Для перемещения спутника по орбите обычно требуются двигатели. Иногда тяга обеспечивается ракетным двигателем, работающим на специальном топливе. Иногда это происходит благодаря нагретому газу. Оба метода, тем не менее, добавляют вес аппарату в виде топлива, тем самым уменьшая полезную нагрузку. Они также увеличивают количество запчастей, которые могут поломаться. И имеют ограниченный запас. Кроме того, спутники, перевозящие энергетическое топливо, такое как гидразин, должны пройти специальные испытания, чтобы получить сертификат безопасности для запуска. Таким образом, отрасль нуждается в других способа маневрирования для космических кораблей. И два уже разрабатываются.
В первом случае используются молекулы воздуха, которые улетучились в космос из атмосферы Земли. На околоземных орбитах, где эти молекулы наиболее распространены, сопротивление, которое они оказывают, таково, что спутник с небольшой площадью поверхности, обращенной вперед, будет медленно набирать скорость на другом спутнике, запущенном с той же скоростью, но с большей такой площадью. Чтобы этот эффект был полезным, инженеры подсчитали, что спутник должен иметь возможность увеличивать или уменьшать площадь, обращенную вперед, по требованию, примерно в 9 раз. Если это удастся сделать, то метод «дифференциального сопротивления» станет практическим способом маневрирования спутников относительно друг друга.
А спутники, как известно, нуждаются в солнечных элементах для питания электроники. Фотоэлементы обычно прикреплены к панелям, которые, когда спутник находится на орбите, разворачиваются в форме крыльев, которые намного большие, чем сам космический корабль. Если спутник ориентирован так, что его панели направлены в направлении движения, он со временем замедлится. Если затем он вращается так, что панели параллельны этому направлению, торможение будет легче. Спутниковый оператор из Сан-Франциско Planet первым маневрировал аппаратом таким образом еще в 2013 году. Испытание были успешными и предприятие запустило 120 спутников для получения снимков Земли, которые маневрируют исключительно за счет дифференциального сопротивления. Всего 20 спутников Planet все еще используют двигатели.
Причина, по которой фирмы, подобные Planet, должны маневрировать спутниками, в первую очередь, заключается в том, что самый дешевый способ их запуска – несколько в одной ракете. Это означает, что они выходят на орбиту как кластер. Но таких роботов для оптимальной работы нужно распределять для максимального охвата.
Spire, другой оператор спутниковой связи из Сан-Франциско, отметил, что дифференциальное сопротивление занимает всего несколько недель, чтобы распределить кластер. 72 спутника Spire на данный момент находятся на орбите исключительно за счет дифференциального сопротивления.
Фактический процесс маневрирования включает в себя переориентацию спутника. Это, в свою очередь, требует крутящего момента. Спутники генерируют этот крутящий момент, используя вращающееся реактивное колесо и электромагнит, который взаимодействует с магнитным полем Земли.
Но дифференциальное сопротивление не является идеальным способом маневрирования в космосе. На высоте около 650 км молекулы воздуха слишком редкие, чтобы эта техника была осуществимой, поэтому она работает только на самых низких из околоземных орбитах. Это также занимает изрядное количество времени. А в случае военных действий, спутники, использующие дифференциальное сопротивление, будут более уязвимы для атак, чем спутники с двигателями.
Кроме того, изменение уровня сопротивления регулирует только скорость замедления и, следовательно, снижения. Технику нельзя использовать для поднятия космического корабля на более высокую орбиту.
Но существует и второй способ, который предполагает использование солнечных панелей в качестве парусов.
Свет создает давление. Это давление можно использовать так же, как силу ветра на Земле, чтобы управлять и маневрировать кораблем. Ориентируя спутник так, чтобы его солнечные панели получали максимально возможное количество света, когда он удаляется от Солнца, и минимальное количество, когда он приближается к нему, космический корабль будет набирать скорость и высоту.
Например, для CubeSat, спутника, меньшего, чем обувная коробка, с солнечными батареями размером с две обложки для грампластинок, солнечный свет должно поднимать его орбиту на несколько десятков метров в день. Это немного, но достаточно, чтобы избежать потенциального столкновения с осколком космического мусора, количество которого на орбите возрастает.
Технион — Израильский технологический институт — собирается опробовать эту идею первым. Он намерен запустить три тестовых спутника примерно через 6 месяцев. Миссия называется SAMSON.