Геостационарная орбита искусственных спутников земли это: почему над Землей летают тысячи никому не нужных спутников

Содержание

почему над Землей летают тысячи никому не нужных спутников

Существует несколько официальных орбит захоронения. «Классическая» располагается на высоте 35 986 км от уровня моря — ровно на 200 км выше геостационарной орбиты, где находятся тысячи околоземных спутников. На эту орбиту отправляются все отработанные орбитальные аппараты для уменьшения вероятности их столкновения с другими — уже рабочими — объектами.

В конце срока эксплуатации каждого геостационарного спутника он отправляется на такую орбиту, при этом для каждого она рассчитывается отдельно по специальной формуле.

Так Земля выглядит на фоне всех объектов, вращающихся на ее орбите


Геостационарная орбита — круговая орбита, которая расположена ровно над экватором Земли. Искусственные спутники, которые находятся на ней, абсолютно не движутся по отношению к спутниковым антеннам, расположенным на Земле. Поэтому для взаимодействия спутника с антенной необходимо просто один раз запустить его, после чего ученые будут всегда знать, где находится космический аппарат даже без специальных настроек для антенн. Как правило, на геостационарную орбиту запускают коммуникационные и телетрансляционные спутники.

Высота 35 786 км над уровнем моря выбрана из-за того, что она обеспечивает спутникам период обращения, равный периоду вращения Земли относительно всех звезд — 23 часа 56 минут 4,091 секунды.


Еще одна крупнейшая мусорная орбита для крупных спутников находится на высоте от 600 до 1 000 км. На эту орбиту отправляются военные разведывательные спутники с ядерной энергетической установкой. На этих высотах находятся десятки активных зон реакторов у таких спутников. Считается, что части спутников смогут находиться на низкой мусорной орбите более 2 тыс. лет, после чего гравитация Земли постепенно притянет активные реакторы.

Советский спутник с ядерной энергетической установкой

Такая опасная «Легенда»

Впервые низкую мусорную орбиту для отработанных ядерных установок использовал Советский Союз в программе «Легенда» в 1978 году. За десять лет СССР запустил более 30 спутников-разведчиков с ядерными силовыми установками малой мощности типа БЭС-5 «Бук» и «Топаз» для обеспечения этой системы. С ее помощью советские, а потом и российские военные, поскольку программа существовала до 2006 года, могли отслеживать и прогнозировать тактическую обстановку в Мировом океане, передавать в режиме реального времени информацию о кораблях и подводных лодках, как отечественных, так и иностранных.

В январе 1978 года — практически сразу же после запуска — военный советский спутник «Космос-954» с ядерным реактором вышел из строя и стал полностью неуправляемым. Даже попытки вывести его на орбиту захоронения оказались неэффективными, поэтому спутник с действующим ядерным реактором вошел в атмосферу Земли, разрушился там на тысячи частей и рухнул на северную часть Канады и США. Тогда Советскому Союзу пришлось выплатить несколько миллионов долларов компенсации, поскольку местные жители нашли более 65 кг стержней от топливных элементов реактора.

Участники операции ищут обломки спутника с помощью ручных детекторов радиоактивности

После этого случилось еще несколько подобных инцидентов, когда ядерные реакторы от советской программы «Легенда» падали на Землю либо частично сгорали в атмосфере Земли, оставляя за собой длительный шлейф из урана-235.

В итоге в 1988 году после очередной аварии был принят всемирный запрет на применение спутников с ядерной энергетической установкой на низких околоземных орбитах, вследствие чего строительство и запуски спутников УС-А были прекращены. Кроме того, СССР уже было невыгодно поддерживать программу, поскольку один спутник мог работать всего 120 дней, а его запуск и разработка обходились в миллионы долларов.

Сейчас у человечества пока нет технологий, которые бы позволили уничтожить оставшиеся ядерные реакторы от «Легенды» без нанесения вреда окружающей среде. При этом время распада урана-235, на которых работают эти спутники, составляет около 700 млн лет.

Опасность орбит захоронения мусора

Разговоры о возможной экологической катастрофе в околоземном космическом пространстве возникли практически сразу после запуска первых спутников Земли еще в 50-х годах прошлого века. Но впервые в официальном дискурсе тема появилась только в докладе ООН «Воздействие космической деятельности на окружающую среду» в конце 1993 года.

В докладе отмечалось, что эта проблема — глобальная, а не национальная, поскольку касается абсолютно каждой страны. Кроме того, космический мусор — как тот, что находится на орбитах захоронения, так и обычный, может негативно сказаться на освоении человечеством космоса.

Сейчас только 10% всех объектов космического мусора фиксируются наземными станциями, а траектория их движения известна. Ученые считают, что в будущем, если человечество продолжит с такой скоростью выводить объекты в космос, в том числе на геостационарную орбиту, рано или поздно произойдет каскадный эффект. При нем один космический объект столкнется с другим, после чего он достаточно сильно меняет орбиту и сталкивается с другими искусственными объектами, которые находится на своих орбитах. Гипотетически это может буквально за несколько дней оставить человечество полностью без связи.

Сейчас на орбитах существует не менее 20 тыс. объектов крупного космического мусора, столкновение с которым приведет к полному разрушению спутника и любого космического аппарата.

Еще одной опасностью эксперты считают развитие проектов по покрытию интернетом всей Земли. Например, проект Starlink Илона Маска подразумевает запуск 12 тыс. новых спутников для раздачи интернета по всей Земле. Сейчас компания уже запустила 60 тестовых устройств. Запущенные аппараты будут работать на высоте 550 км. Каждый спутник оснащен собственным двигателем, который позволит им корректировать орбиту в случае необходимости.

Даже если в течение десяти лет хотя бы 30% этих спутников придут в негодность, на орбите появятся еще 4 тыс. объектов космического мусора.

Важно, что на околоземных орбитах также постоянно происходит так называемый эффект Кесслера, когда одни кусочки мусора постоянно сталкиваются с другими, что приводит к абсолютно неконтролируемому делению этих объектов. Согласно математическим расчетам, столкновение двух космических частей мусора приводит в среднем к появлению еще шести-семи небольших объектов.

Кроме того, некоторые крупные космические объекты, у которых полностью истекает срок эксплуатации, взрываются с надеждой, что в дальнейшем эти небольшие обломки притянутся атмосферой Земли и сгорят в ней. Однако существуют десятки примеров, когда куски мусора оставались на орбитах, как в случае столкновения двух искусственных спутников «Космос-2251» и Iridium 339 в феврале 2009 года или тестирования Индией своих противоспутниковых пушек в марте 2019 года.

Столкновение спутников «Космос-2251» и Iridium 339

На сегодняшний день пока не существует действующих технологий для борьбы с космическим мусором, кроме отправки спутников на орбиты захоронений, где бы они фиксировано вращались вокруг Земли.

Множество стартапов и национальных космических агентств разрабатывают собственные системы для уничтожения космического мусора. Инженеры из Университета Карлоса III в Мадриде недавно предложили новый способ деорбитальной работы спутников. Ученые предлагают оборудовать их лентами, которые будут отражать солнечный свет и позволят вырабатывать электричество для питания резервных двигателей. Это, в свою очередь, позволит бороться с космическим мусором и увеличить срок их эксплуатации. Хотя бы в качестве устройств для отталкивания мусора от орбиты Земли.

В феврале 2019 года британский спутник RemoveDEBRIS впервые в истории с помощью гарпуна и сети поймал искусственный космический мусор на низкой околоземной орбите.

Сейчас вся космическая сфера ждет не только появления технологий, позволяющих уничтожать космический мусор либо отталкивать его от Земли, но и законодательной базы для этого. Группа ученых из четырех крупных американских университетов занимается созданием единого документа, регламентирующего правила освоения космоса. В документе будут установлены правила, которыми должны руководствоваться частные и государственный компании для работы за пределами Земли. При этом ученые не будут вводить новые правила, а просто соберут в одном месте все существующие, которые были введены в разных странах, а также укажут на противоречия в этих документах.

Геостационарная орбита — это… Что такое Геостационарная орбита?

Геостациона́рная орби́та (ГСО) — круговая орбита, расположенная над экватором Земли (0° широты), находясь на которой искусственный спутник обращается вокруг планеты с угловой скоростью, равной угловой скорости вращения Земли вокруг оси. В горизонтальной системе координат направление на спутник не изменяется ни по азимуту ни по высоте над горизонтом, спутник «висит» в небе неподвижно. Геостационарная орбита является разновидностью геосинхронной орбиты и используется для размещения искусственных спутников (коммуникационных, телетрансляционных и т. п.).

Спутник должен обращаться в направлении вращения Земли, на высоте 35 786 км над уровнем моря (вычисление высоты ГСО см. ниже). Именно такая высота обеспечивает спутнику период обращения, равный периоду вращения Земли относительно звёзд (Звёздные сутки: 23 часа 56 минут 4,091 секунды).

Идея использования геостационарных спутников для целей связи высказывалась ещё словенским теоретиком космонавтики Германом Поточником[1] в 1928 году.

Преимущества геостационарной орбиты получили широкую известность после выхода в свет научно-популярной статьи Артура Ч. Кларка в журнале «Wireless World» в 1945 году[2], поэтому на Западе геостационарная и геосинхронные орбиты иногда называются «орбитами Кларка», а «поясом Кларка» называют область космического пространства на расстоянии 36000 км над уровнем моря в плоскости земного экватора, где параметры орбит близки к геостационарной. Первым спутником, успешно выведенным на ГСО, был Syncom-3, запущенный NASA в августе 1964 года.

Точка стояния

Спутник, находящийся на геостационарной орбите, неподвижен относительно поверхности Земли[3], поэтому его местоположение на орбите называется точкой стояния. В результате, сориентированная на спутник и неподвижно закреплённая направленная антенна может сохранять постоянную связь с этим спутником длительное время.

Размещение спутников на орбите

Для Архангельска максимально возможная высота спутника над горизонтом — 17,2°
Наивысшая точка пояса Кларка всегда находится строго на юге. В нижней части графика градусы — меридианы, над которыми находятся спутники.
По бокам — высоты спутников над горизонтом.
Сверху — направление на спутник. Для наглядности можно растянуть по горизонтали в 7,8 раза и отразить слева направо. Тогда он будет выглядеть так же, как на небе.

Геостационарная орбита может быть точно обеспечена только на окружности, расположенной прямо над экватором, с высотой, очень близкой к 35 786 км.

Если бы геостационарные спутники были видны на небе невооружённым глазом, то линия, на которой они были бы видны, совпадала бы с «поясом Кларка» для данной местности. Геостационарные спутники, благодаря имеющимся точкам стояния, удобно использовать для спутниковой связи: единожды сориентированная антенна всегда будет направлена на выбранный спутник (если он не сменит позицию).

Для перевода спутников с низковысотной орбиты на геостационарную используются переходные геостационарные (геопереходные) орбиты (ГПО) — эллиптические орбиты с перигеем на низкой высоте и апогеем на высоте, близкой к геостационарной орбите.

После завершения активной эксплуатации на остатках топлива спутник должен быть переведён на орбиту захоронения, расположенную на 200—300 км выше ГСО.

Вычисление параметров геостационарной орбиты

Радиус орбиты и высота орбиты

На геостационарной орбите спутник не приближается к Земле и не удаляется от неё, и кроме того, вращаясь вместе с Землёй, постоянно находится над какой-либо точкой на экваторе. Следовательно, действующие на спутник силы гравитации и центробежная сила должны уравновешивать друг друга. Для вычисления высоты геостационарной орбиты можно воспользоваться методами классической механики и исходить из следующего уравнения:

,

где  — сила инерции, а в данном случае, центробежная сила;  — гравитационная сила. Величину гравитационной силы, действующую на спутник, можно определить по закону всемирного тяготения Ньютона:

,

где  — масса спутника,  — масса Земли в килограммах,  — гравитационная постоянная, а  — расстояние в метрах от спутника до центра Земли или, в данном случае, радиус орбиты.

Величина центробежной силы равна:

,

где  — центростремительное ускорение, возникающее при круговом движении по орбите.

Как можно видеть, масса спутника присутствует как множитель в выражениях для центробежной силы и для гравитационной силы, то есть высота орбиты не зависит от массы спутника, что справедливо для любых орбит[4] и является следствием равенства гравитационной и инертной массы. Следовательно, геостационарная орбита определяется лишь высотой, при которых центробежная сила будет равна по модулю и противоположна по направлению гравитационной силе, создаваемой притяжением Земли на данной высоте.

Центростремительное ускорение равно:

,

где  — угловая скорость вращения спутника, в радианах в секунду.

Сделаем одно важное уточнение. В действительности, центростремительное ускорение имеет физический смысл только в инерциальной системе отсчета, в то время как центробежная сила является так называемой мнимой силой и имеет место исключительно в системах отсчета (координат), которые связаны с вращающимися телами. Центростремительная сила (в данном случае — сила гравитации) вызывает центростремительное ускорение. По модулю центростремительное ускорение в инерциальной системе отсчета равно центробежному в системе отсчета, связанной в нашем случае со спутником. Поэтому далее, с учетом сделанного замечания, мы можем употреблять термин «центростремительное ускорение» вместе с термином «центробежная сила».

Уравнивая выражения для гравитационной и центробежной сил с подстановкой центростремительного ускорения, получаем:

.

Сокращая , переводя влево, а вправо, получаем:

или

.

Можно записать это выражение иначе, заменив на  — геоцентрическую гравитационную постоянную:

Угловая скорость вычисляется делением угла, пройденного за один оборот ( радиан) на период обращения (время, за которое совершается один полный оборот по орбите: один сидерический день, или 86 164 секунды). Получаем:

 рад/с

Полученный радиус орбиты составляет 42 164 км. Вычитая экваториальный радиус Земли, 6 378 км, получаем высоту 35 786 км.

Можно сделать вычисления и иначе. Высота геостационарной орбиты — это такое удаление от центра Земли, где угловая скорость спутника, совпадающая с угловой скоростью вращения Земли, порождает орбитальную (линейную) скорость, равную первой космической скорости (для обеспечения круговой орбиты) на данной высоте.

Линейная скорость спутника, движущегося с угловой скоростью на расстоянии от центра вращения равна

Первая космическая скорость на расстоянии от объекта массой равна

Приравняв правые части уравнений друг другу, приходим к полученному ранее выражению радиуса ГСО:

Орбитальная скорость

Скорость движения по геостационарной орбите вычисляется умножением угловой скорости на радиус орбиты:

 км/с

Это примерно в 2.5 раза меньше, чем первая космическая скорость равная 8 км/с на околоземной орбите (с радиусом 6400 км). Так как квадрат скорости для круговой орбиты обратно пропорционален её радиусу,

то уменьшение скорости по отношению к первой космической достигается увеличением радиуса орбиты более чем в 6 раз.

Длина орбиты

Длина геостационарной орбиты: . При радиусе орбиты 42 164 км получаем длину орбиты 264 924 км.

Длина орбиты крайне важна для вычисления «точек стояния» спутников.

Удержание спутника в орбитальной позиции на геостационарной орбите

Спутник, обращающийся на геостационарной орбите, находится под воздействием ряда сил (возмущений), изменяющих параметры этой орбиты. В частности, к таким возмущениям относятся гравитационные лунно-солнечные возмущения, влияние неоднородности гравитационного поля Земли, эллиптичность экватора и т. д. Деградация орбиты выражается в двух основных явлениях:

1) Спутник смещается вдоль орбиты от своей первоначальной орбитальной позиции в сторону одной из четырех точек стабильного равновесия, т. н. «потенциальных ям геостационарной орбиты» (их долготы 75,3°E, 104,7°W, 165,3°E, и 14,7°W) над экватором Земли;

2) Наклонение орбиты к экватору увеличивается (от первоначального 0) со скоростью порядка 0,85 градусов в год и достигает максимального значения 15 градусов за 26,5 лет.

Для компенсации этих возмущений и удержания спутника в назначенной точке стояния спутник оснащается двигательной установкой (химической или электроракетной). Периодическими включениями двигателей малой тяги (коррекция «север-юг» для компенсации роста наклонения орбиты и «запад-восток» для компенсации дрейфа вдоль орбиты) спутник удерживается в назначенной точке стояния. Такие включения производятся по нескольку раз в несколько (10—15) суток. Существенно, что для коррекции «север-юг» требуется значительно большее приращение характеристической скорости (около 45—50 м/с в год), чем для долготной коррекции (около 2 м/с в год). Для обеспечения коррекции орбиты спутника на протяжении всего срока его эксплуатации (12—15 лет для современных телевизионных спутников) требуется значительный запас топлива на борту (сотни килограммов, в случае применения химического двигателя). Химический ракетный двигатель спутника имеет вытеснительную подачу топлива (газ наддува-гелий), работает на долгохранимых высококипящих компонентах (обычно несимметричный диметилгидразин и диазотный тетраоксид). На ряде спутников устанавливаются плазменные двигатели. Их тяга существенно меньше по отношению к химическим, однако большая эффективность позволяет (за счет продолжительной работы, измеряемой десятками минут для единичного маневра) радикально снизить потребную массу топлива на борту. Выбор типа двигательной установки определяется конкретными техническими особенностями аппарата.

