
Η χαμηλή γήινη τροχιά (Low Earth Orbit ή LEO) είναι μια τροχιά κοντά στον πλανήτη μας, με υψόμετρο όχι περισσότερο από το ένα τρίτο της ακτίνας της Γης. Συχνά καθορίζεται ως τροχιακή περίοδος 128 λεπτών ή λιγότερο (που ισοδυναμεί με τουλάχιστον 11,25 περιστροφές την ημέρα) και μια εκκεντρικότητα μικρότερη από 0,25. Τα περισσότερα από τα τεχνητά αντικείμενα που έχουμε στείλει στο διάστημα βρίσκονται σε κάποια τροχιά LEO.
Ο όρος «περιοχή LEO» χρησιμοποιείται επίσης για την περιοχή του διαστήματος κάτω από υψόμετρο 2.000 χλμ (περίπου το ένα τρίτο της ακτίνας της Γης). Αντικείμενα σε τροχιές που διέρχονται από αυτήν την περιοχή, ακόμα κι αν έχουν ένα σημείο μακρυά από τη Γη ή είναι υπο-τροχιακά, παρακολουθούνται προσεκτικά επειδή παρουσιάζουν κίνδυνο σύγκρουσης στους πολλούς δορυφόρους που βρίσκονται εντός της περιοχής LEO.
Όλοι οι διαστημικοί σταθμοί μέχρι σήμερα ήταν σε χαμηλή γήινη τροχιά. Από το 1968 έως το 1972 οι σεληνιακές αποστολές του προγράμματος Apollo έστειλαν ανθρώπους πέρα από τη LEO. Από το τέλος του προγράμματος Apollo και μετά όμως δεν υπήρξαν ανθρώπινες διαστημικές πτήσεις πέρα από τη LEO.
Τα χαρακτηριστικά μιας LEO
Το ύψος ενός αντικειμένου σε ελλειπτική τροχιά μπορεί να ποικίλλει σημαντικά κατά μήκος της τροχιάς του. Ακόμη και για κυκλικές τροχιές, το υψόμετρο πάνω από το έδαφος μπορεί να κυμαίνεται έως και 30 χλμ. (ειδικά για πολικές τροχιές) λόγω της σφαιροειδούς μορφής της Γης και της τοπικής τοπογραφίας. Οι περισσότεροι ορισμοί του τι είναι η LEO εμπίπτουν στο εύρος που καθορίζεται από μια περίοδο τροχιάς 128 λεπτών, επειδή σύμφωνα με τον τρίτο νόμο του Κέπλερ, αυτό αντιστοιχεί σε έναν ημι-μείζονα άξονα 8.413 χλμ. Για κυκλικές τροχιές, αυτό με τη σειρά του αντιστοιχεί σε υψόμετρο 2.042 km (1.269 mi) πάνω από τη μέση ακτίνα της Γης, το οποίο είναι σύμφωνο με ορισμένα από τα ανώτατα όρια υψομέτρου σε κάποιους ορισμούς γήινης τροχιάς.
Η περιοχή γήινης τροχιάς ορίζεται από ορισμένες πηγές ως περιοχή στο διάστημα που καταλαμβάνει η τροχιά της LEO. Μερικές πολύ ελλειπτικές τροχιές μπορεί να διέλθουν από την περιοχή LEO κοντά στο χαμηλότερο υψόμετρο (ή περιφέρεια), αλλά δεν βρίσκονται σε τροχιά LEO επειδή το υψηλότερο υψόμετρο υπερβαίνει τα 2.000 km (1.242,7 mi). Τα υπο-τροχιακά αντικείμενα μπορούν επίσης να φτάσουν στην περιοχή γήινης τροχιάς, αλλά δεν βρίσκονται σε τροχιά LEO επειδή εισέρχονται ξανά στην ατμόσφαιρα.
Η διάκριση μεταξύ τροχιών LEO και περιοχής LEO είναι ιδιαίτερα σημαντική για την ανάλυση πιθανών συγκρούσεων μεταξύ αντικειμένων που μπορεί να μην βρίσκονται σε γήινη τροχιά αλλά θα μπορούσαν να συγκρούονται με δορυφόρους ή συντρίμμια σε τροχιές LEO.
Τροχιακά χαρακτηριστικά
Η μέση τροχιακή ταχύτητα που απαιτείται για τη διατήρηση μιας σταθερής χαμηλής τροχιάς της Γης είναι περίπου 7,8 km/s (28.000 km/h), αλλά μειώνεται με αυξημένο τροχιακό ύψος.
Υπολογίζεται ότι για μια κυκλική τροχιά 200 km η ταχύτητα που απαιτείται είναι 7,79 km/s (28.000 km/h) και για 1.500 km είναι 7,12 km/s (25.600 km/h).
