Opór atmosfery uderza w satelity amerykańskich firm [ANALIZA]

Niska orbita okołoziemska (ang. Low Earth Orbit – LEO) rozciąga się do wysokości 2000 km nad Ziemią. Tymczasem, umowna granica kosmosu, zwana też Linią Karmana, znajduje się 100 km ponad powierzchnią planety. Nasuwa się zatem pytanie, jak bardzo nisko mogą orbitować satelity na LEO? Kluczowym aspektem jaki trzeba brać tutaj pod uwagę jest opór atmosfery. Ciała poruszające się na Ziemi lub nisko nad nią – jak samochody czy samoloty, zmagają się w trakcie ruchu ze znacznym oporem powietrza. By go zniwelować, pojazdom nadaje się możliwie opływowe kształty. Jednak atmosfera planety nie kończy się nagle po osiągnięciu konkretnego pułapu.

Cząsteczki gazu otaczające planetę występują wciąż jeszcze przez setki kilometrów nad Linią Karmana. I chociaż atmosfera w dolnych partiach LEO jest już mocno rozrzedzona, to generowane przez nią opory istotnie wpływają na ruch satelitów. Obliczenia wskazują, że dopiero na wysokości 160 km nad Ziemią satelita poruszający się bez dodatkowego napędu zdoła wykonać choć jeden pełny obieg wokół planety, zanim spadnie. W praktyce więc, satelitów nie umieszcza się raczej na orbitach niższych niż 300 km. Jednak także na wysokości 400, 500 czy 600 km opór resztkowej atmosfery będzie w jakimś stopniu spowalniał orbitującego satelitę, powodując z czasem jego obniżanie się, mogące finalnie doprowadzić do deorbitacji.

Umyślne wykorzystanie żagla deorbitacyjnego, zwiększającego opór kosmicznej jednostki, testował przykładowo polski satelita studencki PW-Sat2. Takie żagle mogą być w przyszłości wykorzystywane do szybszego pozbywania się – spalania w atmosferze – nieużywanych już satelitów, które stały się kosmicznymi śmieciami. Z kolei ISS, Międzynarodowa Stacja Kosmiczna, musi regularnie włączać silniki celem podnoszenia swojej orbity, na której obniża się właśnie z powodu działania owego atmospheric drag, czyli oporu szczątkowej atmosfery w niższych partiach LEO.

Realny problem

Wydaje się, że o tym jak istotne kłopoty atmospheric drag może stwarzać dla satelitów przekonuje się właśnie przedsiębiorstwo Capella Space. Ta amerykańska firma produkuje i wysyła na niską orbitę okołoziemską własne mikrosatelity teledetekcyjne. Są one przeznaczone do obrazowania powierzchni planety z wykorzystaniem technologii radaru z syntetyczną aperturą (SAR – Synthetic Aperture Radar). Satelity obserwacyjne Capelli serii Whitney są generalnie projektowane z założeniem, że będą na orbicie pracować po trzy lata. W tym kontekście urządzenie Capella 5 Whitney spędziło w przestrzeni kosmicznej rekordowo wręcz krótki czas. Na orbitę wyniosła je 30 czerwca 2021 roku rakieta Falcon 9 firmy Space X.

Satelita Capella 5 Whitney rozpoczął swoją misję operując na średniej wysokości ok. 528 km. I już 23 lutego 2023 r. deorbitował spalając się w ziemskiej atmosferze. W przestrzeni kosmicznej działał więc niecałe 20 miesięcy. Misję zakończył zatem nadzwyczaj szybko. Ogółem firma Capella Space do dziś umieściła w przestrzeni kosmicznej dziesięć aparatów. Orbitę opuściły w sumie cztery z nich. Obok wspomnianego 5 Whitney stało się tak również z:

• Capella 1 Denali – wystrzelony 03.12.2018 r., deorbitacja 25.01.2023 r. => blisko 50 miesięcy na orbicie;
• Capella 2 Sequoia – wystrzelony 31.08.2020 r., deorbitacja 28.02.2023 r. => prawie 30 miesięcy na orbicie;
• Capella 3 Whitney – wystrzelony 24.01.2021 r., deorbitacja 26.02 2023 r. => nieco ponad 25 miesięcy na orbicie.