Эта же двигательная установка используется, при необходимости, для маневра перевода спутника в другую орбитальную позицию. В некоторых случаях — как правило, в конце срока эксплуатации спутника, для сокращения расхода топлива коррекция орбиты «север-юг» прекращается, а остаток топлива используется только для коррекции «запад-восток».

Запас топлива является основным лимитирующим фактором срока службы спутника на геостационарной орбите.

Недостатки геостационарной орбиты

Задержка сигнала

Связь через геостационарные спутники характеризуется большими задержками в распространении сигнала. При высоте орбиты 35 786 км и скорости света около 300 000 км/с ход луча «Земля-спутник» требует около 0,12 с. Ход луча «Земля (передатчик) → спутник → Земля (приемник)» ≈0,24 с. Ping (ответ) составит полсекунды (точнее 0,48 с). С учетом задержки сигнала в аппаратуре ИСЗ и аппаратуре наземных служб общая задержка сигнала на маршруте «Земля → спутник → Земля» может достигать 2—4 секунд[5]. Такая задержка делает невозможной применение спутниковой связи с использованием ГСО в различных сервисах реального времени (например в онлайн-играх)[6].

Невидимость ГСО с высоких широт

Так как геостационарная орбита не видна с высоких широт (приблизительно от 81° до полюсов), а на широтах выше 75° наблюдается очень низко над горизонтом (в реальных условиях, спутники просто скрываются выступающими объектами и рельефом местности) и виден лишь небольшой участок орбиты (см. таблицу), то невозможна связь и телетрансляция с использованием ГСО в высокоширотных районах Крайнего Севера (Арктики) и Антарктиды[7]. К примеру, американские полярники на станции Амундсен-Скотт для связи с внешним миром (телефония, интернет) используют оптоволоконный кабель длиной 1670 километров до расположеной на 75° ю.ш. французской станции Конкордия, с которой уже видно несколько американских геостационарных спутников[8].

Таблица наблюдаемого сектора геостационарной орбиты в зависимости от широты места
Все данные приведены в градусах и их долях.

Широта
местности
Видимый сектор орбиты
Теоретический
сектор
Реальный
(с уч. рельефа)
сектор[9]
90
82
81 29,7
80 58,9
79 75,2
78 86,7 26,2
75 108,5 77
60 144,8 132,2
50 152,8 143,3
40 157,2 149,3
20 161,5 155,1
0 162,6 156,6

Из вышележащей таблицы видно например, что если на широте С.-Петербурга (~60°) видимый сектор орбиты (и соответственно кол-во принимаемых спутников) равен 84 % от максимально возможного (на экваторе), то на широте по-ва Таймыр (~75°) видимый сектор составляет 49 %, а на широте Шпицбергена и мыса Челюскина (~78°) лишь 16 % от наблюдаемого на экваторе. В этот сектор орбиты в районе Сибири попадает 1-2 спутника (не всегда необходимой страны).

Солнечная интерференция

Одним из самых неприятных недостатков геостационарной орбиты, является уменьшение и полное отсутствие сигнала в ситуации, когда солнце и спутник-передатчик находятся на одной линии с приёмной антенной (положение «солнце за спутником»). Данное явление присуще и другим орбитам, но именно на геостационарной, когда спутник «неподвижен» на небе, проявляется особенно ярко. В средних широтах северного полушария солнечная интерференция проявляется в периоды с 22 февраля по 11 марта и с 3 по 21 октября, с максимальной длительностью до десяти минут[10]. В ясную погоду, сфокусированые светлым покрытием антенны солнечные лучи могут повредить (расплавить) приёмо-передающую аппаратуру спутниковой антенны[11].

См. также

Примечания

  1. Noordung Hermann The Problem With Space Travel. — DIANE Publishing, 1995. — P. 72. — ISBN 978-0788118494
  2. Extra-Terrestrial Relays — Can Rocket Stations Give Worldwide Radio Coverage?  (англ.) (pdf). Arthur C. Clark (October 1945). Архивировано из первоисточника 23 августа 2011. Проверено 25 февраля 2010.
  3. Требование неподвижности спутников относительно Земли на своих орбитальных позициях на геостационарной орбите, а также большое количество спутников на этой орбите в разных её точках, приводят к интересному эффекту при наблюдении и фотографировании звёзд с помощью телескопа с использованием гидирования — удержания ориентации телескопа на заданной точке звёздного неба для компенсации суточного вращения Земли (задача, обратная геостационарной радиосвязи). Если наблюдать в такой телескоп звёздное небо вблизи небесного экватора, где проходит геостационарная орбита, то при определённых условиях можно видеть, как спутники друг за другом проходят на фоне неподвижных звёзд в пределах узкого коридора, как автомобили по оживлённой автотрассе. Особенно хорошо это заметно на фотографиях звёзд с длительными экспозициями, смотри, например: Babak A. Tafreshi. GeoStationary HighWay.  (англ.). The World At Night (TWAN). Архивировано из первоисточника 23 августа 2011. Проверено 25 февраля 2010. Источник: Бабак Тафреши (Ночной мир). Геостационарная магистраль.  (рус.). Астронет.ру. Архивировано из первоисточника 23 августа 2011. Проверено 25 февраля 2010.
  4. для орбит спутников, масса которых пренебрежимо мала по сравнению с массой притягивающего его астрономического объекта
  5. Орбиты искусственных спутников Земли. Вывод спутников на орбиту
  6. The Teledesic Network: Using Low-Earth-Orbit Satellites to Provide Broadband, Wireless, Real-Time Internet Access Worldwide
  7. Журнал «Вокруг Света».№ 9 Сентябрь 2009. Орбиты, которые мы выбираем
  8. Мозаика. Часть II
  9. взято превышение спутником горизонта в 3°
  10. Внимание! Настаёт период активной солнечной интерференции!
  11. Солнечная интерференция

Ссылки

Классификация околоземных орбит

Околоземные орбиты, на которые запускаются космические аппараты, принято делить на следующие категории. Низкие околоземные орбиты (НОО) располагаются на высоте от 160 до 2000 км над поверхностью нашей планеты (в первом случае период обращения равен примерно 88 минут, во втором — 127 минут). Объекты, движущиеся на высотах менее 200 км, испытывают заметное торможение в самых верхних слоях атмосферы и достаточно быстро падают на Землю. Поэтому орбиты ниже 300 км для спутников обычно не применяются — время их существования на таких высотах сравнительно невелико. Верхнее значение определяется внутренней границей радиационных поясов с повышенной концентрацией заряженных частиц, способных повредить электронное оборудование и нанести серьезный ущерб здоровью космонавтов.

На изображении в масштабе показана Земля и околоземные орбиты. Область НОО отмечена синим. Источник: wikipedia.org

Все пилотируемые космические полеты — за исключением девяти экспедиций к Луне в рамках американской программы Apollo — проходили в области НОО либо были суборбитальными. Наибольшей высоты (опять же, не считая лунных миссий) достиг в сентябре 1966 г. экипаж корабля Gemini 11, имевшего апогей 1374 км. В данный момент все обитаемые орбитальные станции и подавляющее большинство прочих искусственных спутников Земли находятся на низких орбитах. Также на них сосредоточена большая часть космического мусора.

Тангенциальная скорость объекта (перпендикулярная к направлению на центр Земли), необходимая для нахождения на стабильной НОО, составляет примерно 7,8 км/с, уменьшаясь с ростом высоты. Для достижения таких орбит при старте с земной поверхности требуется ракета-носитель с характеристической скоростью от 9,4 км/с — дополнительные 1,5-1,6 км/с «расходуются» на аэродинамические и гравитационные потери.

Многие спутники дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) и аппараты военной разведки выводят на НОО, чтобы вести съемку наземных объектов с как можно более близкого расстояния и достичь максимально возможного разрешения. Эти же орбиты занимают некоторые телекоммуникационные спутники, так как на такой высоте им требуются менее мощные усилители сигнала. Однако каждый подобный аппарат движется достаточно быстро и охватывает ограниченный участок земной поверхности, поэтому в таком случае создаются целые сети («созвездия») из множества спутников — например, в спутниковой телефонной системе Iridium их более 70.

Часто используемая разновидность ННО — солнечно-синхронная орбита (ССО), иногда именуемая гелиосинхронной — рассчитывается таким образом, чтобы объект, находящийся на ней, проходил над любой точкой земной поверхности приблизительно в одно и то же местное солнечное время. Обычно такие орбиты имеют высоту порядка 800 км и наклонение около 90° (их плоскости почти перпендикулярны к плоскости земного экватора). Если спутник на ССО ведет съемку поверхности, на всех его проходах угол падения солнечных лучей окажется примерно одинаковым. Например, спутник LandSat-7 может пересекать экватор 15 раз в сутки, каждый раз в 10:00 местного времени. Для аппаратов, ведущих наблюдения за Солнцем или требующих стабильного электроснабжения за счет использования фотогальванических панелей, можно подобрать орбитальные параметры, при которых они практически не будут попадать в тень Земли. Орбиты выбираются таким образом, чтобы солнечная и лунная гравитация вызывала их прецессию в восточном направлении на 360° в год (чуть меньше чем на 1° в сутки), компенсируя вращение нашей планеты вокруг Солнца.

Спутниковое созвездие Iridium (концепт). Источник: Iridium

После окончания функционирования искусственных космических объектов осуществляется их увод на орбиту захоронения, как правило, лежащую выше их рабочей орбиты (чтобы дополнительно ослабить влияние атмосферы). В частности, низкоорбитальные разведывательные спутники с ядерной энергетической установкой — в т.ч. радиолокационные — отправляют на высоту порядка 650-1000 км, где расчетный срок их существования составляет порядка 2 тыс. лет. Часто туда отправляется не сам спутник, а только активная зона реактора. Считается, что за этот срок в ней распадутся самые вредные радиоактивные изотопы… либо же человечество изобретет способ утилизировать опасную технику.

Выше 2000 км находится зона так называемых средних околоземных орбит. Их использует сравнительно малое количество космических аппаратов — в основном научно-исследовательских и навигационных (в частности, спутники системы GPS движутся по орбитам высотой 20 350 км с периодом обращения 12 часов). Главная проблема в этой области пространства связана с радиационными поясами и содержащимися в них высокоэнергетическими заряженными частицами.

Верхнюю границу «средней» зоны отмечают геосинхронные орбиты (ГСО) — они имеют радиус 42 164 км, что соответствует высоте над уровнем моря 35 786 км. Период обращения объектов на таких орбитах равен звездным суткам (23 часа 56 минут 4,1 секунды). Их частным случаем является геостационарная орбита — круговая и лежащая в плоскости земного экватора (0° широты). Спутник, движущийся по ней, фактически оказывается «висящим» над одной и той же точкой Земли. Поэтому приемная антенна, однажды направленная на него, не будет требовать дальнейшего наведения. Очевидно, такие орбиты особенно удобны для телекоммуникационных аппаратов, а также специализированных метеорологических обсерваторий, ведущих мониторинг определенного региона.

Если орбита наклонена к экватору и имеет небольшой эксцентриситет, то при наблюдении с Земли спутник в течение суток будет описывать на небе «восьмерку». В некоторых случаях «восьмерка» может выродиться в эллипс (как у спутников серии Canyon), а при значительном эксцентриситете и нулевом наклонении — в отрезок прямой, лежащий в экваториальной плоскости.

Схема, показывающая разницу между круговой и эллиптической орбитой. Источник: http://mediasat.info

Идеальная ГСО практически недостижима, так как аппараты на ней испытывают также притяжение со стороны Луны и Солнца, воздействие земного магнитного поля, солнечного ветра и другие посторонние возмущения, «сталкивающие» их с точки стояния. Поэтому на борту геостационарных спутников предусмотрена корректирующая двигательная установка с запасом топлива. Кроме того, такие спутники не видны из местностей в окрестностях полюсов, простирающихся приблизительно до 81° северной и южной широты.

Дважды в году (вблизи весеннего и осеннего равноденствий) возникают ситуации, когда телекоммуникационные аппараты на ГСО проецируются на солнечный диск. В это время связь через них затруднена, а иногда вообще невозможна.

Геостационарная орбита захоронения расположена примерно на 200 км выше «стандартной» ГСО. Туда отправляют спутники, выработавшие свой ресурс или исчерпавшие запасы горючего для бортовых двигателей. Далее до расстояния порядка 300 тыс. км (точнее, до точки Лагранжа L1 системы «Земля-Луна») находится область высоких околоземных орбит. Пока они используются довольно редко — в частности, в этой области пространства сейчас работает космический телескоп TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite).

Типы орбит движения спутников

Всего существует три типа орбит движения спутников, названия которых определяются нахождением спутников в зависимости от угла между плоскостями орбиты и экватора Земли, а именно, — полярная орбита, наклонная орбита и экваториальная орбита (геостационарная орбита).

Полярная орбита – это орбита, имеющая наклонение i орбиты к плоскости экватора в 90°. Полярная орбита, также как и наклонная орбита (которая смещена под углом между полярной и экваториальной орбитами), имеет существенный недостаток: так как спутник движется по этим орбитам, то для того, чтобы отслеживать положение спутника антенну нужно обязательно подстраивать для получения спутникового сигнала., а для это, в свою очередь, требуется специальное оборудование, которое стоит немалых денег: их очень сложно устанавливать и обслуживать.

Экваториальная орбита (или геостационарная орбита) находится в экваториальной плоскости нашей планеты. Двигаясь по ней, спутник делает оборот ровно за то время, за которое Земля обращается вокруг своей оси. Поэтому он кажется неподвижным и как-будто находится постоянно в одной точке. Это очень удобно для ретрансляции сигналов, так как не нужно регулировать положение рефлекторов антенн, направляя их на уходящий спутник.

Геостационарная орбита – имеет высоту над поверхностью Земли 35876 км, радиус 442241 км, длину 265409 км. Именно геостанционарную орбиту используют большинство спутников коммерческого назначения. Эта орбита помимо положительных имеет и отрицательные характеристики: — невозможно передавать сигнал на приполярные районы Земли, так как угол местности очень мал; — из-за того, что несколько спутников на одной орбите могут находиться только на небольшом расстоянии друг от друга, то происходит перенасыщение геостационарной орбиты.

 

Похожие статьи:

Движение искусственных спутников Земли по орбитам

Какая сила удерживает спутники вокруг земли. Геостационарная орбита. Искусственные спутники Земли. Что внутри обычного спутника

Или почему спутники не падают? Орбита спутника представляет собой хрупкий баланс между инерцией и гравитацией. Сила тяжести непрерывно притягивает спутник к Земле, в то время как инерция спутника стремится поддерживать его движение прямолинейным. Если бы не было силы тяжести, инерция спутника отправила бы его прямо с земной орбиты в открытый космос. Однако в каждой точке орбиты сила тяжести держит спутник на привязи.

Чтобы достичь равновесия между инерцией и силой тяжести, спутник должен иметь строго определенную скорость. Если он летит слишком быстро, инерция преодолевает силу тяжести и спутник покидает орбиту. (Вычисление так называемой второй космической скорости, позволяющей спутнику покидать околоземную орбиту, играет важную роль в запуске межпланетных космических станций.) Если спутник движется слишком медленно, сила тяжести победит в борьбе с инерцией и спутник упадет на Землю. Именно это случилось в 1979 году, когда американская орбитальная станция Скайлэб начала снижаться в результате растущего сопротивления верхних слоев земной атмосферы. Попав в железные клещи гравитации, станция вскоре упала на Землю.

Скорость и расстояние

Поскольку земное притяжение ослабевает с расстоянием, скорость, необходимая для удержания спутника на орбите, изменяется с высотой над уровнем моря. Инженеры могут вычислять, как быстро и как высоко спутник должен вращаться на орбите. Например, геостационарный спутник, расположенный всегда над одной и той же точкой земной поверхности, должен совершать один виток за 24 часа (что соответствует времени одного оборота Земли вокруг своей оси) на высоте 357 километров.

Сила тяжести и инерция

Балансирование спутника между силой тяжести и инерцией может быть сымитировано вращением груза на привязанной к нему веревке. Инерция груза стремится переместить его подальше от центра вращения, в то время как натяжение веревки, выполняющее роль гравитации, удерживает груз на круговой орбите. Если веревку перерезать, груз улетит по прямолинейной траектории перпендикулярно радиусу своей орбиты.

Что собой представляет геостационарная орбита? Это круговое поле, которое расположилось над экватором Земли, по нему искусственный спутник обращается с угловой скоростью вращения планеты вокруг оси. Он не изменяет свое направление в горизонтальной системе координат, а неподвижно висит в небе. Геостационарная орбита Земли (ГСО)представляет собой разновидность геосинхронного поля и применяется для размещения коммуникационных, телетрансляционных и других спутников.