Το ∆v (Delta-v, γνωστό και ως αλλαγή στην ταχύτητα) που απαιτείται για να επιτύχει τη χαμηλή γήινη τροχιά αρχίζει περίπου στα 9.4 km/s. Η ατμοσφαιρική και βαρυτική έλξη που σχετίζεται με την εκτόξευση προσθέτει συνήθως 1,3–1,8 km/s (4.700–6.500 km/h) στο ∆v του οχήματος εκτόξευσης που απαιτείται για την επίτευξη κανονικής τροχιακής ταχύτητας LEO περίπου 7,8 km/s (28.100 km/h).
Η έλξη της βαρύτητας στη LEO είναι μόνο ελαφρώς μικρότερη από ότι στην επιφάνεια της Γης. Αυτό συμβαίνει επειδή η απόσταση από την επιφάνεια της Γης είναι πολύ μικρότερη από την ακτίνα της Γης. Ωστόσο, ένα αντικείμενο σε τροχιά είναι, εξ ορισμού, σε ελεύθερη πτώση, καθώς δεν υπάρχει δύναμη που να το κρατά ψηλά. Ως αποτέλεσμα, τα αντικείμενα σε τροχιά, συμπεριλαμβανομένων των ανθρώπων, βιώνουν μια αίσθηση έλλειψης βαρύτητας, παρόλο που δεν είναι στην πραγματικότητα χωρίς βάρος.
Τα αντικείμενα σε χαμηλή γήινη τροχιά συναντούν ατμοσφαιρική έλξη από αέρια στη θερμόσφαιρα (περίπου 80-600 χιλιόμετρα πάνω από την επιφάνεια) ή εξώσφαιρα (περίπου 600 km και άνω), ανάλογα με το ύψος τροχιάς. Λόγω της ατμοσφαιρικής έλξης, οι δορυφόροι συνήθως δεν περιστρέφονται σε τροχιά κάτω των 300 km. Αντικείμενα σε LEO περιστρέφονται γύρω από τη Γη μεταξύ του πυκνότερου τμήματος της ατμόσφαιρας και κάτω από τον εσωτερικό ιμάντα ακτινοβολίας Van Allen.
Οι ισημερινές χαμηλές γήινες τροχιές (Equatorial Low Earth Orbits) είναι ένα υποσύνολο των γήινων. Αυτές οι τροχιές, με χαμηλή κλίση προς τον Ισημερινό, επιτρέπουν γρήγορους χρόνους επανεξέτασης θέσεων χαμηλού γεωγραφικού πλάτους στη Γη και έχουν τη χαμηλότερη απαίτηση Δv (άρα λιγότερο καύσιμο που δαπανάται) οποιασδήποτε τροχιάς, υπό την προϋπόθεση ότι έχουν άμεσο (όχι οπισθοδρομικό) προσανατολισμό σε σχέση με την περιστροφή της Γης. Οι τροχιές με πολύ υψηλή γωνία κλίσης προς τον ισημερινό ονομάζονται συνήθως πολικές τροχιές.
Οι υψηλότερες τροχιές περιλαμβάνουν τη μέση γήινη τροχιά (MEO), που μερικές φορές αποκαλείται και ενδιάμεση κυκλική τροχιά (ICO), και γεωστατική τροχιά (GEO). Τροχιές υψηλότερες από τη χαμηλή τροχιά μπορούν να οδηγήσουν σε πρόωρη βλάβη των ηλεκτρονικών εξαρτημάτων λόγω έντονης ακτινοβολίας και συσσώρευσης φορτίου.
Το 2017 οι «πολύ χαμηλές γήινες τροχιές» άρχισαν να εμφανίζονται σε κανονιστικές αρχειοθετήσεις. Αυτές οι τροχιές, κάτω από περίπου 450 χιλιόμετρα (280 mi) που αναφέρονται ως "VLEO", απαιτούν τη χρήση νέων τεχνολογιών για την ανύψωση τροχιάς επειδή λειτουργούν σε τροχιές που συνήθως αποσυντίθενται πολύ νωρίς για να είναι οικονομικά χρήσιμες.
Χρήση
Μια χαμηλή γήινη τροχιά απαιτεί τη χαμηλότερη ποσότητα ενέργειας για τοποθέτηση δορυφόρου. Παρέχει υψηλό εύρος ζώνης και χαμηλό χρόνο επικοινωνίας. Οι δορυφόροι και οι διαστημικοί σταθμοί στη LEO είναι πιο προσβάσιμοι για τη συντήρηση τους.
Δεδομένου ότι απαιτείται λιγότερη ενέργεια για την τοποθέτηση ενός δορυφόρου σε μια LEO και ένας δορυφόρος χρειάζεται λιγότερο ισχυρούς ενισχυτές για επιτυχή μετάδοση, η LEO χρησιμοποιείται για πολλές εφαρμογές επικοινωνίας, όπως το τηλεφωνικό σύστημα Iridium. Ορισμένοι δορυφόροι επικοινωνίας χρησιμοποιούν πολύ υψηλότερες γεωστατικές τροχιές και κινούνται με την ίδια γωνιακή ταχύτητα με τη Γη για να εμφανιστούν ακίνητοι πάνω από μια θέση στον πλανήτη.
