Почему МКС не проходит над полярными районами?

Решение вывести на орбиту (и собрать) Международную космическую станцию ​​(МКС) с шагом 51,65° на низкой околоземной орбите (НОО) было обусловлено ее доступностью и полезностью. Видите ли, изменение наклона ужасно дорого обходится для посещения космических кораблей, доставляющих астронавтов / космонавтов, расходные материалы, научные эксперименты и другие грузы, и в идеале вы всегда должны запускать ракеты на орбиту с ее наклоном, соответствующим азимуту стартовой площадки, чтобы максимизировать грузоподъемность ракеты. . То есть вы запускаете прямо на восток, чтобы максимально использовать вращение Земли для достижения необходимой орбитальной скорости, а результирующее наклонение орбиты является прямым результатом собственного вращения Земли вокруг своей оси.

Поскольку большинство запусков к станции осуществляется с космодрома Байконур в Казахстане (ракеты «Прогресс» и «Союз»), а место запуска находится примерно в 46 ° к северу от экватора, орбита МКС почти совпадает с орбитой места запуска. Почти, но не совсем, так как непосредственно восточнее и ниже Байконура земля сравнительно скоро (для полета ракеты) входит на территорию Китая, поэтому, чтобы этого избежать, наклонение целевой орбиты было увеличено до 51,65° и ракеты не вообще облетать Китай. Это также важно при посадке экипажа в случае, если он недолетит/промахнется над целевой посадочной площадкой:

   ^{Ракеты, летящие с космодрома Байконур в Казахстане, отправляются на орбиты с наклоном 51,65 градуса, чтобы не пролететь над Китаем.}

Это решение принято совместно НАСА и Роскосмосом и также удобно для наблюдения за Землей и охватывает 75 процентов Земли и 95 процентов ее населения под прямой видимостью. Я объясню это немного подробнее в разделе Почему при недавнем запуске Sirius FM6 использовался такой большой наклон? и можно ли увидеть МКС с поверхности невооруженным глазом?

Теперь, если бы станция вместо этого вращалась по прямой полярной орбите (обходя полярные регионы, но не по слегка ретроградной и постоянно освещенной солнцем солнечно-синхронной орбите , например, так называемая SSO от рассвета до заката, когда спутники совершают кругосветное путешествие вокруг Земли на солнечном терминаторе, что было бы кошмаром для управления тепловым режимом для станции), помимо необходимости большего количества запусков и увеличения стоимости станции, это также еще больше увеличило бы временной интервал, в котором она будет вращаться вокруг стартовых площадок. На его текущей орбите этот временной интервал составляет чуть больше суток, или около 16 из его около 93-минутных оборотов. Если бы это заняло значительно больше времени, это также сделало бы окна запуска менее частыми и повлияло бы на трафик между станцией и обратно. Это также ограничило бы возможности эвакуации экипажа в аварийной ситуации, поскольку вы не хотели бы выполнять уход с орбиты над полярными регионами, и это подвергло бы экипаж на борту станции большему количеству радиации над этими регионами .также - что означало бы, что ему придется двигаться по орбите еще ниже, чтобы уменьшить общее радиационное воздействие, что, в свою очередь, увеличило бы требуемую массу топлива для периодического повторного увеличения его орбиты из-за более высокого атмосферного сопротивления и сделало бы его еще более дорогим в обслуживании / обслуживании.

Если вы спрашиваете механику орбиты, то только полярная орбита когда-либо пройдет непосредственно над полюсами. Думайте об орбите как о круге, подобном обручу вокруг баскетбольного мяча (орбита МКС была бы очень близкой к мячу). Вы можете наклонять обруч как угодно, но он пройдет над шестами только в том случае, если вы поставите его дыбом.

Если бы Земля не вращалась, казалось бы, что МКС проходит один и тот же путь по поверхности Земли на каждой орбите, но по мере вращения Земли орбита МКС падает на разные части Земли:

                                           
                     _{Светлая синяя область — это место, где космическая станция видна с земли. Изображение: НАСА}

Если бы его орбита находилась на геостационарном расстоянии (может быть немного другим, если не над экватором), но наклонена к экватору под тем же углом, то казалось бы, что он следует продольной линии на поверхности Земли от 51,65 градуса северной широты до 51,65 градуса южной широты и обратно каждый день.

Орбита, если МКС остается в оболочке нижнего пояса Ван Аллена. Если бы угол наклона был больше, выше 52°, радиационное облучение экипажа резко увеличилось бы до такой степени, что риск для здоровья был бы неприемлемым. В нынешнем виде облучение в четыре раза превышает допустимое для работников атомной станции. Если бы орбита была выше или наклонение больше, экипаж смог бы оставаться на борту станции только несколько дней, прежде чем радиационное облучение заставит их вернуться на поверхность.

////

Наибольшее облучение экипажа станции на текущей орбите получают от Южно-Атлантической аномалии и выхода в открытый космос. SAA — это лишь легкая концентрация протонов на текущей орбите, простое касание пояса по сравнению с полной плотностью протонов в нижнем поясе. А столкновения станции с протонами генерируют небольшое количество проникающего через корпус гамма-излучения на трех-четырех витках в день с различной интенсивностью. Выход на полную плотность нижнего пояса Ван Аллена тридцать два раза в день (два раза на орбиту) приведет к облучению как минимум в пятьдесят раз, если не в несколько сотен или тысяч раз, в зависимости от времени, проведенного в поясе. каждую орбиту. Это очень серьезное ограничение для любого пилотируемого орбитального пути.

Путешествие один раз через Ван Аллена на более высокую орбиту или космическую скорость не так опасно, как столкновение с ним тридцать два раза в день. Однако это вызывает озабоченность, и пилотируемые корабли, покидающие низкую околоземную орбиту, больше не совершаются без достаточных на то причин. МКС охватывает максимальный диапазон пространства, который считается приемлемым радиационным риском.