Идея использования искусственных аппаратов

Само понятие геостационарной орбиты инициировано русским изобретателем К. Э. Циолковским. В своих работах он предлагал заселить космос с помощью орбитальных станций. Зарубежные ученые также описывали работы космических полей, например, Г. Оберт. Человеком, который развил концепцию использования орбиты для связи, является Артур Кларк. Он в 1945 году поместил статью в журнале «Wireless World», где описал преимущества работы геостационарного поля. За активный труд в данной области в честь ученого орбита получила свое второе название — «пояс Кларка». Над проблемой осуществления качественной связи думали многие теоретики. Так, Герман Поточник в 1928 году высказал мысль о том, как можно применять геостационарные спутники.

Характеристика «пояса Кларка»

Чтобы орбита была названа геостационарной, она должна отвечать ряду параметров:

1. Геосинхронность. К такой характеристике относится поле, которое имеет период, соответствующий периоду обращения Земли. Геосинхронный спутник заканчивает оборот вокруг планеты за сидерический день, который равен 23 часам 56 минутам и 4 секундам. То же время необходимо Земле для выполнения одного оборота в фиксированном пространстве.

2. Для поддержания спутника на определенной точке геостационарная орбита должна быть круговой, с нулевым наклонением. Эллиптическое поле приведет к смещению либо к востоку, либо к западу, так как аппарат движется в определенных точках орбиты по-разному.

3. «Точка зависания» космического механизма должна находиться на экваторе.

4. Расположение спутников на геостационарной орбите должны быть таким, чтобы небольшое количество частот, предназначенных для связи, не привело к наложению частот разных аппаратов при приеме и передаче, а также для исключения их столкновения.

5. Достаточное количество топлива для поддержания неизменного положения космического механизма.

Геостационарная орбита спутника уникальна тем, что только при сочетании ее параметров можно добиться неподвижности аппарата. Еще одной особенностью является возможность видеть Землю под углом в семнадцать градусов из расположенных на космическом поле спутников. Каждый аппарат отхватывает примерно одну третью часть поверхности орбиты, поэтому три механизма способны обеспечить охват почти всей планеты.

Искусственные спутники

Летательный аппарат вращается вокруг Земли по геоцентрическому пути. Для его вывода используют многоступенчатую ракету. Она представляет собой космический механизм, который приводит в действие реактивная сила двигателя. Для движения по орбите искусственные спутники Земли должны иметь начальную скорость, которая соответствует первой космической. Их полеты осуществляются на высоте не меньше нескольких сотен километров. Период обращения аппарата может составлять несколько лет. Искусственные спутники Земли могут запускаться с бортов других аппаратов, например, орбитальных станций и кораблей. Беспилотники имеют массу до двух десятков тонн и размер до нескольких десятков метров. Двадцать первый век ознаменовался рождением аппаратов со сверхмалым весом — до несколько килограммов.

Спутники запускались многими странами и компаниями. Первый в мире искусственный аппарат был создан в СССР и полетел в космос 4 октября 1957 года. Он носил имя «Спутник-1». В 1958 году США запустила второй аппарат — «Эксплорер-1». Первый спутник, который был выведен NASA в 1964 году, носил имя Syncom-3. Искусственные аппараты в основном невозвратные, но есть те, которые возвращаются частично или полностью. Их используют для проведения научных исследований и решения различных задач. Так, существуют военные, исследовательские, навигационные спутники и другие. Также запускаются аппараты, созданные сотрудниками университетов или радиолюбителями.

«Точка стояния»

Геостационарные спутники располагаются на высоте 35786 километров над уровнем моря. Такая высота обеспечивает период обращения, который соответствует периоду циркуляции Земли по отношению к звездам. Искусственный аппарат неподвижен, поэтому его местоположение на геостационарной орбите называется «точкой стояния». Зависание обеспечивает постоянную длительную связь, однажды сориентированная антенна всегда будет направлена на нужный спутник.

Передвижение

Спутники можно переводить с низковысотной орбиты на геостационарную с помощью геопереходных полей. Последние представляют собой эллиптический путь с точкой на низкой высоте и пиком на высоте, которая близка к геостационарному кругу. Спутник, который стал непригодным для дальнейшей работы, отправляется на орбиту захоронения, расположенную на 200-300 километров выше ГСО.

Высота геостационарной орбиты

Спутник на данном поле держится на определенном расстоянии от Земли, не приближаясь и не удаляясь. Он всегда находится над какой-либо точкой экватора. Исходя из данных особенностей следует вывод, что силы гравитации и центробежная сила уравновешивают друг друга. Высота геостационарной орбиты рассчитывается методами, в основе которых лежит классическая механика. При этом учитывается соответствие гравитационных и центробежных сил. Значение первой величины определяется с помощью закона всемирного тяготения Ньютона. Показатель центробежной силы рассчитывается путем произведения массы спутника на центростремительное ускорение. Итогом равенства гравитационной и инертной массы является заключение о том, что высота орбиты не зависит от массы спутника. Поэтому геостационарная орбита определяется только высотой, при которой центробежная сила равна по модулю и противоположна по направлению гравитационной силе, создающейся притяжением Земли на данной высоте.

Из формулы расчета центростремительного ускорения можно найти угловую скорость. Радиус геостационарной орбиты определяется также по этой формуле либо путем деления геоцентрической гравитационной постоянной на угловую скорость в квадрате. Он составляет 42164 километра. Учитывая экваториальный радиус Земли, получаем высоту, равную 35786 километрам.

Вычисления можно провести другим путем, основываясь на утверждении, что высота орбиты, представляющая собой удаление от центра Земли, с угловой скоростью спутника, совпадающей с движением вращения планеты, рождает линейную скорость, которая равна первой космической на данной высоте.

Скорость на геостационарной орбите. Длина

Данный показатель рассчитывается путем умножения угловой скорости на радиус поля. Значение скорости на орбите равно 3,07 километра в секунду, что намного меньше первой космической скорости на околоземном пути. Чтобы уменьшить показатель, необходимо увеличить радиус орбиты более чем в шесть раз. Длина рассчитывается произведением числа Пи на радиус, умноженным на два. Она составляет 264924 километра. Показатель учитывается при вычислении «точек стояния» спутников.

Влияние сил

Параметры орбиты, по которой обращается искусственный механизм, могут изменяться под действием гравитационных лунно-солнечных возмущений, неоднородности поля Земли, эллиптичности экватора. Трансформация поля выражается в таких явлениях, как:

  1. Смещение спутника от своей позиции вдоль орбиты в сторону точек стабильного равновесия, которые носят название потенциальных ям геостационарной орбиты.
  2. Угол наклона поля к экватору растет с определенной скоростью и достигает 15 градусов один раз за 26 лет и 5 месяцев.

Для удержания спутника в нужной «точке стояния» его оснащают двигательной установкой, которую включают несколько раз в 10-15 суток. Так, для восполнения роста наклонения орбиты используют коррекцию «север-юг», а для компенсации дрейфа вдоль поля — «запад-восток». Для регулирования пути спутника в течение всего срока его работы необходим большой запас топлива на борту.

Двигательные установки

Выбор приспособления определяется индивидуальными техническими особенностями спутника. Например, химический ракетный двигатель имеет вытеснительную подачу топлива и функционирует на долго хранимых высококипящих компонентах (диазотный тетроксид, несимметричный диметилгидразин). Плазменные устройства имеют существенно меньшую тягу, но за счет продолжительной работы, которая измеряется десятками минут для единичного передвижения, способны значительно снизить потребляемое количество топлива на борту. Такой тип двигательной установки используется для маневра перевода спутника в другую орбитальную позицию. Основным ограничивающим фактором срока службы аппарата является запас топлива на геостационарной орбите.

Недостатки искусственного поля

Существенным пороком во взаимодействии с геостационарными спутниками являются большие запоздания в распространении сигнала. Так, при скорости света 300 тысяч километров в секунду и высоте орбиты 35786 километров движение луча «Земля — спутник» занимает около 0,12 секунды, а «Земля — спутник — Земля» — 0,24 секунды. Учитывая задержку сигнала в аппаратуре и кабельных системах передач наземных служб общее запоздание сигнала «источник — спутник — приемник» достигает примерно 2-4 секунд. Такой показатель существенно затрудняет применение аппаратов на орбите в телефонии и делает невозможным использование спутниковой связи в системах реального времени.

Еще одним недостатком является невидимость геостационарной орбиты с высоких широт, что мешает проводимости связи и телетрансляций в районах Арктики и Антарктиды. В ситуациях, когда солнце и спутник-передатчик находятся на одной линии с приемной антенной, наблюдается уменьшение, а порой и полное отсутствие сигнала. На геостационарных орбитах за счет неподвижности спутника такое явление проявляется особенно ярко.

Эффект Допплера

Этот феномен заключается в изменении частот электромагнитных вибраций при взаимном продвижении передатчика и приемника. Явление выражается изменением расстояния во времени, а также движением искусственных аппаратов на орбите. Эффект проявляется как малоустойчивость несущей частоты колебаний спутника, которая прибавляется к аппаратурной нестабильности частоты бортового ретранслятора и земной станции, что осложняет прием сигналов. Эффект Допплера содействует изменению частоты модулирующих вибраций, что невозможно контролировать. В случае, когда на орбите используются спутники связи и непосредственного телевизионного вещания, данное явление практически устраняется, то есть не наблюдается изменений уровня сигналов в точке приема.

Отношение в мире к геостационарным полям

Космическая орбита своим рождением создала много вопросов и международно-правовых проблем. Их решением занимается ряд комитетов, в частности, Организация Объединенных Наций. Некоторые страны, расположенные на экваторе, предъявляли претензии на распространение их суверенитета на находящуюся над их территорией часть космического поля. Государства заявляли, что геостационарная орбита представляет собой физический фактор, который связан с существованием планеты и зависит от гравитационного поля Земли, поэтому сегменты поля являются продолжением территории их стран. Но такие притязания были отвергнуты, так как в мире существует принцип неприсвоения космического пространства. Все проблемы, связанные с работой орбит и спутников, разрешаются на мировом уровне.

«Человек должен подняться над Землей — в атмосферу и за ее пределы — ибо только так он полностью поймет мир, в котором живет».

Сократ сделал это наблюдение за века до того, как люди успешно вывели объект на земную орбиту. И все же древнегреческий философ, кажется, понял, насколько ценным может быть вид из космоса, хотя совершенно не знал, как этого достичь.

Этому понятию — о том, как вывести объект «в атмосферу и за ее пределы» — пришлось ждать до тех пор, пока Исаак Ньютон не опубликовал свой знаменитый мысленный эксперимент с пушечным ядром в 1729 году. Выглядит он примерно так:

«Представьте, что вы поместили пушку на вершину горы и выстрелили из нее горизонтально. Пушечное ядро будет путешествовать параллельно поверхности Земли некоторое время, но в конечном счете уступит силе тяжести и упадет на Землю. Теперь представьте, что вы продолжаете добавлять порох в пушку. С дополнительными взрывами ядро будет путешествовать дальше и дальше, пока не упадет. Добавьте нужное количество пороха и придайте ядру правильное ускорение, и оно будет постоянно лететь вокруг планеты, всегда падая в гравитационном поле, но никогда не достигая земли».

В октябре 1957 года Советский Союз наконец подтвердил догадку Ньютона, запустив «Спутник-1» — первый искусственный спутник на орбите Земли. Это инициировало космическую гонку и многочисленные запуски объектов, которым предназначалось летать вокруг Земли и других планет Солнечной системы. С момента запуска «Спутника» некоторые страны, по большей части США, Россия и Китай, запустили более 3000 спутников в космос. Некоторые из этих сделанными людьми объектов, например МКС, большие. Другие отлично умещаются в небольшом сундучке. Благодаря спутникам мы получаем прогнозы погоды, смотрим телевизор, сидим в Интернете и звоним по телефону. Даже те спутники, работу которых мы не ощущаем и не видим, отлично служат в пользу военных.

Конечно, запуск и эксплуатация спутников привели к проблемам. Сегодня, учитывая более 1000 рабочих спутников на земной орбите, наш ближайший космический район стал оживленнее, чем крупный город в час пик. Приплюсуйте к этому нерабочее оборудование, заброшенные спутники, части аппаратного обеспечения и фрагменты от взрывов или столкновений, которые наполняют небеса вместе с полезным оборудованием. Этот орбитальный мусор, о котором мы , накапливался на протяжении многих лет и представляет серьезную угрозу для спутников, в настоящее время кружащим вокруг Земли, а также для будущих пилотируемых и непилотируемых запусков.

В этой статье мы залезем в кишки обычного спутника и заглянем в его глаза, чтобы увидеть виды нашей планеты, о которых Сократ и Ньютон не могли и мечтать. Но сначала давайте подробнее разберемся, чем, собственно, спутник отличается от других небесных объектов.

— это любой объект, который движется по кривой вокруг планеты. Луна — это естественный спутник Земли, также рядом с Землей находится множество спутников, сделанных руками человека, так сказать, искусственных. Путь, по которому следует спутник, это орбита, иногда принимающая форму окружности.

Чтобы понять, почему спутники движутся таким образом, мы должны навестить нашего друга Ньютона. Он предположил, что сила гравитации существует между двумя любыми объектами во Вселенной. Если бы этой силы не было, спутники, летящие вблизи планеты, продолжали бы свое движение с одной скоростью и в одном направлении — по прямой. Эта прямая — инерционный путь спутника, который, однако, уравновешивается сильным гравитационным притяжением, направленным к центру планеты.

Иногда орбита спутника выглядит как эллипс, приплюснутый круг, который проходит вокруг двух точек, известных как фокусы. В этом случае работают все те же законы движения, разве что планеты расположены в одном из фокусов. В результате, чистая сила, приложенная к спутнику, не проходит равномерно по всему его пути, и скорость спутника постоянно меняется. Он движется быстро, когда находится ближе всего к планете — в точке перигея (не путать с перигелием), и медленнее, когда находится дальше от планеты — в точке апогея.

Спутники бывают самых разных форм и размеров и выполняют самые разнообразные задачи.

  • Метеорологические спутники помогают метеорологам прогнозировать погоду или видеть, что происходит с ней в данный момент. Геостационарный эксплуатационный экологический спутник (GOES) представляет хороший пример. Эти спутники обычно включают камеры, которые демонстрируют погоду Земли.
  • Спутники связи позволяют телефонным разговорам ретранслироваться через спутник. Наиболее важной особенностью спутника связи является транспондер — радио, которое получает разговор на одной частоте, а после усиливает его и передает обратно на Землю на другой частоте. Спутник обычно содержит сотни или тысячи транспондеров. Спутники связи, как правило, геосинхронные (об этом позже).
  • Телевизионные спутники передают телевизионные сигналы из одной точки в другую (по аналогии со спутниками связи).
  • Научные спутники, как некогда космический телескоп Хаббла, выполняют все виды научных миссий. Они наблюдают за всем — от солнечных пятен до гамма-лучей.
  • Навигационные спутники помогают летать самолетам и плавать кораблям. GPS NAVSTAR и спутники ГЛОНАСС — яркие представители.
  • Спасательные спутники реагируют на сигналы бедствия.
  • Спутники наблюдения за Землей отмечают изменения — от температуры до ледяных шапок. Наиболее известные — серия Landsat.

Военные спутники также находятся на орбите, но большая часть их работы остается тайной. Они могут ретранслировать зашифрованные сообщения, осуществлять наблюдение за ядерным оружием, передвижениями противника, предупреждать о запусках ракет, прослушивать сухопутное радио, осуществлять радиолокационную съемку и картографирование.

Когда были изобретены спутники?

Возможно, Ньютон в своих фантазиях и запускал спутники, но прежде чем мы на самом деле совершили этот подвиг, прошло немало времени. Одним из первых визионеров был писатель-фантаст Артур Кларк. В 1945 году Кларк предположил, что спутник может быть размещен на орбите так, что будет двигаться в том же направлении и с той же скоростью, что и Земля. Так называемые геостационарные спутники можно было бы использовать для связи.

Ученые не понимали Кларка — до 4 октября 1957 года. Тогда Советский Союз запустил «Спутник-1», первый искусственный спутник, на орбиту Земли. «Спутник» был 58 сантиметров в диаметре, весил 83 килограмма и был выполнен в форме шарика. Хотя это было замечательное достижение, содержание «Спутника» было скудным по сегодняшним меркам:

  • термометр
  • батарея
  • радиопередатчик
  • газообразный азот, который был под давлением внутри спутника

На внешней стороне «Спутника» четыре штыревые антенны передавали на коротковолновой частоте выше и ниже нынешнего стандарта (27 МГц). Станции слежения на Земле поймали радиосигнал и подтвердили, что крошечный спутник пережил запуск и успешно вышел на курс вокруг нашей планеты. Месяцем позже Советский Союз запустил на орбиту «Спутник-2». Внутри капсулы была собака Лайка.

В декабре 1957 года, отчаянно пытаясь идти в ногу со своими противниками по холодной войне, американские ученые попытались вывести спутник на орбиту вместе с планетой Vanguard. К сожалению, ракета разбилась и сгорела еще на стадии взлета. Вскоре после этого, 31 января 1958 года, США повторили успех СССР, приняв план Вернера фон Брауна, который заключался в выводе спутника Explorer-1 с ракетой U.S. Redstone. Explorer-1 нес инструменты для обнаружения космических лучей и обнаружил в ходе эксперимента Джеймса Ван Аллена из Университета Айовы, что космических лучей гораздо меньше, чем ожидалось. Это привело к открытию двух тороидальных зон (в конечном счете названных в честь Ван Аллена), наполненных заряженными частицами, захваченными магнитным полем Земли.