Wszystko wskazuje na to, że lada dzień nastąpi również zejście z orbity satelity Capella 4 Whitney, który został wyniesiony 24.01.2021 r. Na dzień 1 kwietnia 2023 roku znajduje się on już na wysokości poniżej 330 km. Teraz obniżanie orbity będzie już postępować bardzo szybko, ze względu na to, że im niżej znajduje się statek kosmiczny, tym gęstsze warstwy resztkowej atmosfery Ziemi skutecznie go wyhamowują.

W przeciwieństwie do innych satelitów Capelli statek 6 Whitney nie znajduje się na orbicie polarnej, lecz krąży wokół Ziemi po orbicie okołorównikowej o średniej inklinacji. Ściśle rzecz biorąc płaszczyzna jego orbity nachylona jest do płaszczyzny ziemskiego równika pod kątem 53 stopni. Umieszczenie satelity na takiej orbicie oznacza de facto, że nie jest on w stanie pozyskiwać zobrazowań obszarów powyżej 53 stopnia szerokości geograficznej, czy to południowej czy północnej. Nie zrobi on np. zdjęć Obwodu Kaliningradzkiego. Dla porównania można dodać, że Warszawa leży na szerokości 52 stopni szerokości geograficznej północnej. Przez ostatnie pół roku 6 Whitney obniżył orbitę z 573 km na 545 km, a więc o ponad 25 km.

Satelity 7 Whitney i 8 Whitney poleciały w przestrzeń kosmiczną 13 stycznia 2022 r. Misję rozpoczynały na wysokości 528 km. Dziś znajdują się już ledwie 473 km ponad powierzchnią planety. Patrząc na losy wcześniejszych urządzeń firmy można spodziewać się, że satelity nr 7 i 8 opuszczą orbitę w ciągu 7-8 miesięcy, skoro w takim tempie obniżają trajektorię.

Jaka przyczyna kłopotów?

Jednym z powodów, dla których satelity Capelli zbyt szybko tracą wysokość może być ich projekt i konstrukcja. Urządzenia te dla pozyskiwania zobrazowań SAR korzystają bowiem z niezwykle dużych reflektorowych anten parabolicznych. Średnica anteny takiego satelity dochodzi do 3,5 m. W rezultacie może ona działać jak spory żagiel deorbitacyjny, zwiększając opory ze strony szczątkowej atmosfery planety. W efekcie statek kosmiczny wytraca szybkość i obniża orbitę.

Dla porównania można przytoczyć przykład firmy Iceye, innego dostawcy zobrazowań satelitarnych SAR. Satelity Iceye korzystają ze sterowanych elektronicznie aktywnych anten fazowych (ang. active phase array antennas). Charakteryzują się one zupełnie odmiennym kształtem, co minimalizuje opór atmosferyczny. W efekcie, w takiej konfiguracji urządzenia nie tracą tak szybko wysokości. Wciąż sprawny Iceye-X2 dalej utrzymuje się na orbicie, choć w kosmos poleciał 3 grudnia 2018 r. Do dziś obniżył swoją orbitę o zaledwie 11 km. Wokół planety dalej krąży też nieaktywny już, prototypowy satelita spółki, Iceye-X1, który wystartował 12 stycznia 2018 r. Ponad pięć lat zajęło temu ostatniemu obniżenie orbity z wysokości 495 na 446 km.

Prawdopodobnie to właśnie szczególny design oparty na „parasolowatej" antenie o znacznej powierzchni, generującej nadmierny opór atmosferyczny, jest bezpośrednią przyczyną zbyt szybkiego obniżania orbity przez satelity Capella Space. Jeśli tak, to tego typu problemy mogą napotkać również inni operatorzy obserwacyjnych satelitów radarowych, których urządzenia budowane są lub będą w podobnym stylu.