Μειονεκτήματα των δορυφόρων σε LEO
Σε αντίθεση με τους γεωσύγχρονους δορυφόρους, οι δορυφόροι σε LEO έχουν ένα μικρό οπτικό πεδίο και έτσι μπορούν να παρατηρήσουν και να επικοινωνήσουν μόνο με ένα τμήμα της Γης κάθε φορά. Αυτό σημαίνει ότι απαιτείται ένα δίκτυο (ή "αστερισμός") δορυφόρων για την παροχή συνεχούς κάλυψης.
Οι δορυφόροι σε χαμηλότερες περιοχές της LEO πάσχουν επίσης από γρήγορη "φθορά" της τροχιάς τους και απαιτούν είτε περιοδική ενίσχυση για τη διατήρηση μιας σταθερής τροχιάς ή εκτόξευση δορυφόρων αντικατάστασης.
Παραδείγματα LEO
- Ο Διεθνής Διαστημικός Σταθμός βρίσκεται σε LEO περίπου 400 χλμ. (250 μίλια) έως 420 χλμ. (260 μίλια) πάνω από την επιφάνεια της Γης και χρειάζεται να ενισχυθεί μερικές φορές το χρόνο λόγω της τροχιακής φθοράς.
- Οι δορυφόροι Iridium telecom βρίσκονται σε τροχιά περίπου 780 km (480 mi).
- Οι δορυφόροι παρατήρησης της γης, επίσης γνωστοί ως δορυφόροι τηλεανίχνευσης, συμπεριλαμβανομένων των κατασκοπευτικών δορυφόρων και άλλων δορυφόρων απεικόνισης της Γης, χρησιμοποιούν τη LEO καθώς είναι σε θέση να βλέπουν την επιφάνεια της Γης πιο καθαρά πλησιάζοντας σε αυτήν. Η πλειονότητα των τεχνητών δορυφόρων τοποθετούνται σε LEO. Οι δορυφόροι μπορούν επίσης να επωφεληθούν από τον συνεπή φωτισμό της παρακάτω επιφάνειας μέσω συγχρονισμένων ηλιακών τροχιών LEO σε υψόμετρο περίπου 800 χλμ. Το Envisat (2002–2012) είναι ένα παράδειγμα.
- Tο διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble περιστρέφεται σε τροχιά περίπου 540 km (340 mi) πάνω από τη Γη.
- Ο κινεζικός διαστημικός σταθμός Tiangong εκτοξεύτηκε τον Απρίλιο του 2021 και αυτή τη στιγμή βρίσκεται σε τροχιά μεταξύ περίπου 340 χιλιομέτρων (210 mi) και 450 χιλιομέτρων (280 mi).
Παλιότερες αποστολές σε LEO
- Ο κινεζικός σταθμός Tiangong-1 βρισκόταν σε τροχιά περίπου 355 χιλιόμετρα (221 μίλια), έως ότου τεθεί σε τροχιά το 2018.
- Ο κινεζικός σταθμός Tiangong-2 βρισκόταν σε τροχιά περίπου 370 km (230 μίλια), έως ότου τεθεί σε τροχιά το 2019.
- Οι αποστολές της βαρυμετρίας όπως το GOCE περιστρέφονται σε τροχιά περίπου 255 km (158 mi) για τη μέτρηση του πεδίου βαρύτητας της Γης με την υψηλότερη ευαισθησία. Η διάρκεια της αποστολής ήταν περιορισμένη λόγω της ατμοσφαιρικής έλξης. Το GRACE και το GRACE-FO περιστρέφονταν σε τροχιά περίπου 500 km (310 mi).
Διαστημικά συντρίμμια
Η περιοχή LEO καταλαμβάνεται από διαστημικά συντρίμμια λόγω της συχνότητας εκτόξευσης αντικειμένων σε αυτήν. Αυτό έχει προκαλέσει αυξανόμενη ανησυχία τα τελευταία χρόνια, καθώς οι συγκρούσεις μπορεί να είναι επικίνδυνες ή θανατηφόρες. Οι συγκρούσεις μπορούν να παράγουν πρόσθετα διαστημικά συντρίμμια, δημιουργώντας ένα φαινόμενο ντόμινο γνωστό ως σύνδρομο Kessler.
Το Κέντρο Συνδυασμένων Διαστημικών Επιχειρήσεων, μέρος της Στρατηγικής Διοίκησης των Ηνωμένων Πολιτειών παρακολουθεί περίπου 8.500 αντικείμενα μεγαλύτερα από 10 cm σε LEO. Σύμφωνα μάλιστα με μια μελέτη του Παρατηρητηρίου Arecibo, μπορεί να υπάρχουν ένα εκατομμύριο επικίνδυνα αντικείμενα μεγαλύτερα από 2 χιλιοστά σε τροχιά τα οποία είναι πολύ μικρά για να είναι ορατά από τα παρατηρητήρια της Γης.