Воодушевленные этими успехами, некоторые компании начали разрабатывать и запускать спутники в 60-х годах. Одной из них была Hughes Aircraft вместе со звездным инженером Гарольдом Розеном. Розен возглавил команду, которая воплотила идею Кларка — спутник связи, размещенный на орбите Земли таким образом, что мог отражать радиоволны из одного места в другое. В 1961 году NASA заключило контракт с Hughes, чтобы построить серию спутников Syncom (синхронная связь). В июле 1963 года Розен и его коллеги увидели, как Syncom-2 взлетел в космос и вышел на грубую геосинхронную орбиту. Президент Кеннеди использовал новую систему, чтобы поговорить с премьер-министром Нигерии в Африке. Вскоре взлетел и Syncom-3, который на самом деле мог транслировать телевизионный сигнал.

Эпоха спутников началась.

Какая разница между спутником и космическим мусором?

Технически, спутник это любой объект, который вращается вокруг планеты или меньшего небесного тела. Астрономы классифицируют луны как природные спутники, и на протяжении многих лет они составили список из сотен таких объектов, обращающихся вокруг планет и карликовых планет нашей Солнечной системы. К примеру, насчитали 67 лун Юпитера. И до сих пор .

Техногенные объекты, вроде «Спутника» и Explorer, также можно классифицировать как спутники, поскольку они, как и луны, вращаются вокруг планеты. К сожалению, человеческая активность привела к тому, что на орбите Земли оказалось огромное количество мусора. Все эти куски и обломки ведут себя как и крупные ракеты — вращаются вокруг планеты на высокой скорости по круговому или эллиптическому пути. В строгом толковании определения можно каждый такой объект определить как спутник. Но астрономы, как правило, считают спутниками те объекты, которые выполняют полезную функцию. Обломки металла и другой хлам попадают в категорию орбитального мусора.

Орбитальный мусор поступает из многих источников:

  • Взрыв ракеты, который производит больше всего хлама.
  • Астронавт расслабил руку — если астронавт ремонтирует что-то в космосе и упускает гаечный ключ, тот потерян навсегда. Ключ выходит на орбиту и летит со скоростью около 10 км/с. Если он попадет в человека или в спутник, результаты могут быть катастрофическими. Крупные объекты, вроде МКС, представляют собой большую мишень для космического мусора.
  • Выброшенные предметы. Части пусковых контейнеров, шапки объективов камер и так далее.

NASA вывело специальный спутник под названием LDEF для изучения долгосрочных эффектов от столкновения с космическим мусором. За шесть лет инструменты спутника зарегистрировали около 20 000 столкновений, некоторые из которых были вызваны микрометеоритами, а другие орбитальным мусором. Ученые NASA продолжают анализировать данные LDEF. А вот в Японии уже гигантскую сеть для отлова космического мусора.

Что внутри обычного спутника?

Спутники бывают разных форм и размеров и выполняют множество различных функций, однако все, в принципе, похожи. Все они имеют металлический или композитный каркас и тело, которое англоязычные инженеры называют bus, а русские — космической платформой. Космическая платформа собирает все вместе и обеспечивает достаточно мер, чтобы инструменты пережили запуск.

У всех спутников есть источник питания (обычно солнечные батареи) и аккумуляторы. Массивы солнечных батарей позволяют заряжать аккумуляторы. Новейшие спутники включают и топливные элементы. Энергия спутников очень дорога и крайне ограничена. Ядерные элементы питания обычно используются для отправки космических зондов к другим планетам.

У всех спутников есть бортовой компьютер для контроля и мониторинга различных систем. У всех есть радио и антенна. Как минимум, у большинства спутников есть радиопередатчик и радиоприемник, поэтому экипаж наземной команды может запросить информацию о состоянии спутника и наблюдать за ним. Многие спутники позволяют массу различных вещей: от изменения орбиты до перепрограммирования компьютерной системы.

Как и следовало ожидать, собрать все эти системы воедино — непростая задача. Она занимает годы. Все начинается с определения цели миссии. Определение ее параметров позволяет инженерам собрать нужные инструменты и установить их в правильном порядке. Как только спецификация утверждена (и бюджет), начинается сборка спутника. Она происходит в чистой комнате, в стерильной среде, что позволяет поддерживать нужную температуру и влажность и защищать спутник во время разработки и сборки.

Искусственные спутники, как правило, производятся на заказ. Некоторые компании разработали модульные спутники, то есть конструкции, сборка которых позволяет устанавливать дополнительные элементы согласно спецификации. К примеру, у спутников Boeing 601 было два базовых модуля — шасси для перевозки двигательной подсистемы, электроника и батареи; и набор сотовых полок для хранения оборудования. Эта модульность позволяет инженерам собирать спутники не с нуля, а с заготовки.

Как спутники запускаются на орбиту?

Сегодня все спутники выводятся на орбиту на ракете. Многие перевозят их в грузовом отделе.

В большинстве запусков спутников запуск ракеты происходит прямо вверх, это позволяет быстрее провести ее через толстый слой атмосферы и минимизировать расход топлива. После того, как ракета взлетает, механизм управления ракеты использует инерциальную систему наведения для расчета необходимых корректировок сопла ракеты, чтобы обеспечить нужный наклон.

После того как ракета выходит в разреженный воздух, на высоту около 193 километров, система навигации выпускает небольшие ракетки, чего достаточно для переворота ракеты в горизонтальное положение. После этого выпускается спутник. Небольшие ракеты выпускаются снова и обеспечивают разницу в расстоянии между ракетой и спутником.

Орбитальная скорость и высота

Ракета должна набрать скорость в 40 320 километров в час, чтобы полностью сбежать от земной гравитации и улететь в космос. Космическая скорость куда больше, чем нужно спутнику на орбите. Они не избегают земной гравитации, а находятся в состоянии баланса. Орбитальная скорость — это скорость, необходимая для поддержания баланса между гравитационным притяжением и инерциальным движением спутника. Это примерно 27 359 километров в час на высоте 242 километра. Без гравитации инерция унесла бы спутник в космос. Даже с гравитацией, если спутник будет двигаться слишком быстро, его унесет в космос. Если спутник будет двигаться слишком медленно, гравитация притянет его обратно к Земле.

Орбитальная скорость спутника зависит от его высоты над Землей. Чем ближе к Земле, тем быстрее скорость. На высоте в 200 километров орбитальная скорость составляет 27 400 километров в час. Для поддержания орбиты на высоте 35 786 километров спутник должен обращаться со скорость 11 300 километров в час. Эта орбитальная скорость позволяет спутнику делать один облет в 24 часа. Поскольку Земля также вращается 24 часа, спутник на высоте в 35 786 километров находится в фиксированной позиции относительно поверхности Земли. Эта позиция называется геостационарной. Геостационарная орбита идеально подходит для метеорологических спутников и спутников связи.

В целом, чем выше орбита, тем дольше спутник может оставаться на ней. На низкой высоте спутник находится в земной атмосфере, которая создает сопротивление. На большой высоте нет практически никакого сопротивления, и спутник, как луна, может находиться на орбите веками.

Типы спутников

На земле все спутники выглядят похоже — блестящие коробки или цилиндры, украшенные крыльями из солнечных панелей. Но в космосе эти неуклюжие машины ведут себя совершенно по-разному в зависимости от траектории полета, высоты и ориентации. В результате, классификация спутников превращается в сложное дело. Один из подходов — определение орбиты аппарата относительно планеты (обычно Земли). Напомним, что существует две основных орбиты: круговая и эллиптическая. Некоторые спутники начинают по эллипсу, а потом выходят на круговую орбиту. Другие движутся по эллиптическому пути, известному как орбита «Молния». Эти объекты, как правило, кружат с севера на юг через полюсы Земли и завершают полный облет за 12 часов.

Полярно-орбитальные спутники также проходят через полюсы с каждым оборотом, хотя их орбиты менее эллиптические. Полярные орбиты остаются фиксированными в космосе, в то время как вращается Земля. В результате, большая часть Земли проходит под спутником на полярной орбите. Поскольку полярные орбиты дают прекрасный охват планеты, они используются для картографирования и фотографии. Синоптики также полагаются на глобальную сеть полярных спутников, которые облетают наш шар за 12 часов.

Можно также классифицировать спутники по их высоте над земной поверхностью. Исходя из этой схемы, есть три категории:

  • Низкая околоземная орбита (НОО) — НОО-спутники занимают область пространства от 180 до 2000 километров над Землей. Спутники, которые движутся близко к поверхности Земли, идеально подходят для проведения наблюдений, в военных целях и для сбора информации о погоде.
  • Средняя околоземная орбита (СОО) — эти спутники летают от 2000 до 36 000 км над Землей. На этой высоте хорошо работают навигационные спутники GPS. Примерная орбитальная скорость — 13 900 км/ч.
  • Геостационарная (геосинхронная) орбита — геостационарные спутники двигаются вокруг Земли на высоте, превышающей 36 000 км и на той же скорости вращения, что и планета. Поэтому спутники на этой орбите всегда позиционируются к одному и тому же месту на Земле. Многие геостационарные спутники летают по экватору, что породило множество «пробок» в этом регионе космоса. Несколько сотен телевизионных, коммуникационных и погодных спутников используют геостационарную орбиту.

И наконец, можно подумать о спутниках в том смысле, где они «ищут». Большинство объектов, отправленных в космос за последние несколько десятилетий, смотрят на Землю. У этих спутников есть камеры и оборудование, которое способно видеть наш мир в разных длинах волн света, что позволяет насладиться захватывающим зрелищем в ультрафиолетовых и инфракрасных тонах нашей планеты. Меньше спутников обращают свой взгляд к пространству, где наблюдают за звездами, планетами и галактиками, а также сканируют объекты вроде астероидов и комет, которые могут столкнуться с Землей.

Известные спутники

До недавнего времени спутники оставались экзотическими и сверхсекретными приборами, которые использовались в основном в военных целях для навигации и шпионажа. Теперь они стали неотъемлемой частью нашей повседневной жизни. Благодаря им, мы узнаем прогноз погоды (хотя синоптики ой как часто ошибаются). Мы смотрим телевизоры и работаем с Интернетом также благодаря спутникам. GPS в наших автомобилях и смартфонах позволяет добраться до нужного места. Стоит ли говорить о неоценимом вкладе телескопа «Хаббл» и работы космонавтов на МКС?

Однако есть настоящие герои орбиты. Давайте с ними познакомимся.

  1. Спутники Landsat фотографируют Землю с начала 1970-х годов, и по части наблюдений за поверхностью Земли они рекордсмены. Landsat-1, известный в свое время как ERTS (Earth Resources Technology Satellite) был запущен 23 июля 1972 года. Он нес два основных инструмента: камеру и многоспектральный сканер, созданный Hughes Aircraft Company и способный записывать данные в зеленом, красном и двух инфракрасных спектрах. Спутник делал настолько шикарные изображения и считался настолько успешным, что за ним последовала целая серия. NASA запустило последний Landsat-8 в феврале 2013 года. На этом аппарате полетели два наблюдающих за Землей датчика, Operational Land Imager и Thermal Infrared Sensor, собирающие многоспектральные изображения прибрежных регионов, полярных льдов, островов и континентов.
  2. Геостационарные эксплуатационные экологические спутники (GOES) кружат над Землей на геостационарной орбите, каждый отвечает за фиксированную часть земного шара. Это позволяет спутникам внимательно наблюдать за атмосферой и выявлять изменения погодных условий, которые могут привести к торнадо, ураганам, паводкам и грозовым штормам. Также спутники используются для оценки сумм осадков и накопления снегов, измерения степени снежного покрова и отслеживания передвижений морского и озерного льда. С 1974 года на орбиту было выведено 15 спутников GOES, но одновременно за погодой наблюдают только два спутника GOES «Запад» и GOES «Восток».
  3. Jason-1 и Jason-2 сыграли ключевую роль в долгосрочном анализе океанов Земли. NASA запустило Jason-1 в декабре 2001 года, чтобы заменить им спутник NASA/CNES Topex/Poseidon, который работал над Землей с 1992 года. На протяжении почти тринадцати лет Jason-1 измерял уровень моря, скорость ветра и высоту волн более 95 % свободных от льда земных океанов. NASA официально списало Jason-1 3 июля 2013 года. В 2008 году на орбиту вышел Jason-2. Он нес высокоточные инструменты, позволяющие измерять дистанцию от спутника до поверхности океана с точностью в несколько сантиметров. Эти данные, помимо ценности для океанологов, предоставляют обширный взгляд на поведение мировых климатических паттернов.

Сколько стоят спутники?

После «Спутника» и Explorer, спутники стали больше и сложнее. Возьмем, к примеру, TerreStar-1, коммерческий спутник, который должен был обеспечить передачу мобильных данных в Северной Америке для смартфонов и подобных устройств. Запущенный в 2009 году TerreStar-1 весил 6910 килограмм. И будучи полностью развернутым, он раскрывал 18-метровую антенну и массивные солнечные батареи с размахом крыльев в 32 метра.

Строительство такой сложной машины требует массы ресурсов, поэтому исторически только правительственные ведомства и корпорации с глубокими карманами могли войти в спутниковый бизнес. Большая часть стоимости спутника лежит в оборудовании — транспондерах, компьютерах и камерах. Обычный метеорологический спутник стоит около 290 миллионов долларов. Спутник-шпион обойдется на 100 миллионов долларов больше. Добавьте к этому стоимость содержания и ремонта спутников. Компании должны платить за пропускную полосу спутника так же, как владельцы телефонов платят за сотовую связь. Обходится иногда это более чем в 1,5 миллиона долларов в год.

Другим важным фактором является стоимость запуска. Запуск одного спутника в космос может обойтись от 10 до 400 миллионов долларов, в зависимости от аппарата. Ракета Pegasus XL может поднять 443 килограмма на низкую околоземную орбиту за 13,5 миллиона долларов. Запуск тяжелого спутника потребует большей подъемной силы. Ракета Ariane 5G может вывести на низкую орбиту 18 000-килограммовый спутник за 165 миллионов долларов.

Несмотря на затраты и риски, связанные с постройкой, запуском и эксплуатацией спутников, некоторые компании сумели построить целый бизнес на этом. К примеру, Boeing. В 2012 году компания доставила в космос около 10 спутников и получила заказы на более чем семь лет, что принесло ей почти 32 миллиарда долларов дохода.

Будущее спутников

Спустя почти пятьдесят лет после запуска «Спутника», спутники, как и бюджеты, растут и крепнут. США, к примеру, потратили почти 200 миллиардов долларов с начала военной спутниковой программы и теперь, несмотря на все это, обладает флотом стареющих аппаратов, ожидающих своей замены. Многие эксперты опасаются, что строительство и развертывание крупных спутников просто не может существовать на деньги налогоплательщиков. Решением, которое может перевернуть все с ног на голову, остаются частные компании, вроде SpaceX, и другие, которых явно не постигнет бюрократический застой, как NASA, NRO и NOAA.

Другое решение — сокращение размера и сложности спутников. Ученые Калтеха и Стэнфордского университета с 1999 года работают над новым типом спутника CubeSat, в основе которого лежат строительные блоки с гранью в 10 сантиметров. Каждый куб содержит готовые компоненты и может объединиться с другими кубиками, чтобы повысить эффективность и снизить нагрузку. Благодаря стандартизации дизайна и сокращению расходов на создание каждого спутника с нуля, один CubeSat может стоить всего 100 000 долларов.

В апреле 2013 года NASA решила проверить этот простой принцип и три CubeSat на базе коммерческих смартфонов. Цель состояла в том, чтобы вывести микроспутники на орбиту на короткое время и сделать несколько снимков на телефоны. Теперь агентство планирует развернуть обширную сеть таких спутников.

Будучи большими или маленькими, спутники будущего должны быть в состоянии эффективно сообщаться с наземными станциями. Исторически сложилось так, что NASA полагалось на радиочастотную связь, но РЧ достигла своего предела, поскольку возник спрос на большую мощность. Чтобы преодолеть это препятствие, ученые NASA разрабатывают систему двусторонней связи на основе лазеров вместо радиоволн. 18 октября 2013 года ученые впервые запустили лазерный луч для передачи данных с Луны на Землю (на расстоянии 384 633 километра) и получили рекордную скорость передачи в 622 мегабита в секунду.

Может показаться, что спутники на орбите Земли — это самое простое, привычное и родное, что есть в этом мире. В конце концов, Луна висит на небе уже более четырех миллиардов лет и в ее движениях нет ничего сверхъестественного. Но если мы сами запускаем спутники на орбиту Земли, они держатся там всего несколько или десятки лет, а после повторно входят в атмосферу и либо сгорают, либо падают в океан и на землю.