Jeśli chodzi o Capellę, to warto też zastanowić się nad drugorzędnymi, pośrednimi przyczynami gwałtownego schodzenia z orbity satelitów tej firmy. Powodem może być tu zbyt mała siła ciągu generowana przez silniki manewrowe satelitów Whitney. W rezultacie nie może ona dostatecznie skompensować atmospheric drag i zapewnić wystarczająco efektywnego podwyższania orbity satelity. Jako inne potencjalne przyczyny zjawiska można jeszcze ewentualnie wskazywać innego rodzaju generalny problem z napędem lub też jakiegoś rodzaju kłopot z innymi podzespołami wymuszający przyspieszoną deorbitację satelitów.

Warto podkreślić, że w miarę istotnego obniżania orbity działanie mikrosatelity SAR staje się mniej efektywne. Wynika to z faktu, że działając znacząco bliżej Ziemi satelita musi bardziej intensywnie manewrować by dynamicznie zmieniać kąt obrazowania realizując swoją misję. Tego typu gwałtowne manewry nie są łatwe dla satelitów klasy mikro ze względu na ograniczone możliwości systemów kontroli i zmiany orientacji umieszczanych na tych satelitach. Ograniczenia te podyktowane są rozmiarem urządzeń klasy mikro. Dodatkowo, poniżej pewnej wysokości mogą pojawiać się trudności ze stabilizacją satelitów w trakcie obrazowania ze względu na zbyt duży opór atmosfery.

Jeśli chodzi o dostawców satelitarnych zobrazowań radarowych, to problem z szybkim obniżaniem orbity przez satelity nie dotyczy jedynie Capelli. Z podobnymi kłopotami mierzy się bowiem inne amerykańskie przedsiębiorstwo, działające pod nazwą Umbra. Operator dysponuje w przestrzeni kosmicznej pięcioma sensorami. Jako pierwszy w kosmosie znalazł się satelita Umbra-2001, który, co ciekawe został wyniesiony 30 czerwca 2021 r., czyli dokładnie wtedy, co Capella 5 Whitney. Umbra-2001 swoją przygodę na orbicie rozpoczynał na wysokości 529 km, a dziś jest na pułapie 506 km. W ostatnich tygodniach był kilkakrotnie podwyższany z użyciem silników, co doskonale widać na wykresach danych z NORAD. Wcześniej ten sam satelita zaliczał też dłuższe i spektakularne "zjazdy". Na przykład między sierpniem 2022 a lutym 2023 obniżył orbitę o ponad 30 km.

Poruszający się po orbicie polarnej o inklinacji 97,5 stopnia satelita Umbra-03 między 5-tym grudnia 2022 a początkiem kwietnia 2023 zszedł w dół o ponad 20 km. Wcześniej był kilka razy podwyższany, ale w ostatnich miesiącach operator z jakichś powodów robił to jedynie w minimalnym stopniu. Dwa najnowsze urządzenia Umbry na orbicie LEO w kosmos trafiły 3 stycznia 2023 r. Choćby na przykładzie jednego z nich, oznaczonego Umbra-05 także widać nieustające obniżanie się orbity - już o około 12 km, i to pomimo kilku nieznacznych korekt przeprowadzonych przez operatora w ostatnim czasie.

Najprawdopodobniej powód dla którego satelity Umbry tak szybko "obniżają lot" jest podobny jak w przypadku producenta Capella Space. Zastosowana bowiem przez Umbrę antena, wykorzystywana do pozyskiwania zobrazowań SAR, także ma parasolowaty kształt, a jej powierzchnia przekracza 10 m kwadratowych. Zapewne wielkość i kształt anteny również w tym przypadku prowadzą do szybkiego obniżania orbity za sprawą atmospheric drag. Ten czynnik trzeba brać zatem mocno pod uwagę przy planowaniu misji. Dopóki napęd satelity działa i ma on wystarczająco paliwa, operator może wprowadzać korekty orbity i niwelować skutki działania oporu resztkowej atmosfery. Bez wątpienia stanowi to jednak pewne ograniczenie dla jak najefektywniejszego wykorzystania misji każdego z wysłanych na orbitę sensorów.