Более того, если взглянуть на естественные спутники на других планетах, все они держатся значительно дольше, чем антропогенные спутники, которые вращаются вокруг Земли. Международная космическая станция (МКС), например, обращается вокруг Земли каждые 90 минут, в то время как нашей Луне нужно порядка месяца на это. Даже спутники, которые находятся близко к своим планетами — вроде Ио у Юпитера, приливные силы которого согревают мир и разрывают его вулканическими катастрофами, — стабильно держатся на своих орбитах.

Ио, как ожидается, останется на орбите Юпитера на весь оставшийся срок жизни Солнечной системы, а вот МКС, если не принимать никаких мер, будет на своей орбите меньше 20 лет. Та же участь справедлива практически для всех спутников, присутствующих на низкой околоземной орбите: ко времени, когда нагрянет следующее столетие, почти все нынешние спутники войдут в атмосферу Земли и сгорят. Самые крупные (вроде МКС со своей 431 тонной веса) упадут в виде крупных обломков на сушу и в воду.

Почему так происходит? Почему этим спутникам плевать на законы Эйнштейна, Ньютона и Кеплера и почему они не хотят соблюдать стабильную орбиту постоянно? Оказывается, есть ряд факторов, вызывающих эту орбитальную суматоху.

Это, пожалуй, самый важный эффект, который также является причиной того, почему спутники на низкой околоземной орбите нестабильны. Другие спутники — вроде геостационарных спутников — тоже сходят с орбиты, но не так быстро. Мы привыкли считать «космосом» все, что находится выше 100 километров: выше линии Кармана. Но любое определение границы космоса, где начинается космос и заканчивается атмосфера планеты, будет притянутым за уши. В реальности частицы атмосферы простираются далеко и высоко, просто плотность их становится все меньше и меньше. В конечном счете плотность падает — ниже микрограмма на кубический сантиметр, потом нанограмма, потом пикограмма — и тогда мы все с большей уверенностью можем называть это космосом. Но атомы атмосферы могут присутствовать и на расстоянии тысяч километров, и когда спутники сталкиваются с этими атомами, они теряют импульс и замедляются. Поэтому спутники на низкой околоземной орбиты нестабильны.

Частицы солнечного ветра

Солнце постоянно испускает поток высокоэнергетических частиц, по большей части протонов, но есть также электроны и ядра гелия, которые сталкиваются со всем, что встретят. Эти столкновения, в свою очередь, изменяют импульс спутников, с которыми сталкиваются, и постепенно их замедляют. По прошествии достаточного времени, начинают нарушаться и орбиты. И хотя это не основная причина схода с орбиты спутников на НОО, для спутников подальше это имеет более важное значение, поскольку они приближаются, а вместе с этим растет и атмосферное сопротивление.

Несовершенное гравитационное поле Земли

Если бы у Земли не было атмосферы, как у Меркурия или Луны, смогли бы наши спутники оставаться на орбите всегда? Нет, даже если бы мы убрали солнечный ветер. Это потому, что Земля — как и все планеты — не является точечной массой, а скорее структурой с непостоянным гравитационным полем. Это поле и изменения по мере того, как спутники вращаются вокруг планеты, выливаются в воздействие приливных сил на них. И чем ближе спутник к Земле, тем больше воздействие этих сил.

Гравитационное влияние остальной части Солнечной системы

Очевидно, Земля не является полностью изолированной системой, в которой единственная гравитационная сила, которая влияет на спутники, рождается на самой Земле. Нет, Луна, Солнце и все остальные планеты, кометы, астероиды и другое вносят вклад в виде гравитационных сил, которые расталкивают орбиты. Даже если бы Земля была бы идеальной точкой — скажем, сжалась бы в невращающуюся черную дыру — без атмосферы, а спутники на 100% были бы защищены от солнечного ветра, эти спутники постепенно начали бы падать по спирали в центр Земли. Они оставались бы на орбите дольше, чем существовало бы само Солнце, но и эта система не была бы идеально стабильной; орбиты спутников в конечном счете нарушались бы.

Релятивистские эффекты

Законы Ньютона — и кеплеровых орбит — это не единственное, что определяет движение небесных тел. Та же сила, которая заставляет орбиту Меркурия прецессировать на лишние 43» в век, приводит к тому, что орбиты нарушаются за счет гравитационных волн. Скорость этого нарушения невероятно мала для слабых гравитационных полей (вроде тех, что мы нашли в Солнечной системе) и для больших расстояний: потребуется 10 150 лет, чтобы Земля по спирали спустилась к Солнцу, а степень нарушения орбит околоземных спутников в сотни тысяч раз меньше этого. Но эта сила присутствует и является неизбежным следствием общей теории относительности, эффективно проявляясь на более близких спутниках планеты.

Все это не просто влияет на созданные нами спутники, но и на естественные спутники, которые мы находим на орбите других миров. Ближайшая к Марсу луна Фобос, например, обречена быть разорванной приливными силами и по спирали спуститься в атмосферу Красной планеты. Несмотря на наличие атмосферы, которая составляет всего 1/140 земной, атмосфера Марса большая и диффузная, и, кроме того, Марс не имеет защиты от солнечного ветра (в отличие от Земли с ее магнитным полем). Поэтому через десятки миллионов лет Фобос всё. Может показаться, что это случится не скоро, но это ведь меньше 1% от того времени, которое Солнечная система уже существует.

Но ближайшим спутником Юпитера не является Ио: это Метис, по мифологии первая жена Зевса. Ближе Ио есть четыре небольших спутника, из которых Метис ближе всего — всего в 0,8 радиуса Юпитера от атмосферы планеты. В случае с Юпитером за нарушение орбит отвечают не атмосферные силы и не солнечный ветер; с орбитальной полуосью в 128 000 километров, Метис испытывает внушительные приливные силы, которые несут ответственность за нисхождение по спирали этой луны к Юпитеру.

В качестве примера того, что бывает, когда преобладают мощные приливные силы, можно отметить комету Шумейкера — Леви 9 и ее столкновение с Юпитером в 1994 году, после того как она была полностью разорвана приливными силами. Такова судьба всех спутников, которые по спирали идут к своему родному миру.

Сочетание всех этих факторов делает любой спутник фундаментально нестабильным. Учитывая достаточное время и отсутствие других стабилизирующих эффектов, нарушаться будут абсолютно все орбиты. В конце концов, все орбиты нестабильны, но некоторые — нестабильнее других.

Для вывода спутника на околоземную орбиту надо придать ему начальную скорость, равную первой космической скорости или несколько превышающую последнюю. Это происходит не сразу, а постепенно. Несущая спутник многоступенчатая ракета плавно набирает скорость. Когда скорость ее полета достигнет расчетного значения, спутник отделяется от ракеты и начинает свое свободное движение по орбите. От приданной ему начальной скорости и ее направления зависит форма орбиты: ее размеры и эксцентриситет.

Если бы не было сопротивления среды и возмущающих притяжений Луны и Солнца, а Земля имела бы шаровую форму, то орбита спутника не претерпевала бы никаких измений, а сам спутник двигался бы по ней вечно. Однако в действительности орбита каждого спутника изменяется под действием различных причин.

Главная сила, изменяющая орбиту спутника,- это торможение, возникающее вследствие сопротивления разреженной среды, сквозь которую пролетает спутник. Посмотрим, как она влияет на его движение. Так как орбита спутника обычно эллиптическая, то его расстояние от Земли периодически изменяется. Он снижается к перигею и достигает максимального удаления в апогее. Плотность земной атмосферы быстро уменьшается по мере увеличения высоты, и потому спутник встречает наибольшее сопротивление вблизи перигея. Затратив часть кинетической энергии на преодоление этого, хотя и небольшого, сопротивления, спутник уже не может подняться на прежнюю высоту, и его апогей постепенно снижается. Снижение перигея тоже происходит, но гораздо медленнее, чем снижение апогея. Таким образом, постепенно уменьшаются размеры орбиты и ее эксцентриситет: эллиптическая орбита приближается к круговой. Спутник движется вокруг Земли по медленно свертывающейся спирали и в конце концов заканчивает свое существование в плотных слоях земной атмосферы, разогреваясь и испаряясь подобно метеорному телу. При больших размерах он может долететь и до поверхности Земли.

Интересно отметить, что торможение спутника не уменьшает его скорости, а наоборот, увеличивает ее. Сделаем простые вычисления.

Из третьего закона Кеплера следует, что

где С — постоянная, М — масса Земли, m — масса спутника, Р — период его обращения и а — большая полуось орбиты. Пренебре-

гая массой спутника в сравнении с массой Земли получим

Примем для простоты расчетов орбиту спутника за круговую. Двигаясь с постоянной скоростью υ, спутник за полный оборот проходит по орбите расстояние υ Р = 2 πа, откуда Р = 2πa/υ. Подставив это значение Р в формулу (9.1) и выполнив преобразования, найдем

Итак, с уменьшением размеров орбиты а скорость спутника v возрастает: кинетическая энергия спутника растет за счет быстрого уменьшения потенциальной энергии.

Вторая сила, изменяющая форму орбиты спутника,- это давление солнечного излучения, т. е. света и корпускулярных потоков (солнечного ветра). На спутники малых размеров эта сила практически не влияет, но для таких спутников, как «Пагеос», она очень существенна. При запуске «Пагеос» имел круговую орбиту, а через два года она стала очень вытянутой эллиптической.

На движение спутника влияет также и магнитное поле Земли, так как спутник может приобрести некоторый электрический заряд и при его движении в магнитном поле должны возникнуть изменения в траектории.

Однако все эти силы являются возмущающими. Главная же сила, удерживающая спутник на его орбите,- сила земного притяжения. И тут мы встречаемся с некоторыми особенностями. Мы знаем, что в результате осевого вращения фигура Земли отличается от шаровой и что земное притяжение не направлено точно к центру Земли. На очень далеких объектах это не сказывается, но находящийся поблизости от Земли спутник реагирует на наличие у Земли «экваториальных вздутий». Плоскость его орбиты медленно, но вполне регулярно поворачивается вокруг оси вращения Земли. Такое явление хорошо заметно из наблюдений, проведенных на протяжении одной недели. Все эти изменения орбит представляют большой научный интерес, и потому за движением искусственных спутников проводятся систематические наблюдения.

Космический мусор и спутники связи. Как в столице следят за околоземной орбитой

В небе над Москвой в ясную погоду можно увидеть сотни объектов. Они вполне опознанные — это спутники, запущенные человеком в космос. Благодаря этим объектам в мобильных устройствах есть связь, работают онлайн-карты и отображается загруженность дорог.

За сотнями объектов на околоземной орбите регулярно наблюдают, в том числе и в Москве. Зачем это нужно ученым, где установлены телескопы и что делать с космическим мусором — в материале mos.ru.

Москва активно поддерживает научные и инновационные производства. Так, город присвоил ПАО «Межгосударственная акционерная корпорация “Вымпел”» совместно с ПАО «Радиофизика» статус технопарка «Радиофизика». Он позволяет получать региональные налоговые льготы и льготы по аренде земли.

«Технопарки Москвы рассчитаны на размещение и поддержку высокотехнологичных компаний, осуществляющих в том числе и исследования и разработки в сфере космоса. На текущий момент в столице функционируют два технопарка, созданных на базе предприятий госкорпорации “Роскосмос” — технопарки “РКС” и “Прецизионные лазерные системы”», — отметил руководитель Департамента предпринимательства и инновационного развития Москвы Алексей Фурсин.

Искать спутники вокруг Земли

Обычный кабинет, компьютеры и офисные работники. Сразу и не догадаешься, что здесь работают специалисты, которые следят за космическим пространством. Константин Кузовов, заместитель начальника информационно-аналитического центра мониторинга космического пространства МАК «Вымпел», трудится здесь уже больше 10 лет. Его отдел следит за космическими объектами — теми, которые движутся вокруг Земли по круговым и высокоэллиптическим орбитам на расстоянии сотен или тысяч километров. «Наше основное направление — созданные человеком объекты. Это могут быть разные спутники, например связи или геодезические», — говорит Константин Кузовов.

Знать, где находятся те или иные спутники, нужно по нескольким причинам. Во-первых, необходимо постоянно обновлять базу данных.

«Если мы не будем уточнять орбиту у какого-то отдельного объекта, например в течение месяца, то потом мы с трудом сможем его снова найти в небе. Во-вторых, нужно проверять, не пересекаются ли орбиты объектов. Если видим сильное пересечение, то можем сигнализировать о возможном столкновении», — уточняет Константин Кузовов.

Также можно узнать, в какой момент над определенной точкой пролетает тот или иной спутник. А если какой-то из объектов начнет падать, то можно будет заранее узнать точку, где он встретится с Землей.

Написанием программного обеспечения, решением задач и построением алгоритмов занимается большинство сотрудников. Кстати, практически все, кто здесь работает, выпускники Московского физико-технического института. Многие приходят сюда еще во время практики. Так произошло и с Александром Пигулевским, инженером информационно-аналитического центра. Он работает в компании уже четыре года.

По его словам, здесь есть время для исследований, не надо постоянно решать какие-то скучные практические задачи. Можно расписать математику и проанализировать, провести эксперимент. «Еще в школе я заинтересовался физикой. А математикой больше увлекся в институте, прочувствовал силу и мощь этой науки, какие задачи можно решать, просто понимая, как работают логические математические связи. Программирование просто инструмент, куда интереснее сами задачи», — говорит Александр Пигулевский.

Космический рой

В здании расположился ситуационный центр, где можно наглядно увидеть работу специалистов. На большом экране визуализируют данные в 3D-формате — Землю и объекты вокруг нее. Зеленые точки — действующие спутники, красные — вышедшие из строя, а серые — мусор (небольшие метеоры, которые захватывает гравитационное поле Земли, или обломки аппаратов, созданных человеком).

«Выглядит это как рой, но на самом деле здесь гигантские расстояния, а спутники маленькие. На орбите все действительно не так плохо, как на этой демонстрации», — объясняет Константин Кузовов.

Самый большой круг из точек — космических объектов — это геостационарная орбита. На ней объекты находятся постоянно над одной точкой Земли.

На околоземной орбите находятся и совсем маленькие объекты — кубсаты, которые достаточно сложно увидеть. Это спутники маленького размера, они рассчитаны на недолгий полет.

Небольшие спутники планирует запустить и компания известного предпринимателя и изобретателя Илона Маска. По задумке, около 12 тысяч спутников обеспечат все население Земли высокоскоростным доступом в интернет. Более 500 объектов уже выведено на околоземную орбиту.

«Эта идея, безусловно, хорошая, но она может создать проблемы тем, кто наблюдает за небом — занимается астрономией и следит за дальним космосом. В каждом квадрате звездного неба, плюс-минус пара градусов, всегда будет попадаться один спутник», — говорит Константин Кузовов.

Первый спутник человечество запустило в космос в 1957 году. А уже сейчас эксперты говорят, что большинство объектов вокруг Земли — неработающие спутники или мусор. Ученые во всем мире думают, как очистить космическое пространство.

Во-первых, есть предложение растянуть сетку и ловить эти объекты, как мусор из аквариума. Но это не очень реалистично. Некоторые объекты летают слишком быстро, они эту сетку просто порвут. Второй путь — это спутник-буксир. Он подлетает к цели, захватывает ее и меняет ей орбиту. Эта технология уже была испытана. Правда, она скорее не для низкоорбитального космического мусора. Она позволяет продлевать жизнь объектам на геостационарной орбите.

Объекты с околоземной орбиты рано или поздно упадут в атмосферу и сгорят. Иногда осколки спутников все же долетают до Земли. Подобные случаи уже были в России и США. Объекты с высоких орбит будут летать там тысячи лет. Единственный способ их оттуда убрать — отлавливать.

«В конце концов все объекты, которые мы выводим на орбиту, станут мусором. Чем больше объектов на орбите, тем больше вероятность с ними столкнуться. Если столкновение все же произойдет, то оно вызовет еще серию столкновений. Таким образом, мы просто закроем свой космос на многие десятилетия, не сможем туда ничего нового запустить», — добавляет Константин Кузовов.

Дистанционно смотреть на небо

В Москве, как и в других крупных городах, сильно засвечивается небо. Именно поэтому телескопы устанавливают вдали от мегаполисов, а лучше всего в горах. Телескопы компании установлены в Благовещенске, Уссурийске, Кисловодске, Краснодаре и других городах, в Крыму.

В них подгружают план наблюдений на каждую ночь. Устройства программируют таким образом, чтобы они следили за определенной точкой в конкретные дату и время. Каждый день нужно уточнять перечень орбит, то есть путь, по которому объект летает вокруг Земли.

Но наблюдать за небом можно и в Москве. На крыше компании установлен телескоп. Недавно на нем проверяли новое программное обеспечение. Это такая тренировочная площадка, где тестируют наработки.

Телескоп накрыт белым куполом. Внутри напоминает подводную лодку, но только до того момента, пока не отроется специальное окно для наблюдений. Сама площадка может вращаться вокруг своей оси.

«Изначально наблюдениями занимался человек. Однако сейчас все ведется к тому, чтобы как можно меньше задействовать людей в наблюдениях. Программное обеспечение вращает этим куполом, телескопом, снимает кадры и обрабатывает их. Затем снимки отправляются на сервер. Человек нужен, например, для того чтобы в экстренной ситуации все выключить, закрыть купол во время дождя», — говорит Константин Кузовов.

Подобные наблюдения помогают следить не только за перемещениями искусственных спутников. Специалисты фиксировали даже метеоры, которые сгорали в атмосфере. Если космический или созданный человеком объект начнет сближаться с планетой, экспертам удастся определить место, где он встретится с Землей.

Журнал Теле-Спутник

В краеведческом музее небольшого сибирского городка Красноярск-26 несколько за-лов посвящено космической тематике. Это неудиви-тельно — в Красноярске-26 находится Научно-произ-водственное объединение прикладной механики (НПО ПМ), выпускающее боль-шинство российских теле-коммуникационных, навига-ционных и геодезических спутников (см. «ТЕЛЕ-Спутник», май 1996 г.).

Спутник связи «Молния».

В первом зале музея экспонируется небольшая статья из американского научного журнала Wireless World за октябрь 1945 года. Название статьи — «Extra-terrestrial Relays» («Внеземные ретрансляторы») — и имя автора — Arthur C. Clarke (Артур Кларк) — мало что скажут непосвященным. Между тем это тот самый Артур Кларк, который является всемирно известным ученым, писателем-фантастом и популяризатором науки. Кстати, в основу сценария известного фильма «Космическая одиссея 2001 года» легло произведение А. Кларка, автор вместе с режиссером Стенли Кубриком получили «Оскара» за этот фильм. А в статье «Внеземные ретрансляторы» была впервые в мире обоснована возможность использования геостационарной орбиты (ГСО) для телекоммуникаций. «Насколько мне известно, впервые использование искусственных спутников Земли для создания всемирной системы телевидения было предложено мной…», — скромно напишет писатель в 1962 году в работе «Черты будущего».

Свою статью А. Кларк начинает с проблем телевидения: максимальный радиус действия передатчика телестанции составляет около 100 миль, передача телевизионных сигналов на другой континент кажется неразрешимой проблемой. Далее писатель отмечает, что период обращения спутника вокруг Земли по круговой орбите увеличивается с увеличением радиуса орбиты и становится равным 24 часам при радиусе около 42 тыс. км. Если подобная орбита находится в экваториальной плоскости, то спутник, вращающийся синхронно с вращением Земли, будет находиться над определенной точкой экватора, при этом для земных наблюдателей спутник будет казаться неподвижным (перемещаясь в космосе со скоростью около 3 км/c). После выяснения такого примечательного факта А. Кларк переходит к проблемам построения системы связи, базирующейся на спутниках, находящихся на этой орбите. Радиоволны с частотами 50 Мгц-100 Ггц будут беспрепятственно проходить атмостферу и ионосферу, уверен ученый (в 1945 году единственным способом убедиться в этом было изучение отражения радиоволн от поверхности Луны). По А. Кларку, спутники на ГСО могут обеспечивать различные виды связи: трансляцию информации из одной точки земного шара в другую, из точки на участок земной поверхности и из точки на все видимое со спутника полушарие Земли. Три связанных между собой оптическими или радиоканалами связи симметрично расположенных на ГСО спутника обеспечивают покрытие всего земного шара, отмечает писатель и оценивает требуемую мощность спутниковой силовой установки: 1,2 кВт. Силовая установка должна использовать солнечную энергию, а качественный прием на Земле будут осуществлять «маленькие параболические антенны диаметром около фута» (30 см).

В работе «Черты будущего» (1962 год) А. Кларк рассмотрел возможные пути развития науки и техники до 2100 года. Освоение космоса шло полным ходом, и писатель был более конкретен в своих прогнозах, чем в 1945 году: «Через несколько лет каждая большая страна сможет запустить в космос (или арендовать) радио- и телевизионные спутники, способные транслировать действительно высококачественные программы на всю планету.»

Идеи Артура Кларка 1945 года были с интересом восприняты в странах, ставших вскоре космическими державами.

Ракеты-носители, выводившие на орбиту первые искусственные спутники Земли (см. фото 1), были недостаточно мощными для вывода груза на ГСО. Для вывода спутника на геостационарную орбиту требовалась мощная ракета-носитель и дополнительный разгонный блок: ракета-носитель выводила спутник с разгонным блоком на переходную орбиту, затем разгонный блок выводил спутник на ГСО. Мощные ракеты-носители появились лишь через несколько лет после начала освоения космоса.

В музее РКК «Энергия». Первый искусственный спутник Земли.

В Советском Союзе создание гражданских прикладных автоматических аппаратов не считалось приоритетным направлением государственной космической программы, поэтому работы по созданию геостационарных спутников связи были завершены лишь в начале 70-х годов. Начиная с 1965 года ретрансляция телевизионных программ, дальняя телефонная и телеграфная радиосвязь осуществлялась с помощью спутников связи серии «Молния» (типы «Молния-1» и «Молния-2»), входивших в систему дальней космической радиосвязи «Орбита». Спутники «Молния» выводились на эллиптические орбиты с высотой апогея, расположенного над Северным полушарием, ок. 40 тыс. км, с высотой перигея 460-630 км и с периодом обращения около 12 часов. Конечно, это была далеко не геостационарная орбита, сеансы связи с одним спутником имели длительность 8-10 часов при необходимости отслеживания приемной антенной положения спутника, и лишь система из трех искусственных спутников Земли на таких орбитах обеспечивала непрерывную круглосуточную связь (с кратковременными сбоями в моменты перенастройки приемной антенны наземной станции «Орбита» со спутника на спутник). Первоначально серийное производство спутника «Молния» осуществлялось в РКК «Энергия» под Москвой, затем в конце 60-х годов было передано в НПО ПМ. К 1 января 1974 года было запущено 34 спутника «Молния», обеспечивших регулярную связь и телевизионное вещание на территории СССР и других стран.

В начале 70-х годов в НПО ПМ параллельно разрабатывалось несколько геостационарных спутников разного назначения, в том числе спутник непосредственного телевещания «Экран», связной спутник многоцелевого назначения «Радуга». Все бортовые системы спутников имели или абсолютную, или весьма высокую степень новизны, поскольку спутники должны были работать в новых условиях на принципиально новой орбите. Так, впервые применялась конструктивно-компоновочная схема спутника с 3-осной ориентацией и с ориентируемой солнечной батареей. Существовавшие ранее модели западных спутников для ГСО имели «бочкообразную» конструкцию со стабилизацией вращением. С середины 70-х годов все новые спутники для ГСО у нас и за рубежом создаются только с 3-осной ориентацией и с 2 крыльями солнечных батарей.

Рис. 1. Зависимость периода обращения и орбитальной скорости спутника от расстояния до центра Земли.

При создании спутника «Экран» была поставлена задача обеспечения приема на простые и дешевые приемники с антеннами типа «волновой канал» (прием со спутника «Молния» был возможен только на станции «Орбита» с диаметром антенны 12 м), таким образом, «Экран» стал первым спутником непосредственного телевещания (НТВ). В конструкции «Экрана» была использована новая бортовая двигательная установка с микродвигателями для приведения спутника в точку и удержания по долготе, спутник отличали оригинальная антенная фазированная решетка для обеспечения оптимальной диаграммы направленности, охватывающей территорию Сибири и Дальнего Востока, а также усилитель большой мощности (300 Вт).

Вот хроника освоения геостационарной орбиты советскими спутниками.

26 марта 1974 г. в Советском Союзе был запущен искусственный спутник Земли «Космос-637», скромно названный в сообщении ТАСС «очередным». Однако параметры орбиты этого ИСЗ были нетипичны для советских спутников: расстояние от поверхности Земли 35600 км, наклонение к плоскости экватора 0,25 град., период обращения 23 ч. 46 мин.

29 июля 1974 г. согласно сообщению ТАСС в Советском Союзе был осуществлен запуск спутника связи «Молния-1С» на орбиту с параметрами: расстояние от поверхности Земли 35850 км, наклонение к плоскости экватора 0 град. 4 мин., период обращения 23 часа 59 мин. Индекс «С» — «стационар» — говорит о том, что спутник «Молния» теперь выведен на ГСО.

22 декабря 1975 г. ТАСС сообщило о том, что «на орбиту, близкую к геостационарной», выведен новый спутник связи «Радуга» (международный регистрационный индекс «Стационар-1»): «в преддверии XXV съезда КПСС космические средства связи, используемые в народном хозяйстве, пополнились новым типом спутника».

26 октября 1976 г. ТАСС сообщил о запуске еще одного нового спутника — спутника телевизионного вещания «Экран» — на орбиту с параметрами: расстояние от поверхности Земли 35600 км, наклонение 0,3°, период обращения 23 ч. 42 мин.

Газета НПО ПМ описывает состояние геостационарной орбиты в 70-е годы:

«На ГСО США эксплуатировали с 1964 г. уже несколько типов достаточно простых (ориентируемых вращением «бочкообразных»), но эффективных гражданских и военных спутников различного назначения — в первую очередь спутников связи, но в том числе и спутников обнаружения запуска межконтинентальных баллистических ракет.

Первый рабочий трехосноориентируемый связной спутник (типа «Синком») США вывели на ГСО практически в одно время с нами — в декабре 1975 г. Одновременно они интенсивно отрабатывали новые перспективные конструкции.

В 1974 — 1975 гг. США вывели на ГСО уже первые метеорологические спутники, а из связных спутников заслуживал внимания запуск уникального экспериментального спутника ATS-6, на котором стояли даже антенны диаметром 9 м и использовались разные диапазоны частот от P до Ku.

Канада с 1972 г. эксплуатировала на ГСО простые спутники типа «Аник», но совместно с США в начале 1976 г. также запустила на ГСО более сложный экспериментальный спутник нового типа — CTS, который при малой массе и всего лишь двух ретрансляторах отличался такими вполне современными качествами, как сжатие цифрового видеосигнала, ширина полосы частот ретранслятора 85 Мгц, мощность одного ретранслятора 200 Вт (что обеспечивало прием ТВ-программ в Ku- диапазоне непосредственно на земные антенны диаметром до 0,6 м).

Англия к середине 70-х гг. имела на ГСО спутники связи, но лишь простые по конструкции и военного назначения (типа «Скайнет»).

Франция и Германия в конце 1974 и второй половине 1975 года вывели на геостационар два первых экспериментальных спутника связи типа «Симфония»

Искусственные спутники — Science Learning Hub

Искусственный спутник — это объект, который люди создали и запустили на орбиту с помощью ракет. В настоящее время вокруг Земли вращается более тысячи активных спутников. Размер, высота и конструкция спутника зависят от его назначения.

Размеры и высота спутников

Спутники различаются по размеру. Некоторые спутники-кубы имеют размер всего 10 см. Некоторые спутники связи имеют длину около 7 м и имеют солнечные батареи, простирающиеся еще на 50 м.Самый большой искусственный спутник — Международная космическая станция (МКС). Основная его часть размером с большой дом с пятью спальнями, но, включая солнечные батареи, она размером с поле для регби.

Высота спутников над поверхностью Земли также различается. Это три распространенные орбиты:

  • Низкая околоземная орбита (НОО) — от 200 до 2000 км, например, МКС движется по орбите на 400 км со скоростью 28000 км / час, а время нахождения на одной орбите составляет около 90 минут.
  • Средняя околоземная орбита (MEO) — большинство спутников MEO находятся на высоте 20 000 км, а время нахождения на одной орбите составляет 12 часов.
  • Геостационарная орбита (GEO) — 36000 км над Землей. Время на один виток — 24 часа. Это должно соответствовать вращению Земли, чтобы спутник оставался над той же точкой над поверхностью Земли. Это используется для многих спутников связи и метеорологических спутников.

Высота, выбранная для спутника, зависит от работы, для которой он предназначен.

Типы спутников

Навигационные спутники
GPS (глобальная система позиционирования) состоит из 24 спутников, которые вращаются на высоте 20 000 км над поверхностью Земли.Разница во времени для сигналов, полученных от четырех спутников, используется для расчета точного местоположения приемника GPS на Земле.

Спутники связи
Они используются для передачи телевидения, телефона или Интернета, например, спутник Optus D1 находится на геостационарной орбите над экватором и имеет зону покрытия для передачи сигналов по всей Австралии и Новой Зеландии.

Метеорологические спутники
Они используются для получения изображений облаков и измерения температуры и осадков.В зависимости от типа метеорологического спутника используются как геостационарные, так и низкие околоземные орбиты. Метеорологические спутники используются для более точного прогнозирования погоды.

Спутники наблюдения Земли
Они используются для фотографирования и изображения Земли. В основном используются низкие околоземные орбиты для получения более детального изображения.

Астрономические спутники
Используются для наблюдения за пространством и изображения. Спутник, такой как космический телескоп Хаббла, вращается на высоте 600 км и обеспечивает очень четкие изображения звезд и далеких галактик.Другие космические телескопы — Спитцер и Чандра.

Международная космическая станция (МКС)
Это обитаемая космическая лаборатория. На высоте 400 км МКС движется со скоростью 28 000 км / ч и обращается вокруг Земли каждые 92 минуты. Ученые на МКС могут проводить множество ценных экспериментов в условиях микрогравитации.

Дизайн спутника

Каждый спутник имеет одни и те же основные части:

  • Шина — это рама и структура спутника, к которым прикреплены все остальные части.
  • Источник энергии — у большинства спутников есть солнечные батареи для выработки электроэнергии. Батареи сохраняют часть этой энергии, пока спутник находится в тени Земли.
  • Система контроля нагрева — спутники подвергаются воздействию чрезвычайно высоких температур из-за воздействия Солнца. Должен быть способ отражать и повторно излучать тепло. Электрические компоненты спутника также могут выделять много тепла.
  • Компьютерная система — спутникам нужны компьютеры для управления их работой, а также для контроля таких вещей, как высота, ориентация и температура.
  • Система связи — все спутники должны иметь возможность отправлять и получать данные на наземные станции на Земле или на другие спутники. В качестве антенн используются изогнутые спутниковые тарелки.
  • Система контроля ориентации — это система, которая удерживает спутник в правильном направлении. Гироскопы и ракетные двигатели обычно используются для изменения ориентации. Датчики света обычно используются для определения направления спутника.
  • Двигательная установка — ракетный двигатель на спутнике может использоваться для вывода спутника на правильную орбиту.Попав на орбиту, спутникам не нужны ракеты, чтобы поддерживать их движение. Однако небольшие ракеты, называемые двигателями, используются, если спутнику необходимо немного изменить орбиту.

Помимо этих основных частей, спутники несут оборудование, необходимое для их конкретного назначения.

Обеспечение доступности космоса

Вывести спутник в космос — очень дорогое дело, которое могут себе позволить немногие. Компания Rocket Lab, основанная новозеландцем Питером Беком, была создана с целью «сделать космос более доступным».

У Питера есть видение, что доступный доступ к космосу приведет к мощным глобальным изменениям — например, улучшит доступ развивающихся стран к Интернету. В 2012 году Питер инициировал программу «Электрон», направленную на предоставление экономически эффективных ракет и услуг по запуску, которые позволят организациям улучшить доступ к космическим и спутниковым технологиям.

Природа науки

Работа Международной космической станции зависит от сотрудничества между странами.Это позволяет ученым объединить свои ресурсы с точки зрения научных знаний и финансов. В результате можно проводить более крупные и существенные проекты для получения более надежных результатов. Это исследование приносит пользу во всем мире.

Полезные ссылки

Снимок высокого разрешения со спутника Geoeye-1.

Узнайте больше о Международной космической станции от НАСА.

В этом новостном сообщении от ноября 2016 года рассказывается об открытии второго регионального исследовательского института Новой Зеландии, Центра космических технологий, который будет исследовать возможности использования космических измерений и спутниковых изображений.См. Сайт центра.

ESA — Типы орбит

Включение и поддержка

30.03.2020
301947 Просмотры
1140 классов

Наше понимание орбит восходит к Иоганну Кеплеру в 17 веке. Сейчас Европа эксплуатирует семейство ракет на космодроме Европы для вывода спутников на многие типы орбит.

Масса влияет на вращающиеся тела

Что такое орбита?

Орбита — это криволинейная траектория, по которой объект в космосе (например, звезда, планета, луна, астероид или космический корабль) движется вокруг другого объекта под действием силы тяжести.

Гравитация притягивает объекты в космосе, обладающие массой, к другим близлежащим объектам. Если это притяжение сближает их с достаточным импульсом, иногда они могут начать вращаться вокруг друг друга.

Объекты одинаковой массы вращаются вокруг друг друга, при этом ни один из объектов не находится в центре, в то время как маленькие объекты вращаются вокруг более крупных. В нашей Солнечной системе Луна вращается вокруг Земли, а Земля вращается вокруг Солнца, но это не означает, что более крупный объект остается полностью неподвижным. Из-за силы тяжести Земля слегка оттягивается от своего центра Луной (поэтому в наших океанах образуются приливы), а наше Солнце слегка отодвигается от своего центра Землей и другими планетами.