Środki zapobiegawcze

Wracając do Capelli należy stwierdzić, że szybkie obniżanie orbity ogranicza w pewnym stopniu możliwość pełnego wykorzystania swoich satelitów przez tego operatora. To może stanowić dla firmy istotny problem, w szczególności jeśli ma ona liczne zobowiązania względem swoich klientów, jeżeli chodzi o regularne dostarczanie świeżych zobrazowań radarowych. Przedsiębiorstwo podjęło więc najpewniej konkretne kroki dla ratowania swojej konstelacji celem zapewnienia dalszej ciągłości w dostarczaniu produktów i świadczeniu usług.

Dwa najnowsze satelity Capelli zostały wysłane na znacznie wyższą orbitę niż było to praktykowane wcześniej. Znalazły się bowiem na kołowej trajektorii o wysokości 600 km i inklinacji 44 stopni, co znów uniemożliwia im pozyskiwanie zobrazowań na dużych szerokościach geograficznych, powyżej 44 stopni. Natomiast umieszczenie satelitów wyżej pozwoli je realnie dłużej wykorzystywać. Będą też one słabiej spowalniane przez atmospheric drag, ponieważ gęstość resztkowej atmosfery na wysokości 600 km nad Ziemią jest mniejsza niż ma to miejsce na wysokości 500 km. Te dwa najnowsze satelity, oznaczone numerami 9 i 10, zostały wyniesione 16 marca 2023 r. rakietą Electron firmy RocketLab. Przewoźnik ten świadczy usługi wynoszenia zarówno z Nowej Zelandii, jak i z USA.

Oprócz wspólnego startu z połowy marca br. Capella Space i RocketLab podpisały też 28 lutego 2023 r. kontrakt na wyniesienie czterech następnych urządzeń operatora konstelacji SAR. Będą to urządzenia nowej generacji, jednak będą korzystać z anten o takim samym kształcie, jak miało to miejsce w przypadku wcześniejszych satelitów tego operatora. Systemy nośne RocketLab dostarczą na orbitę owe cztery kolejne satelity Capelli w czterech następujących po sobie misjach. Te starty powinny rozpocząć się w drugiej połowie 2023 roku i również będą realizowane rakietami Electron. Opcje wynoszenia oferowane przez RocketLab charakteryzują się dużą elastycznością. Start można załatwić z rzeczywiście niewielkim wyprzedzeniem. Jednocześnie ceny usług tej firmy są istotnie wyższe niż ma to miejsce w przypadku rezerwowanych znacząco wcześniej startów ze SpaceX, z użyciem rakiety Falcon 9.

Firma Capella Space od początku nastawiła się na dostarczanie satelitarnych zdjęć radarowych w bardzo wysokiej rozdzielczości. Realizujące ten cel satelity nie cechują się dużą elastycznością jeśli chodzi o sterowanie nimi na orbicie. Dodatkowo trzeba pamiętać, o nieustająco aktualnej prawdzie mówiącej o tym, że środowisko kosmiczne jest trudne i zawsze należy się liczyć z czynnikami, które mogą utrudnić realizację misji. Wydaje się, że Capella właśnie się o tym przekonuje, zmagając się ze zjawiskiem atmospheric drag, niczym z wiatrem wiejącym w oczy jej satelitarnym sensorom. Przedsiębiorstwo jednakże się nie poddaje. Wykłada duże pieniądze by z pomocą RocketLab zapewnić zastępowalność urządzeń w swojej konstelacji i tym samym nie zawieść klientów, którzy czekają na kolejne zobrazowania SAR od tego amerykańskiego operatora.