Во время раннего создания нашей Солнечной системы пыль, газ и лед перемещались в космосе со скоростью и импульсом, окружая Солнце в облаке. Поскольку Солнце было намного больше, чем эти маленькие частицы пыли и газа, его гравитация привлекала эти частицы на орбиту вокруг него, формируя облако в своего рода кольцо вокруг Солнца.

В конце концов, эти частицы начали оседать и слипаться вместе (или «сливаться»), становясь все больше, как катящиеся снежки, пока не образовали то, что мы сейчас видим как планеты, луны и астероиды.Тот факт, что все планеты образовались вместе таким образом, является причиной того, что все планеты имеют орбиты вокруг Солнца в одном направлении, примерно в одной плоскости.

Выход на орбиту

Когда ракеты запускают наши спутники, они выводят их на космическую орбиту. Там гравитация удерживает спутник на нужной орбите — точно так же, как гравитация удерживает Луну на орбите вокруг Земли.

Это происходит так же, как бросание мяча из окна высокой башни — чтобы мяч полетел, вам нужно сначала «толкнуть» его, бросив, чтобы мяч упал на землю. по изогнутой дорожке. В то время как ваш бросок придает мячу начальную скорость, только гравитация заставляет мяч двигаться к земле, когда вы отпускаете его.

Аналогичным образом спутник выводится на орбиту, помещаясь на сотни или тысячи километров над поверхностью Земли (как если бы в очень высокую башню), а затем двигатели ракеты «толкают» его, чтобы он запустился. его орбита.

Как показано на рисунке, разница в том, что бросок чего-то заставит его упасть по изогнутой дорожке к земле, но действительно мощный бросок будет означать, что земля начнет изгибаться, прежде чем ваш объект достигнет земли. Ваш объект будет бесконечно падать «в сторону» Земли, заставляя его многократно вращаться вокруг планеты. Поздравляю! Вы вышли на орбиту.

В космосе нет воздуха и, следовательно, нет воздушного трения, поэтому гравитация позволяет спутнику вращаться вокруг Земли почти без дополнительной помощи.Вывод спутников на орбиту позволяет нам использовать технологии для телекоммуникаций, навигации, прогнозов погоды и астрономических наблюдений.

Взгляд художника на европейское семейство пусковых установок

Запуск на орбиту

Европейские ракеты запускаются с космодрома Европы в Куру, Французская Гвиана. В каждой миссии ракета помещает один или несколько спутников на их индивидуальные орбиты.

Выбор используемой ракеты-носителя зависит в первую очередь от массы полезной нагрузки, но также и от того, как далеко от Земли ей нужно уйти. Тяжелая полезная нагрузка или орбита на большой высоте требует большей мощности для борьбы с земным притяжением, чем более легкая полезная нагрузка на меньшей высоте.

Ariane 5 — самая мощная в Европе ракета-носитель, способная выводить один, два или несколько спутников на нужные орбиты. В зависимости от того, на какую орбиту собирается Ariane 5, он способен запускать в космос от 10 до 20 тонн, то есть 10 000-20 000 кг, что примерно равно весу городского автобуса.

Vega меньше, чем Ariane 5, способна запускать примерно 1,5 тонны за один раз, что делает ее идеальной ракетой-носителем для многих научных миссий и наблюдений за Землей. И Ariane 5, и Vega могут одновременно развертывать несколько спутников.

Ракеты нового поколения ЕКА включают Ariane 6 и Vega-C. Эти ракеты будут более гибкими и расширят то, что Европа способна вывести на орбиту, и смогут доставлять полезные грузы на несколько разных орбит за один полет — как автобус с несколькими остановками.

Типы орбиты

После запуска спутник или космический аппарат чаще всего помещается на одну из нескольких конкретных орбит вокруг Земли — или его можно отправить в межпланетное путешествие, что означает, что он больше не вращается вокруг Земли, а вместо этого вращается вокруг Земли. Солнце до прибытия в конечный пункт назначения, например, Марс или Юпитер.

Есть много факторов, которые определяют, какую орбиту лучше всего использовать для спутника, в зависимости от того, для чего он предназначен.

Геостационарная орбита

Геостационарная орбита (GEO)

Спутники на геостационарной орбите (GEO) обращаются вокруг Земли над экватором с запада на восток, следуя за вращением Земли за 23 часа 56 минут 4 секунды, перемещаясь с той же скоростью, что и Земля.В результате спутники в GEO кажутся «неподвижными» над фиксированным положением. Чтобы точно соответствовать вращению Земли, скорость спутников GEO должна составлять около 3 км в секунду на высоте 35 786 км. Это намного дальше от поверхности Земли по сравнению со многими спутниками.

GEO используется спутниками, которым необходимо постоянно находиться над одним конкретным местом над Землей, например, телекоммуникационными спутниками. Таким образом, антенну на Земле можно закрепить так, чтобы она всегда была направлена ​​на этот спутник и не двигалась.Его также могут использовать спутники мониторинга погоды, потому что они могут постоянно наблюдать за конкретными областями, чтобы увидеть, как там проявляются тенденции погоды.

Спутники в GEO покрывают большую часть Земли, поэтому всего три равноотстоящих спутника могут обеспечить почти глобальное покрытие. Это связано с тем, что, когда спутник находится так далеко от Земли, он может одновременно покрывать большие участки. Это похоже на возможность видеть большую часть карты с расстояния в метр по сравнению с тем, если бы вы находились на расстоянии сантиметра от нее. Таким образом, чтобы увидеть всю Землю сразу с GEO, требуется гораздо меньше спутников, чем на более низкой высоте.

Программа Европейской системы ретрансляции данных (EDRS) ЕКА разместила спутники в GEO, где они передают информацию на спутники, не относящиеся к GEO, и другие станции, которые иным образом не могут постоянно передавать или принимать данные. Это означает, что Европа всегда может оставаться на связи и онлайн.

Низкая околоземная орбита

Низкая околоземная орбита (НОО)

Низкая околоземная орбита (НОО) — это, как следует из названия, орбита, относительно близкая к поверхности Земли.Обычно он находится на высоте менее 1000 км, но может быть и 160 км над Землей — это мало по сравнению с другими орбитами, но все же очень далеко над поверхностью Земли.

Для сравнения: большинство коммерческих самолетов не летают на высотах, намного превышающих примерно 14 км, так что даже самая низкая НОО более чем в десять раз выше этой высоты.

В отличие от спутников на геостационарной орбите, которые всегда должны вращаться вдоль экватора Земли, спутники на низкой околоземной орбите не всегда должны следовать определенному пути вокруг Земли одинаковым образом — их плоскость может быть наклонена.Это означает, что существует больше доступных маршрутов для спутников на низкой околоземной орбите, что является одной из причин, по которой низкоорбитальная орбита является очень широко используемой.

Близость НОО к Земле делает его полезным по нескольким причинам. Это орбита, наиболее часто используемая для получения спутниковых изображений, поскольку близость к поверхности позволяет получать изображения с более высоким разрешением. Это также орбита, используемая для Международной космической станции (МКС), поскольку астронавтам легче добраться до нее и от нее на меньшем расстоянии. Спутники на этой орбите движутся со скоростью около 7.8 км в секунду; на такой скорости спутнику требуется около 90 минут, чтобы облететь Землю, то есть МКС совершает обход вокруг Земли около 16 раз в день.

Однако отдельные спутники на низкой околоземной орбите менее полезны для таких задач, как электросвязь, поскольку они перемещаются по небу очень быстро и, следовательно, требуют больших усилий для отслеживания с наземных станций.

Вместо этого спутники связи на НОО часто работают как часть большой комбинации или группировки нескольких спутников, чтобы обеспечить постоянное покрытие.Для увеличения покрытия иногда такие созвездия, состоящие из нескольких одинаковых или похожих спутников, запускаются вместе, чтобы создать «сеть» вокруг Земли. Это позволяет им одновременно покрывать большие площади Земли, работая вместе.

«Ариан-5» доставила самую тяжелую 20-тонную полезную нагрузку — автоматизированный транспортный корабль (ATV) на Международную космическую станцию, расположенную на низкой околоземной орбите.

Созвездие Галилея

Средняя околоземная орбита (MEO)

Средняя околоземная орбита включает широкий диапазон орбит в любом месте между LEO и GEO.Он похож на LEO в том, что ему также не нужно идти по определенным маршрутам вокруг Земли, и он используется множеством спутников с множеством различных приложений.

Он очень часто используется навигационными спутниками, такими как европейская система Galileo (на фото). Galileo обеспечивает навигационную связь по всей Европе и используется для многих типов навигации, от слежения за большими джамбо-джетами до получения маршрутов к вашему смартфону. Galileo использует группировку из нескольких спутников для одновременного покрытия больших частей мира.

Полярная и солнечно-синхронная орбита

Полярная орбита и солнечно-синхронная орбита (SSO)

Спутники на полярных орбитах обычно проходят мимо Земли с севера на юг, а не с запада на восток, проходя примерно над полюсами Земли.

Спутникам на полярной орбите не обязательно точно проходить Северный и Южный полюсы; даже отклонение от 20 до 30 градусов по-прежнему классифицируется как полярная орбита.Полярные орбиты — это тип низкой околоземной орбиты, поскольку они находятся на малых высотах от 200 до 1000 км.

Солнечно-синхронная орбита (SSO) — это особый вид полярной орбиты. Спутники в SSO, летящие над полярными регионами, синхронны с Солнцем. Это означает, что они синхронизированы, чтобы всегда находиться в одном и том же «фиксированном» положении относительно Солнца. Это означает, что спутник всегда посещает одно и то же место в одно и то же местное время — например, проезжая мимо Парижа каждый день ровно в полдень.

Это означает, что спутник всегда будет наблюдать точку на Земле, как если бы постоянно в одно и то же время дня, что служит ряду приложений; Например, это означает, что ученые и те, кто использует спутниковые изображения, могут сравнивать, как где-то меняется со временем.

Это связано с тем, что, если вы хотите контролировать область, делая серию изображений определенного места за многие дни, недели, месяцы или даже годы, тогда было бы не очень полезно сравнивать где-то в полночь, а затем в полдень — вам нужно делать каждый снимок максимально похожим на предыдущий.Поэтому ученые используют подобные серии изображений, чтобы исследовать, как возникают погодные условия, чтобы помочь предсказать погоду или штормы; при мониторинге чрезвычайных ситуаций, таких как лесные пожары или наводнения; или для накопления данных о долгосрочных проблемах, таких как вырубка лесов или повышение уровня моря.

Часто спутники в SSO синхронизированы, так что они находятся в постоянном рассвете или сумерках — это потому, что, постоянно перемещаясь на закате или восходе солнца, они никогда не будут располагать Солнце под углом, где Земля затеняет их.Спутник на солнечно-синхронной орбите обычно находится на высоте от 600 до 800 км. На 800 км он будет двигаться со скоростью примерно 7,5 км в секунду.

Запуск и подъем в космос (желтая линия) становится геостационарной переходной орбитой (синяя линия), когда ракета выпускает спутник в космос на пути к геостационарной орбите (красная линия).

Переходные орбиты и геостационарная переходная орбита (GTO)

Переходные орбиты — это особый вид орбиты, используемый для перехода с одной орбиты на другую.Когда спутники запускаются с Земли и доставляются в космос с помощью ракет-носителей, таких как Ariane 5, спутники не всегда выводятся непосредственно на свою конечную орбиту. Часто спутники вместо этого помещаются на переходную орбиту: орбиту, где, используя относительно небольшую энергию от встроенных двигателей, спутник или космический корабль может перемещаться с одной орбиты на другую.

Это позволяет спутнику достичь, например, высотной орбиты, такой как GEO, без необходимости, чтобы ракета-носитель проделала полный путь до этой высоты, что потребует дополнительных усилий — это похоже на сокращение пути.Достижение геостационарной орбиты таким образом является примером одной из наиболее распространенных переходных орбит, называемой геостационарной переходной орбитой (GTO).

Орбиты имеют разный эксцентриситет — мера того, насколько круговой (круглый) или эллиптический (сжатый) является орбита. На идеально круглой орбите спутник всегда находится на одинаковом расстоянии от поверхности Земли, но на очень эксцентричной орбите путь выглядит как эллипс.

На такой сильно эксцентричной орбите, как эта, спутник может быстро перейти от очень далекого до очень близкого к поверхности Земли, в зависимости от того, где он находится на орбите.На переходных орбитах полезная нагрузка использует двигатели для перехода с орбиты с одним эксцентриситетом на другую, что переводит ее на более высокие или более низкие орбиты.

После старта ракета-носитель движется в космос по пути, показанному на рисунке желтой линией. В пункте назначения ракета выпускает полезную нагрузку, которая выводит ее на эллиптическую орбиту, следуя синей линии, которая отправляет полезную нагрузку дальше от Земли. Самая удаленная от Земли точка на голубой эллиптической орбите называется апогеем, а ближайшая точка — перигеем.

Когда полезный груз достигает апогея на высоте ГСО 35 786 км, он запускает свои двигатели таким образом, что он выходит на круговую геостационарную орбиту и остается там, что показано красной линией на диаграмме. Итак, в частности, GTO — это синий путь от желтой орбиты к красной орбите.

Телескоп ЕКА Gaia вращается вокруг точки L. Точка находится точно за Землей, поэтому в этот момент Гайя была бы в тени Земли и не могла бы получать солнечный свет, необходимый для питания ее солнечных панелей.Каждые несколько лет Gaia использует свои двигатели для корректировки своего положения, чтобы поддерживать эту орбиту.

точек Лагранжа

Для многих космических кораблей, выводимых на орбиту, слишком близкое к Земле может помешать их миссии — даже на более удаленных орбитах, таких как GEO.

Например, для космических обсерваторий и телескопов, предназначенных для фотографирования глубокого темного космоса, нахождение рядом с Землей чрезвычайно вредно, потому что Земля естественным образом испускает видимый свет и инфракрасное излучение, которое не позволяет телескопу обнаруживать слабые огни, например далекие галактики.Фотографировать темное пространство с помощью телескопа рядом с нашей светящейся Землей было бы так же безнадежно, как пытаться фотографировать звезды с Земли средь бела дня.

Точки Лагранжа или L-точки допускают орбиты, которые находятся намного, намного дальше (более миллиона километров) и не вращаются вокруг Земли напрямую. Это особые точки далеко в космосе, где гравитационные поля Земли и Солнца сочетаются таким образом, что космические корабли, вращающиеся вокруг них, остаются стабильными и, таким образом, могут быть «закреплены» относительно Земли.Если космический корабль будет запущен в другие точки космоса, очень удаленные от Земли, они естественным образом упадут на орбиту вокруг Солнца, и вскоре эти космические корабли окажутся далеко от Земли, что затруднит общение. Вместо этого космические корабли, запущенные в эти специальные L-точки, остаются неподвижными и остаются близко к Земле с минимальными усилиями, не выходя на другую орбиту.

Наиболее часто используемые точки L — это L1 и L2. Оба они находятся в четыре раза дальше от Земли, чем Луна — 1,5 миллиона км по сравнению с 36 000 км GEO, — но это все еще примерно 1% расстояния Земли от Солнца.

Многие наблюдательные и научные миссии ЕКА выходили, выходят или будут выходить на орбиту вокруг L-точек. Например, солнечный телескоп SOHO и LISA Pathfinder в точке L1 Солнце-Земля; Гершель, Планк, Гайя, Евклид, Платон, Ариэль, JWST и телескоп Афина находятся или будут находиться в точке L2 Солнце-Земля.

Как

Спасибо за лайк

Вам уже понравилась эта страница, вам может понравиться только один раз!

Что такое геостационарная орбита?

Геосинхронная орбита — это высокая околоземная орбита, которая позволяет спутникам соответствовать вращению Земли.Расположенная на высоте 22 236 миль (35 786 км) над экватором Земли, это место является ценным местом для мониторинга погоды, связи и наблюдения.

«Поскольку спутник вращается с той же скоростью, что и Земля, кажется, что спутник остается на месте в течение одной долготы, хотя может дрейфовать с севера на юг», — написало НАСА на своем веб-сайте Земной обсерватории.

Спутники предназначены для вращения вокруг Земли по одной из трех основных орбит, определяемых их расстоянием от планеты: низкая околоземная орбита, средняя околоземная орбита или высокая околоземная орбита.Чем выше спутник находится над Землей (или над любым другим миром), тем медленнее он движется. Это из-за эффекта земного притяжения; он сильнее притягивает спутники, которые находятся ближе к его центру, чем спутники, которые находятся дальше.

Таким образом, спутник на низкой околоземной орбите, такой как Международная космическая станция, на расстоянии примерно 250 миль (400 км), будет перемещаться по поверхности, наблюдая различные регионы в разное время суток. Те, кто находится на средней околоземной орбите (примерно от 2000 до 35 780 км, или от 1242 до 22 232 миль), движутся медленнее, что позволяет проводить более подробные исследования региона.Однако на геостационарной орбите период обращения спутника соответствует орбите Земли (примерно 24 часа), и спутник практически неподвижен в одном месте; он остается на той же долготе, но его орбита может быть наклонена или наклонена на несколько градусов к северу или югу.

На этом изображении изображена геостационарная экваториальная орбита, на которой находится большинство спутников связи и метеорологических спутников. (Изображение предоставлено Смитсоновским национальным музеем авиации и космонавтики)

Benefits

Спутник на геостационарной орбите может видеть одну точку планеты почти все время.При наблюдении за Землей это позволяет спутнику видеть, насколько регион изменяется за месяцы или годы. Недостатком является то, что спутник ограничен небольшим участком земли; если, например, в другом месте произойдет стихийное бедствие, спутник не сможет переместиться туда из-за потребности в топливе.

Это большое преимущество для военных. Если, например, Соединенные Штаты обеспокоены деятельностью в определенном регионе мира — или они хотят увидеть, как идут дела у их войск, — геостационарная орбита позволяет делать постоянные снимки и другое наблюдение за одним конкретным регионом.Примером этого является Wideband Global SATCOM 5 в Соединенных Штатах, запущенный в 2013 году. Присоединяясь к «созвездию» из четырех других спутников WGS, он расширяет военную систему связи, обеспечивая сплошное покрытие практически по всей планете. Сеть обслуживает войска, корабли, дроны и гражданских лидеров и должна обеспечивать связь для наземного персонала.

Связь для гражданских лиц также выигрывает от геостационарной орбиты. Есть множество компаний, которые предоставляют телефонную связь, Интернет, телевидение и другие услуги со спутников в этом орбитальном слоте.Поскольку спутник постоянно зависает над одним местом на земле, связь из этого места является надежной, пока спутник хорошо подключен к тому месту, с которым вы хотите связаться.

Орбитальная конкуренция

Согласно спутниковым сигналам, на геостационарной орбите находится 402 спутника. На геостационарной орбите «кольцо» вокруг Земли может вместить несколько спутников — всего 1800, согласно одному анализу Лоуренса Робертса, опубликованному в Berkeley Technology Law Review.Однако есть очевидные пространственные и технологические ограничения.

В частности, спутники должны оставаться в очень ограниченном пространстве и не уходить слишком далеко от назначенного им «слота» над Землей; в противном случае они могут представлять угрозу для других спутников. Международный союз электросвязи выделяет слоты для геосинхронной орбиты и улаживает споры между странами по поводу слотов.

Точно так же считается хорошей практикой перемещать почти мертвые спутники на «кладбищенскую» орбиту над геостационарной орбитой до того, как у них закончится топливо, чтобы расчистить путь для следующего поколения.

Спутники также должны быть расположены достаточно далеко друг от друга, чтобы их связь не мешала друг другу, что может означать разнесение чего-либо между 1 и 3 градусами. По мере совершенствования технологий стало возможным разместить больше спутников в меньшем месте.

Дополнительные ресурсы

Почему у спутников разные орбиты?

Краткий ответ:

Спутники имеют разные орбиты, потому что их орбиты зависят от того, для чего предназначен каждый спутник.

Видео, показывающее разницу между геостационарной орбитой и полярной орбитой. Желтые области показывают, какую часть Земли каждый спутник «видит» на своей орбите.

Представьте себе два спутника. Один вращается вокруг Земли с той же скоростью, что и Земля. Он находится высоко в небе — в десятках тысяч миль от земли. Другой быстро вращается вокруг Земли и проходит много раз за день над каждым из полюсов. Этот спутник находится всего в паре сотен миль от земли.

Что может быть общего у этих двух спутников?

Ответ: они оба могут использоваться для мониторинга погоды, климата и окружающей среды.

В конце 2016 года NOAA и NASA запустили первый спутник геостационарного оперативного экологического спутника серии R. Спутники серии GOES-R могут смотреть на Землю и поворачиваться вместе с ней во время вращения. Другая группа, Объединенная полярная спутниковая система (JPSS), будет двигаться по орбите между обоими полюсами.

Почему разные типы орбит?

Все зависит от того, для чего предназначен каждый спутник.Целью серии GOES-R является постоянное наблюдение за одним регионом мира — западным полушарием. Двигаясь по орбите с той же скоростью, с которой вращается Земля, она остается на одном месте. Это называется геостационарной орбитой. Спутники должны находиться очень далеко от Земли и выше экватора, чтобы вращаться по такой орбите. Эта орбита позволяет спутникам серии GOES-R постоянно сканировать Землю в поисках суровой погоды по мере ее развития, а также следить за Солнцем.

Спутник серии GOES-R.Предоставлено: Lockheed Martin Space Systems Corporation.

СПСС-1. Предоставлено: NOAA / Ball Aerospace & Technologies Corporation.

Но что, если вы хотите увидеть как можно больше мира? Вот где пригодятся полярно-орбитальные спутники, такие как спутники JPSS. Эти спутники позволяют Земле делать тяжелую работу. Земля вращается под этими спутниками, когда они перемещаются от полюса к полюсу. Эти спутники имеют очень низкие орбиты, что позволяет им очень быстро перемещаться по всему миру — иногда даже раз в полтора часа! Сочетание высокой скорости и вращающейся Земли позволит спутникам JPSS каждый день видеть погоду на нашей планете.

Оба спутника предоставят нам важную информацию, которую можно использовать для прогнозирования погоды и отслеживания изменений в окружающей среде Земли.

искусственных спутников — Вселенная сегодня

[/ caption]
Искусственные спутники — это созданные людьми объекты, вращающиеся вокруг Земли и других планет Солнечной системы. Это отличается от естественных спутников или лун, вращающихся вокруг планет, карликовых планет и даже астероидов. Искусственные спутники используются для изучения Земли, других планет, чтобы помочь нам общаться и даже наблюдать за далекой Вселенной.Спутники могут даже иметь в себе людей, как Международная космическая станция и космический шаттл.

Первым искусственным спутником Земли стал советский спутник «Спутник-1», запущенный в 1957 году. С тех пор десятки стран запустили спутники, при этом более 3000 действующих космических аппаратов совершают оборот вокруг Земли. По оценкам, существует более 8000 единиц космического мусора; мертвые спутники или обломки обломков, вращающиеся вокруг Земли.

Спутники выводятся на разные орбиты в зависимости от их миссии.Одна из самых распространенных — геостационарная орбита. Здесь спутнику требуется 24 часа для обращения по орбите вокруг Земли; столько же времени требуется Земле, чтобы один раз повернуться вокруг своей оси. Это позволяет удерживать спутник в одном и том же месте над Землей, обеспечивая связь и телевещание.

Другая орбита — это околоземная орбита, где спутник может находиться всего в нескольких сотнях километров над планетой. Это выводит спутник за пределы атмосферы Земли, но все же достаточно близко, чтобы он мог снимать поверхность планеты из космоса или облегчить связь.Это высота, на которой летит космический шаттл, а также космический телескоп Хаббл.

Искусственные спутники могут выполнять ряд задач, включая научные исследования, наблюдение за погодой, военную поддержку, навигацию, съемку Земли и связь. Некоторые спутники служат для одной цели, а другие предназначены для одновременного выполнения нескольких функций. Спутниковое оборудование надежно защищено от радиации и космического вакуума.

Спутники

производятся различными аэрокосмическими компаниями, такими как Boeing или Lockheed, а затем доставляются на стартовые площадки, такие как мыс Канаверал.Стартовые комплексы расположены как можно ближе к экватору Земли, чтобы дать дополнительный импульс скорости в космос. Это позволяет ракетам использовать меньше топлива или запускать более тяжелые полезные нагрузки.

Высота орбиты спутника определяет, как долго он будет оставаться на орбите. Спутники на низкой орбите в основном находятся над атмосферой Земли, но они по-прежнему подвержены ударам атмосферы, и их орбита в конечном итоге распадается, и они снова врезаются в атмосферу. Другие спутники, вращающиеся на высоких орбитах, вероятно, будут там миллионы лет.

Мы написали много статей об искусственных спутниках для Universe Today. Вот статья о геостационарной орбите, а вот статья об орбитальной скорости.

Дополнительную информацию о спутниках можно получить в НАСА. Вот классная система спутникового слежения в реальном времени, а вот Hubblesite.

Мы также записали несколько серий Astronomy Cast о спутниках. Вот хороший эпизод 82: Космический мусор.

Источник: NASA

Нравится:

Нравится Загрузка…

Что такое геостационарный спутник? — Определение с сайта WhatIs.com

Геостационарный спутник — это спутник на околоземной орбите, расположенный на высоте примерно 35 800 километров (22 300 миль) прямо над экватором, который вращается в том же направлении, что и Земля (с запада на восток). На этой высоте один оборот по орбите занимает 24 часа, столько же времени требуется Земле, чтобы совершить один оборот вокруг своей оси. Термин геостационарный происходит от того факта, что такой спутник кажется почти неподвижным в небе, как его видит наземный наблюдатель.BGAN, новая глобальная сеть мобильной связи, использует геостационарные спутники.

Одиночный геостационарный спутник находится на прямой видимости около 40 процентов поверхности Земли. Три таких спутника, каждый из которых разделен на 120 градусов долготы, могут обеспечить покрытие всей планеты, за исключением небольших круглых областей с центрами на северном и южном географических полюсах. Доступ к геостационарному спутнику можно получить с помощью направленной антенны, обычно небольшой тарелки, нацеленной на то место в небе, где кажется, что спутник парит.Основным преимуществом этого типа спутников является то, что направленную антенну можно навести, а затем оставить на месте без дополнительной настройки. Еще одно преимущество заключается в том, что, поскольку могут использоваться высоконаправленные антенны, помехи от наземных источников и от других спутников сводятся к минимуму.

Геостационарные спутники имеют два основных ограничения. Во-первых, поскольку орбитальная зона представляет собой чрезвычайно узкое кольцо в плоскости экватора, количество спутников, которые могут поддерживаться на геостационарных орбитах без взаимного конфликта (или даже столкновения), ограничено.Во-вторых, расстояние, которое электромагнитный (ЭМ) сигнал должен пройти до геостационарного спутника и от него, составляет минимум 71 600 километров или 44 600 миль. Таким образом, возникает задержка не менее 240 миллисекунд, когда электромагнитный сигнал, движущийся со скоростью 300 000 километров в секунду (186 000 миль в секунду), совершает круговой обход от поверхности до спутника и обратно.

Есть две другие, менее серьезные проблемы с геостационарными спутниками. Во-первых, точное положение геостационарного спутника относительно поверхности незначительно меняется в течение каждого 24-часового периода из-за гравитационного взаимодействия между спутником, Землей, Солнцем, Луной и внеземными планетами.При наблюдении с поверхности спутник блуждает в прямоугольной области неба, называемой ящиком. Коробка небольшая, но она ограничивает резкость диаграммы направленности и, следовательно, выигрыш по мощности, на который могут быть рассчитаны земные антенны. Во-вторых, когда спутник приближается к Солнцу, наблюдается резкое увеличение фонового электромагнитного шума, наблюдаемого с приемной станции на поверхности, поскольку Солнце является мощным источником электромагнитной энергии. Этот эффект, известный как солнечное затухание, представляет собой проблему только в течение нескольких дней после равноденствий в конце марта и конце сентября.Даже в этом случае эпизоды длятся всего несколько минут и происходят только один раз в день.

В последние годы стали популярными спутниковые системы на низкой околоземной орбите (НОО). В системе этого типа используется флот или группа спутников, каждый из которых находится на полярной орбите на высоте нескольких сотен километров. Каждый оборот занимает от 90 минут до нескольких часов. В течение дня такой спутник попадает в зону действия каждой точки земной поверхности в течение определенного периода времени. Спутники в группе НОО стратегически разнесены так, чтобы из любой точки на поверхности по крайней мере один спутник всегда находился на линии прямой видимости.Таким образом, спутники действуют как движущиеся ретрансляторы в глобальной сотовой сети. Спутниковая система LEO позволяет использовать простые ненаправленные антенны, предлагает меньшую задержку и не страдает от замирания на солнце. Эти факты преподносятся как преимущества систем LEO перед геостационарными спутниками.

Что такое спутник? | Национальная служба спутников, данных и информации по окружающей среде NOAA (NESDIS)

В спутниковой и информационной службе NOAA мы очень много говорим о «спутниках»… по понятным причинам. Но знаете ли вы, что слово спутник на самом деле относится к любому объекту (искусственному или естественному), вращающемуся вокруг другого, более крупного объекта?

Например, Луна на самом деле является спутником, вращающимся вокруг Земли. Даже Землю можно считать спутником, потому что она вращается вокруг Солнца! Однако в целом термин «естественный спутник» обычно используется для обозначения лун и других небесных объектов, вращающихся вокруг планет, карликовых планет и малых планет.

16 июля 2015 года камера НАСА EPIC на борту спутника NOAA DSCOVR запечатлела этот уникальный вид на спутник Земли — Луну.На этом изображении, сделанном с расстояния в миллион миль, показана Луна, движущаяся над Тихим океаном недалеко от Северной Америки. Северный полюс находится в верхнем левом углу изображения, отражая наклон орбиты Земли с точки зрения космического корабля. Фото NASA / NOAA

Первый искусственный спутник появился только в 1957 году, когда Советский Союз успешно вывел Спутник-1 на орбиту вокруг Земли. Сегодня тысячи искусственных спутников вращаются вокруг Земли, а многие другие вращаются вокруг Солнца и других планет. .

Спутники

на околоземной орбите варьируются от метеорологических спутников и спутников связи до дальних космических телескопов и спутников Глобальной системы позиционирования США (GPS). Есть даже спутники, которые вращаются вокруг Земли на расстоянии одного миллиона миль. По состоянию на 2016 год более 50 стран и несколько международных организаций участвовали в создании, запуске и / или эксплуатации спутников.

Спутники для наблюдения за погодой и окружающей средой, подобные тем, которые используются здесь, в NOAA, обычно состоят из трех основных частей: шины (корпус спутника), инструментов (датчиков, формирователей изображений и эхолотов, которые собирают и отправляют данные на Землю ) и источник питания (состоящий из батарей и / или панелей солнечных батарей).Эти спутники измеряют растущий набор переменных, которые помогают таким агентствам, как Национальная метеорологическая служба NOAA, создавать ежедневные прогнозы, а также предсказывать и отслеживать опасные погодные явления. Они также вносят свой вклад в долгосрочные наборы данных, которые помогают ученым, преподавателям и представителям общественности понимать нашу динамичную и изменяющуюся планету и контролировать ее.

Хотя NOAA управляет множеством спутников, ни одна страна в одиночку не может позволить себе эффективно контролировать всю планету. NOAA сотрудничает с международным сообществом, чтобы использовать данные со спутников по всему миру, обеспечивая более полное понимание нашей постоянно меняющейся планеты.На этом изображении показана текущая космическая часть Глобальной системы наблюдений Всемирной метеорологической организации, а также дополнительные спутники космической погоды и окружающей среды. Предоставлено: NOAA

NOAA в настоящее время управляет спутниками на полярной орбите, геостационарной орбите и одним спутником в глубоком космосе в точке Лагранжа 1. Спутники на полярной орбите вращаются вокруг Земли от полюса к полюсу и предоставляют глобальную информацию с высоты 540 миль над поверхностью. Геостационарные спутники NOAA вращаются по орбите со скоростью, равной вращению Земли, что позволяет им постоянно контролировать западное полушарие с высоты 22 240 миль над поверхностью планеты.Спутник NOAA для дальнего космоса, DSCOVR, вращается на орбите на расстоянии 1 миллиона миль от Земли, нейтральной гравитационной точке в космосе, где он может всегда оставаться между Солнцем и освещенной солнцем стороной Земли.

Нужно больше места? Узнайте больше о спутниковых миссиях NOAA!

Интересные факты о спутниках

  • Explorer 1 был первым спутником США, успешно выведенным на орбиту, и первым спутником, выводящим в космос научные инструменты.
  • Первый метеорологический эксперимент осуществлен на борту спутника Explorer-7 в 1959 году.
  • Первым специализированным метеорологическим спутником на орбите был TIROS-1, запущенный в 1960 году.
  • Международная космическая станция — крупнейший искусственный спутник Земли, находящийся в настоящее время на орбите.
  • Солнечная система насчитывает около 182 известных естественных спутника.
  • Первый действующий геостационарный спутник NOAA, GOES-1, запущен 16 октября 1975 года.
  • Семь крупнейших естественных спутников в Солнечной системе (более 2500 км в поперечнике) — это галилеевы спутники Юпитера (Ганимед, Каллисто, Ио и Европа), спутник Сатурна Титан, спутник Земли и захваченный естественный спутник Нептуна Тритон.
  • Спутник

  • NOAA DSCOVR — первый действующий спутник США в дальнем космосе.
  • NOAA в настоящее время управляет 15 действующими экологическими и метеорологическими спутниками вокруг Земли.
  • Первым искусственным спутником Земли, работающим на солнечных батареях, стал Авангард-1, запущенный 17 марта 1958 года.
  • Vanguard-1 — самый старый искусственный спутник, все еще находящийся на орбите, находящийся на орбите Земли 58 лет, и, как ожидается, будет продолжать это делать еще почти два столетия.

Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *