Яка сила тримає супутник. Орбіти навколо землі. Яка різниця між супутником та космічним сміттям

Подібно до того, як місця в театрі дозволяють по-різному поглянути на виставу, різні орбіти супутників дають перспективу, кожна з яких має своє призначення. Одні здаються висять над точкою поверхні, вони забезпечують постійний огляд однієї сторони Землі, тоді як інші кружляють навколо нашої планети, за день проносячись над безліччю місць.

Типи орбіт

На якій висоті літають супутники? Розрізняють 3 типи навколоземних орбіт: високі, середні та низькі. На високій, найбільш віддаленій від поверхні, як правило, знаходяться багато погодних та деяких супутників зв'язку. Сателіти, що обертаються на середній навколоземній орбіті, включають навігаційні та спеціальні, призначені для моніторингу конкретного регіону. Більшість наукових космічних апаратів, у тому числі флот системи спостереження за поверхнею Землі НАСА, знаходяться на низькій орбіті.

Від того, якою висотою літають супутники, залежить швидкість їх руху. У міру наближення до Землі гравітація стає дедалі сильнішою, і рух пришвидшується. Наприклад, супутнику НАСА Aqua потрібно близько 99 хвилин, щоб облетіти навколо нашої планети на висоті близько 705 км, а метеорологічному апарату, віддаленому на 35 786 км від поверхні, потрібно 23 години, 56 хвилин і 4 секунди. На відстані 384403 км від центру Землі Місяць завершує один оборот за 28 днів.

Аеродинамічний парадокс

Зміна висоти супутника також змінює швидкість руху по орбіті. Тут спостерігається феномен. Якщо оператор супутника хоче підвищити його швидкість, він може просто запустити двигуни для прискорення. Це збільшить орбіту (і висоту), що призведе до зменшення швидкості. Натомість слід запустити двигуни в напрямку, протилежному напрямку руху супутника, тобто вчинити дію, яка на Землі б уповільнила рухомий транспортний засіб. Така дія перемістить його нижче, що дозволить збільшити швидкість.

Характеристики орбіт

Крім висоти, шлях руху супутника характеризується ексцентриситетом і способом. Перший відноситься до форми орбіти. Супутник з низьким ексцентриситетом рухається траєкторією, близькою до кругової. Ексцентрична орбіта має форму еліпса. Відстань від космічного апарату до Землі залежить з його становища.

Нахилення - це кут орбіти по відношенню до екватора. Супутник, що обертається безпосередньо над екватором, має нульовий нахил. Якщо космічний апарат проходить над північним та південним полюсами (географічними, а не магнітними), його нахил становить 90°.

Всі разом - висота, ексцентриситет і спосіб - визначають рух сателіту і те, як з його погляду виглядатиме Земля.

Висока навколоземна

Коли супутник досягає рівно 42 164 км від центру Землі (близько 36 тис. км від поверхні), він входить у зону, де його орбіта відповідає обертанню нашої планети. Оскільки апарат рухається з тією ж швидкістю, як і Земля, тобто його період звернення дорівнює 24 год, здається, що він залишається на місці над єдиною довготою, хоча може дрейфувати з півночі на південь. Ця спеціальна висока орбіта називається геосинхронною.

Супутник рухається круговою орбітою прямо над екватором (ексцентриситет і спосіб рівні нулю) і щодо Землі стоїть дома. Він завжди розташований над однією і тією ж точкою на її поверхні.

Орбіта "Блискавка" (нахилення 63,4 °) використовується для спостереження у високих широтах. Геостаціонарні супутники прив'язані до екватора, тому вони не підходять для далеких північних чи південних регіонів. Ця орбіта дуже ексцентрична: космічний апарат рухається витягнутим еліпсом із Землею, розташованої близько до одного краю. Оскільки супутник прискорюється під впливом сили тяжіння, він рухається дуже швидко, коли знаходиться близько до планети. При видаленні його швидкість уповільнюється, тому він більше часу проводить на вершині орбіти в найдальшому від Землі краю, відстань до якого може досягати 40 тис. км. Період обігу становить 12 год, але близько двох третин цього часу супутник проводить над однією півкулею. Подібно до напівсинхронної орбіти сателіт проходить по тому самому шляху через кожні 24 год. Використовується для зв'язку на крайній півночі або півдні.

Низька навколоземна

Більшість наукових супутників, багато метеорологічні та космічна станція знаходяться на майже круговій низькій навколоземній орбіті. Їхній нахил залежить від того, моніторингом чого вони займаються. TRMM був запущений для моніторингу опадів у тропіках, тому має відносно низький спосіб (35°), залишаючись поблизу екватора.

Багато супутників системи спостереження НАСА мають майже полярну високонахилу орбіту. Космічний апарат рухається довкола Землі від полюса до полюса з періодом 99 хв. Половину часу він проходить над денним боком нашої планети, але в полюсі перетворюється на нічну.

У міру руху супутника під ним обертається Земля. На той час, коли апарат переходить на освітлену ділянку, він перебуває над областю, що прилягає до зони своєї останньої орбіти. За 24-годинний період полярні супутники покривають більшу частину Землі двічі: один раз на день і один раз на ніч.

Сонячно-синхронна орбіта

Подібно до того, як геосинхронні супутники повинні знаходитися над екватором, що дозволяє їм залишатися над однією точкою, полярно-орбітальні мають здатність залишатися в одному часі. Їхня орбіта є сонячно-синхронною - при перетині космічним апаратом екватора місцевий сонячний час завжди той самий. Наприклад, супутник Terra перетинає його над Бразилією завжди о 10:30 ранку. Наступний перетин через 99 хв над Еквадором або Колумбією відбувається також о 10:30 за місцевим часом.

Сонячно-синхронна орбіта необхідна науки, оскільки дозволяє зберігати сонячного світла поверхню Землі, хоча він змінюватиметься залежно від сезону. Така сталість означає, що вчені можуть порівнювати зображення нашої планети однієї пори року протягом кількох років, не турбуючись про надто великі стрибки у освітленні, які можуть створити ілюзію змін. Без сонячно-синхронної орбіти було б складно відстежувати їх з часом і збирати інформацію, необхідну вивчення змін клімату.

Шлях супутника тут дуже обмежений. Якщо він знаходиться на висоті 100 км, орбіта повинна мати нахил 96 °. Будь-яке відхилення буде неприпустимим. Оскільки опір атмосфери та сила тяжіння Сонця та Місяця змінюють орбіту апарату, її необхідно регулярно коригувати.

Виведення на орбіту: запуск

Запуск супутника вимагає енергії, кількість якої залежить від місця старту, висоти і нахилу майбутньої траєкторії його руху. Щоб дістатися віддаленої орбіти, потрібно витратити більше енергії. Супутники зі значним нахилом (наприклад, полярні) енерговитратніші, ніж ті, які кружляють над екватором. Виведення на орбіту з низьким нахилом допомагає обертання Землі. рухається під кутом 51,6397 °. Це необхідно для того, щоб космічним човникам та російським ракетам було легше дістатися до неї. Висота МКС – 337-430 км. З іншого боку, полярні супутники від імпульсу Землі допомоги не отримують, тому їм потрібно більше енергії, щоб піднятися на таку ж відстань.

Коригування

Після запуску супутника необхідно докласти зусиль, щоб утримати його на певній орбіті. Оскільки Земля не є ідеальною сферою, її гравітація у деяких місцях сильніша. Ця нерівномірність, поряд з тяжінням Сонця, Місяця та Юпітера (найпотужнішої планети Сонячної системи), змінює нахил орбіти. Протягом всього свого терміну служби положення супутників GOES коригувалося три чи чотири рази. Низькоорбітальні апарати НАСА мають регулювати свій нахил щороку.

Крім того, на навколоземні супутники впливає атмосфера. Найвищі верстви, хоч і досить розріджені, мають досить сильний опір, щоб притягати їх ближче до Землі. Дія сили тяжіння призводить до прискорення супутників. Згодом вони згоряють, по спіралі опускаючись дедалі нижче в атмосферу, або падають на Землю.

Атмосферний опір сильніший, коли Сонце активно. Так само як повітря в повітряній кулі розширюється і піднімається при нагріванні, атмосфера піднімається і розширюється, коли Сонце дає їй додаткову енергію. Розріджені шари атмосфери піднімаються, які місце займають щільніші. Тому супутники на орбіті Землі повинні змінювати своє становище приблизно чотири рази на рік, щоб компенсувати опір атмосфери. Коли сонячна активність максимальна, стан апарату доводиться коригувати кожні 2-3 тижні.

Космічне сміття

Третя причина, яка змушує змінювати орбіту - космічний сміття. Один із комунікаційних супутників Iridium зіткнувся з нефункціонуючим російським космічним апаратом. Вони розбилися, утворивши хмару сміття, що складається з більш як 2500 частин. Кожен елемент був доданий до бази даних, яка сьогодні налічує понад 18000 об'єктів техногенного походження.

НАСА ретельно відстежує все, що може виявитися на шляху супутників, тому що через космічний сміття вже кілька разів доводилося міняти орбіти.

Інженери відстежують положення космічного сміття та сателітів, які можуть перешкодити руху та при необхідності ретельно планують маневри ухилення. Ця ж команда планує та виконує маневри з регулювання нахилу та висоти супутника.

Чи чомусь супутники не падають? Орбіта супутника є крихким балансом між інерцією і гравітацією. Сила тяжіння безперервно притягує супутник до Землі, тоді як інерція супутника прагне підтримувати рух прямолінійним. Якби не було сили тяжіння, інерція супутника відправила його прямо з земної орбіти у відкритий космос. Однак у кожній точці орбіти сила тяжіння тримає супутник на прив'язі.

Щоб досягти рівноваги між інерцією та силою тяжіння, супутник повинен мати строго певну швидкість. Якщо він летить надто швидко, інерція долає силу важкості та супутник залишає орбіту. (Обчислення так званої другої космічної швидкості, що дозволяє супутникові залишати навколоземну орбіту, відіграє важливу роль у запуску міжпланетних космічних станцій.) Якщо супутник рухається надто повільно, сила тяжкості переможе у боротьбі з інерцією і супутник впаде Землю. Саме це сталося в 1979 році, коли американська орбітальна станція Скайлеб почала знижуватися в результаті опору верхніх шарів земної атмосфери, що зростає. Потрапивши до залізних кліщів гравітації, станція невдовзі впала на Землю.

Швидкість та відстань

Оскільки земне тяжіння слабшає з відстанню, швидкість, необхідна утримання супутника на орбіті, змінюється з висотою над рівнем моря. Інженери можуть обчислювати, як швидко і високо супутник повинен обертатися на орбіті. Наприклад, геостаціонарний супутник, розташований завжди над тією ж точкою земної поверхні, повинен здійснювати один виток за 24 години (що відповідає часу одного обороту Землі навколо своєї осі) на висоті 357 кілометрів.

Сила тяжкості та інерція

Балансування супутника між силою тяжкості та інерцією може бути зімітовано обертанням вантажу на прив'язаній до нього мотузці. Інерція вантажу прагне перемістити його подалі від центру обертання, тоді як натяг мотузки, що виконує роль гравітації, утримує вантаж на круговій орбіті. Якщо мотузку перерізати, вантаж полетить прямолінійною траєкторією перпендикулярно радіусу своєї орбіти.

«Людина має піднятися над Землею - в атмосферу і за її межі - бо тільки так вона повністю зрозуміє світ, у якому живе».

Сократ зробив це спостереження століття до того, як люди успішно вивели об'єкт на земну орбіту. І все-таки давньогрецький філософ, здається, зрозумів, наскільки цінним може бути вид із космосу, хоча зовсім не знав, як цього досягти.

Цьому поняття - про те, як вивести об'єкт «в атмосферу і за її межі» - довелося чекати доти, доки Ісаак Ньютон не опублікував свій знаменитий уявний експеримент із гарматним ядром у 1729 році. Виглядає він приблизно так:

Уявіть, що ви помістили гармату на вершину гори і вистрілили з неї горизонтально. Гарматне ядро ​​подорожуватиме паралельно поверхні Землі деякий час, але зрештою поступиться силою тяжкості і впаде на Землю. Тепер уявіть, що ви продовжуєте додавати порох у гармату. З додатковими вибухами ядро ​​мандруватиме далі і далі, доки не впаде. Додайте потрібну кількість пороху і додайте ядру правильне прискорення, і воно постійно летітиме навколо планети, завжди падаючи в гравітаційному полі, але ніколи не досягаючи землі».

У жовтні 1957 року Радянський Союз нарешті підтвердив здогад Ньютона, запустивши Супутник-1 - перший штучний супутник на орбіті Землі. Це ініціювало космічну гонку та численні запуски об'єктів, яким призначалося літати навколо Землі та інших планет Сонячної системи. З моменту запуску «Супутника» деякі країни, здебільшого США, Росія та Китай, запустили понад 3000 супутників у космос. Деякі з цих зроблених людей об'єктів, наприклад МКС, великі. Інші відмінно вміщаються в невеликій скриньці. Завдяки супутникам ми отримуємо прогнози погоди, дивимося телевізор, сидимо в Інтернеті та телефонуємо. Навіть ті супутники, роботу яких ми не відчуваємо і не бачимо, добре служать на користь військових.

Звісно, ​​запуск та експлуатація супутників призвели до проблем. Сьогодні, враховуючи понад 1000 робочих супутників на земній орбіті, наш найближчий космічний район став жвавішим, ніж велике місто в годину пік. Приплюсуйте до цього неробоче обладнання, занедбані супутники, частини апаратного забезпечення та фрагменти від вибухів чи зіткнень, що наповнюють небеса разом із корисним обладнанням. Це орбітальне сміття, про яке ми накопичувалися протягом багатьох років і становить серйозну загрозу для супутників, які в даний час кружляють навколо Землі, а також для майбутніх пілотованих і непілотованих запусків.

У цій статті ми заліземо в кишки звичайного супутника і заглянемо в очі, щоб побачити види нашої планети, про які Сократ і Ньютон не могли і мріяти. Але спочатку давайте докладніше розберемося, ніж супутник відрізняється від інших небесних об'єктів.

Щоб зрозуміти, чому супутники рухаються таким чином, ми повинні відвідати нашого друга Ньютона. Він припустив, що сила гравітації існує між двома будь-якими об'єктами у Всесвіті. Якби цієї сили не було, супутники, що летять поблизу планети, продовжували б свій рух з однією швидкістю і в одному напрямку - прямою. Ця пряма – інерційний шлях супутника, який, однак, врівноважується сильним гравітаційним тяжінням, спрямованим до центру планети.

Іноді орбіта супутника виглядає як еліпс, плескате коло, яке проходить навколо двох точок, відомих як фокуси. У цьому випадку працюють ті самі закони руху, хіба що планети розташовані в одному з фокусів. В результаті, чиста сила, прикладена до супутника, не проходить рівномірно по всьому шляху, і швидкість супутника постійно змінюється. Він рухається швидко, коли знаходиться ближче до планети - в точці перигею (не плутати з перигелієм), і повільніше, коли знаходиться далі від планети - в точці апогею.

Супутники бувають різних форм і розмірів і виконують найрізноманітніші завдання.

• Метеорологічні супутники допомагають метеорологам прогнозувати погоду або бачити, що відбувається з нею зараз. Геостаціонарний експлуатаційний екологічний супутник (GOES) є гарним прикладом. Ці супутники зазвичай включають камери, які показують погоду Землі.
• Супутники зв'язку дозволяють телефонним розмовам ретранслюватись через супутник. Найбільш важливою особливістю супутника зв'язку є транспондер – радіо, яке отримує розмову на одній частоті, а після посилює його та передає назад на Землю на іншій частоті. Супутник зазвичай містить сотні чи тисячі транспондерів. Супутники зв'язку, зазвичай, геосинхронні (про це пізніше).
• Телевізійні супутники передають телевізійні сигнали з однієї точки до іншої (за аналогією із супутниками зв'язку).
• Наукові супутники, як колись космічний телескоп Хаббла, виконують усі види наукових місій. Вони спостерігають за всім - від сонячних плям до гамма-променів.
• Навігаційні супутники допомагають літати літакам та плавати кораблям. GPS NAVSTAR та супутники ГЛОНАСС – яскраві представники.
• Рятувальні супутники реагують на сигнали лиха.
• Супутники спостереження за Землею відзначають зміни - від температури до крижаних шапок. Найбільш відомі – серія Landsat.

Військові супутники також перебувають на орбіті, але більшість їх роботи залишається таємницею. Вони можуть ретранслювати зашифровані повідомлення, здійснювати спостереження за ядерною зброєю, пересуваннями супротивника, попереджати про запуски ракет, прослуховувати сухопутне радіо, здійснювати зйомку радіолокацій і картографування.

Коли винайшли супутники?

Вчені не розуміли Кларка – до 4 жовтня 1957 року. Тоді Радянський Союз запустив «Супутник-1», перший штучний супутник на орбіту Землі. «Супутник» був 58 сантиметрів у діаметрі, важив 83 кілограми та був виконаний у формі кульки. Хоча це було чудове досягнення, зміст «Супутника» був мізерним за сьогоднішніми мірками:

• термометр
• батарея
• радіопередавач
• газоподібний азот, який був під тиском усередині супутника

На зовнішній стороні «Супутника» чотири штирьові антени передавали на короткохвильовій частоті вище і нижче за нинішній стандарт (27 МГц). Станції стеження на Землі зловили радіосигнал і підтвердили, що крихітний супутник пережив запуск і успішно вийшов на курс довкола нашої планети. Місяцем пізніше Радянський Союз запустив на орбіту Супутник-2. Усередині капсули був собака Лайка.

У грудні 1957 року, відчайдушно намагаючись йти в ногу зі своїми противниками холодної війни, американські вчені спробували вивести супутник на орбіту разом з планетою Vanguard. На жаль, ракета розбилася та згоріла ще на стадії зльоту. Незабаром після цього, 31 січня 1958 року, США повторили успіх СРСР, ухваливши план Вернера фон Брауна, який полягав у виведенні супутника Explorer-1 із ракетою U.S. Redstone. Explorer-1 ніс інструменти для виявлення космічних променів і виявив під час експерименту Джеймса Ван Аллена з Університету Айови, що космічних променів набагато менше, ніж очікувалося. Це призвело до відкриття двох тороїдальних зон (зрештою названих на честь Ван Аллена), наповнених зарядженими частинками, захопленими магнітним полем Землі.

Натхненні цими успіхами деякі компанії почали розробляти і запускати супутники в 60-х роках. Однією з них була Hughes Aircraft разом із зірковим інженером Гарольдом Розеном. Розен очолив команду, яка втілила ідею Кларка – супутник зв'язку, розміщений на орбіті Землі таким чином, що міг відбивати радіохвилі з одного місця до іншого. У 1961 році NASA уклало контракт із Hughes, щоб побудувати серію супутників Syncom (синхронний зв'язок). У липні 1963 року Розен та його колеги побачили, як Syncom-2 злетів у космос і вийшов на грубу геосинхронну орбіту. Президент Кеннеді використав нову систему, щоб поговорити з прем'єр-міністром Нігерії в Африці. Невдовзі злетів і Syncom-3, котрий насправді міг транслювати телевізійний сигнал.

Епоха супутників розпочалася.

Яка різниця між супутником та космічним сміттям?

Техногенні об'єкти, на зразок «Супутника» та Explorer, також можна класифікувати як супутники, оскільки вони, як і місяці, обертаються навколо планети. На жаль, людська активність призвела до того, що на орбіті Землі виявилася величезна кількість сміття. Всі ці шматки та уламки поводяться як і великі ракети - обертаються навколо планети на високій швидкості круговим або еліптичним шляхом. У строгому тлумаченні визначення можна кожен такий об'єкт визначити як супутник. Але астрономи, зазвичай, вважають супутниками ті об'єкти, які виконують корисну функцію. Уламки металу та інший мотлох потрапляють у категорію орбітального сміття.

Орбітальне сміття надходить із багатьох джерел:

• Вибух ракети, який робить найбільше мотлоху.
• Астронавт розслабив руку – якщо астронавт ремонтує щось у космосі та упускає гайковий ключ, той втрачений назавжди. Ключ виходить на орбіту та летить зі швидкістю близько 10 км/с. Якщо він потрапить у людину чи супутник, результати можуть бути катастрофічними. Великі об'єкти, на зразок МКС, є великою метою для космічного сміття.
• Викинуті предмети. Частини пускових контейнерів, шапки об'єктивів камер тощо.

NASA вивело спеціальний супутник під назвою LDEF для вивчення довгострокових ефектів від зіткнення із космічним сміттям. За шість років інструменти супутника зареєстрували близько 20 000 зіткнень, деякі з яких були викликані мікрометеоритами, інші орбітальним сміттям. Вчені NASA продовжують аналізувати дані LDEF. А ось у Японії вже гігантську мережу для вилову космічного сміття.

Що всередині звичайного супутника?

У всіх супутників є джерело живлення (зазвичай сонячні батареї) та акумулятори. Масиви сонячних батарей дозволяють заряджати акумулятори. Найновіші супутники включають і паливні елементи. Енергія супутників дуже дорога і вкрай обмежена. Ядерні елементи живлення зазвичай використовуються для надсилання космічних зондів до інших планет.

У всіх супутників є бортовий комп'ютер для контролю та моніторингу різних систем. У всіх є радіо та антена. Як мінімум, більшість супутників мають радіопередавач і радіоприймач, тому екіпаж наземної команди може запросити інформацію про стан супутника і спостерігати за ним. Багато супутників дозволяють багато різних речей: від зміни орбіти до перепрограмування комп'ютерної системи.

Як і слід було очікувати, зібрати всі ці системи докупи - непросте завдання. Вона триває роки. Все починається із визначення мети місії. Визначення її параметрів дозволяє інженерам зібрати потрібні інструменти та встановити їх у правильному порядку. Як тільки специфікацію затверджено (і бюджет), починається складання супутника. Вона відбувається в чистій кімнаті, у стерильному середовищі, що дозволяє підтримувати потрібну температуру та вологість та захищати супутник під час розробки та складання.

Штучні супутники, як правило, виробляються на замовлення. Деякі компанії розробили модульні супутники, тобто конструкції, збирання яких дозволяє встановлювати додаткові елементи згідно специфікації. Наприклад, у супутників Boeing 601 було два базові модулі - шасі для перевезення рухової підсистеми, електроніка та батареї; та набір стільникових полиць для зберігання обладнання. Ця модульність дозволяє інженерам збирати супутники не з нуля, а із заготівлі.

Як супутники запускаються на орбіту?

У більшості запусків супутників запуск ракети відбувається прямо нагору, це дозволяє швидше провести її через товстий шар атмосфери та мінімізувати витрату палива. Після того, як ракета злітає, механізм управління ракети використовує інерційну систему наведення для розрахунку необхідних корегування сопла ракети, щоб забезпечити потрібний нахил.

Після того, як ракета виходить у розріджене повітря, на висоту близько 193 кілометрів, система навігації випускає невеликі ракетки, чого достатньо для перевороту ракети в горизонтальне положення. Після цього випускається супутник. Невеликі ракети випускаються знову і забезпечують різницю у відстані між ракетою та супутником.

Орбітальна швидкість та висота

Ракета повинна набрати швидкість 40 320 кілометрів на годину, щоб повністю втекти від земної гравітації і полетіти в космос. Космічна швидкість значно більша, ніж потрібно супутникові на орбіті. Вони не уникають земної гравітації, а перебувають у стані балансу. Орбітальна швидкість - це швидкість, необхідна підтримки балансу між гравітаційним тяжінням і інерційним рухом супутника. Це приблизно 27 359 кілометрів на годину на висоті 242 кілометри. Без гравітації інерція забрала б супутник у космос. Навіть із гравітацією, якщо супутник рухатиметься надто швидко, його віднесе в космос. Якщо супутник рухатиметься надто повільно, гравітація притягне його назад до Землі.

Орбітальна швидкість супутника залежить з його висоти над Землею. Що ближче до Землі, то швидше швидкість. На висоті 200 кілометрів орбітальна швидкість становить 27 400 кілометрів на годину. Для підтримки орбіти на висоті 35786 кілометрів супутник повинен звертатися зі швидкість 11300 кілометрів на годину. Ця орбітальна швидкість дозволяє супутникові робити один обліт о 24 годині. Оскільки Земля також обертається 24 години, супутник на висоті 35 786 кілометрів знаходиться у фіксованій позиції щодо поверхні Землі. Ця позиція називається геостаціонарною. Геостаціонарна орбіта ідеально підходить для метеорологічних супутників та супутників зв'язку.

Загалом, що вище орбіта, то довше супутник може залишатися у ньому. На низькій висоті супутник знаходиться у земній атмосфері, яка створює опір. На великій висоті немає ніякого опору, і супутник, як місяць, може бути на орбіті століттями.

Типи супутників

Полярно-орбітальні супутники також проходять через полюси з кожним оборотом, хоча їх орбіти менш еліптичні. Полярні орбіти залишаються фіксованими у космосі, тоді як обертається Земля. В результаті, більшість Землі проходить під супутником на полярній орбіті. Оскільки полярні орбіти дають чудове охоплення планети, вони використовуються для картографування та фотографії. Синоптики також покладаються на глобальну мережу полярних супутників, які облітають нашу кулю за 12 годин.

Можна також класифікувати супутники за їхньою висотою над земною поверхнею. Виходячи з цієї схеми, є три категорії:

• Низька навколоземна орбіта (НОО) – НОО-супутники займають область простору від 180 до 2000 км над Землею. Супутники, які рухаються близько до Землі, ідеально підходять для проведення спостережень, у військових цілях і для збору інформації про погоду.
• Середня навколоземна орбіта (СОО) – ці супутники літають від 2000 до 36 000 км над Землею. На цій висоті добре працюють навігаційні супутники GPS. Приблизна орбітальна швидкість – 13 900 км/год.
• Геостаціонарна (геосинхронна) орбіта - геостаціонарні супутники рухаються навколо Землі на висоті, що перевищує 36 000 км і на тій же швидкості обертання, що й планета. Тому супутники на цій орбіті завжди позиціонуються до того самого місця на Землі. Багато геостаціонарних супутників літають екватором, що породило безліч «пробок» у цьому регіоні космосу. Кілька сотень телевізійних, комунікаційних та погодних супутників використовують геостаціонарну орбіту.

І, нарешті, можна подумати про супутників у тому сенсі, де вони «шукають». Більшість об'єктів, відправлених у космос останні кілька десятиліть, дивляться на Землю. Ці супутники мають камери та обладнання, яке здатне бачити наш світ у різних довжинах хвиль світла, що дозволяє насолодитися захоплюючим видовищем в ультрафіолетових та інфрачервоних тонах нашої планети. Менше супутників звертають свій погляд до простору, де спостерігають за зірками, планетами та галактиками, а також сканують об'єкти на кшталт астероїдів та комет, які можуть зіткнутися із Землею.

Відомі супутники

Проте є справжні герої орбіти. Давайте познайомимося з ними.

1. Супутники Landsat фотографують Землю з початку 1970-х років, і щодо спостережень за поверхнею Землі вони рекордсмени. Landsat-1, відомий свого часу як ERTS (Earth Resources Technology Satellite), був запущений 23 липня 1972 року. Він ніс два основні інструменти: камеру та багатоспектральний сканер, створений Hughes Aircraft Company і здатний записувати дані у зеленому, червоному та двох інфрачервоних спектрах. Супутник робив настільки шикарні зображення і вважався настільки успішним, що за ним була ціла серія. NASA запустило останній Landsat-8 у лютому 2013 року. На цьому апараті полетіли два датчики, що спостерігали за Землею, Operational Land Imager і Thermal Infrared Sensor, що збирають багатоспектральні зображення прибережних регіонів, полярних льодів, островів і континентів.
2. Геостаціонарні експлуатаційні екологічні супутники (GOES) кружляють над Землею на геостаціонарній орбіті, кожен відповідає за фіксовану частину земної кулі. Це дозволяє супутникам уважно спостерігати за атмосферою та виявляти зміни погодних умов, які можуть призвести до торнадо, ураганів, паводків та грозових шторм. Також супутники використовуються для оцінки сум опадів та накопичення снігів, вимірювання ступеня снігового покриву та відстеження пересування морського та озерного льоду. З 1974 року на орбіту було виведено 15 супутників GOES, але одночасно за погодою спостерігають лише два супутники GOES «Захід» та GOES «Схід».
3. Jason-1 та Jason-2 відіграли ключову роль у довгостроковому аналізі океанів Землі. NASA запустило Jason-1 у грудні 2001 року, щоб замінити ним супутник NASA/CNES Topex/Poseidon, який працював над Землею з 1992 року. Протягом майже тринадцяти років Jason-1 вимірював рівень моря, швидкість вітру та висоту хвиль понад 95% вільних від льоду земних океанів. NASA офіційно списало Jason-1 3 липня 2013 року. 2008 року на орбіту вийшов Jason-2. Він ніс високоточні інструменти, що дозволяють вимірювати дистанцію від супутника до поверхні океану з точністю кілька сантиметрів. Ці дані, крім цінності для океанологів, надають широкий погляд на поведінку світових кліматичних патернів.

Скільки коштують супутники?

Будівництво такої складної машини потребує маси ресурсів, тому історично лише урядові відомства та корпорації з глибокими кишенями могли увійти до супутникового бізнесу. Більшість вартості супутника лежить у обладнанні - транспондерах, комп'ютерах і камерах. Звичайний метеорологічний супутник коштує близько 290 мільйонів доларів. Супутник-шпигун обійдеться на 100 мільйонів доларів більше. Додайте до цього вартість утримання та ремонту супутників. Компанії повинні платити за смугу супутника так само, як власники телефонів платять за стільниковий зв'язок. Обходиться іноді це більш ніж 1,5 мільйона доларів на рік.

Іншим важливим фактором є вартість запуску. Запуск одного супутника в космос може коштувати від 10 до 400 мільйонів доларів, залежно від апарата. Ракета Pegasus XL може підняти 443 кілограми на низьку навколоземну орбіту за 13,5 мільйона доларів. Запуск важкого супутника вимагатиме більшої підйомної сили. Ракета Ariane 5G може вивести на низьку орбіту 18000-кілограмовий супутник за 165 мільйонів доларів.

Незважаючи на витрати та ризики, пов'язані з будівництвом, запуском та експлуатацією супутників, деякі компанії зуміли побудувати цілий бізнес на цьому. Наприклад, Boeing. У 2012 році компанія доставила в космос близько 10 супутників і отримала замовлення більш ніж на сім років, що принесло їй майже 32 мільярди доларів доходу.

Майбутнє супутників

Інше рішення - скорочення розміру та складності супутників. Вчені Калтеха та Стенфордського університету з 1999 року працюють над новим типом супутника CubeSat, в основі якого лежать будівельні блоки з гранню 10 сантиметрів. Кожен куб містить готові компоненти і може поєднатися з іншими кубиками, щоб підвищити ефективність і знизити навантаження. Завдяки стандартизації дизайну та скорочення витрат на створення кожного супутника з нуля, один CubeSat може коштувати лише 100 000 доларів.

У квітні 2013 року NASA вирішила перевірити цей простий принцип і три CubeSat на базі комерційних смартфонів. Ціль полягала в тому, щоб вивести мікросупутники на орбіту на короткий час і зробити кілька знімків на телефони. Тепер агентство планує розгорнути велику мережу таких супутників.

Будучи великими або маленькими, супутники майбутнього повинні мати можливість ефективно спілкуватися з наземними станціями. Історично склалося так, що NASA покладалося на радіочастотний зв'язок, але РЧ досягла своєї межі, оскільки виник попит на велику потужність. Щоб подолати цю перешкоду, вчені NASA розробляють систему двостороннього зв'язку на основі лазерів замість радіохвиль. 18 жовтня 2013 року вчені вперше запустили лазерний промінь для передачі даних з Місяця на Землю (на відстані 384 633 кілометри) та отримали рекордну швидкість передачі у 622 мегабіти на секунду.

Що являє собою геостаціонарна орбіта? Це кругове поле, яке розташувалося над екватором Землі, по ньому штучний супутник поводиться з кутовою швидкістю обертання планети навколо осі. Він змінює свій напрям у горизонтальній системі координат, а нерухомо висить у небі. Геостаціонарна орбіта Землі (ДСО) є різновидом геосинхронного поля і застосовується для розміщення комунікаційних, телетрансляційних та інших супутників.

Ідея використання штучних апаратів

Саме поняття геостаціонарної орбіти ініційовано російським винахідником К. Е. Ціолковським. У своїх роботах він пропонував заселити космос за допомогою орбітальних станцій. Зарубіжні вчені також описували роботи космічних полів, наприклад Г. Оберт. Людиною, яка розвинула концепцію використання орбіти для зв'язку, є Артур Кларк. Він у 1945 році помістив статтю в журналі Wireless World, де описав переваги роботи геостаціонарного поля. За активну працю в цій галузі на честь вченого орбіта отримала свою другу назву - "пояс Кларка". Над проблемою здійснення якісного зв'язку думали багато теоретиків. Так, Герман Поточник в 1928 висловив думку про те, як можна застосовувати геостаціонарні супутники.

Характеристика пояса Кларка

Щоб орбіта була названа геостаціонарною, вона повинна відповідати низці параметрів:

1. Геосинхронність. До такої характеристики відноситься поле, яке має період, що відповідає періоду звернення Землі. Геосинхронний супутник закінчує оберт навколо планети за сидеричний день, який дорівнює 23 годин 56 хвилин і 4 секунд. У той самий час необхідно Землі до виконання одного обороту у фіксованому просторі.

2. Для підтримки супутника на певній точці геостаціонарна орбіта має бути круговою, з нульовим нахилом. Еліптичне поле призведе до усунення або на схід, або на захід, оскільки апарат рухається у певних точках орбіти по-різному.

3. «Точка зависання» космічного механізму має бути на екваторі.

4. Розташування супутників на геостаціонарній орбіті повинні бути такими, щоб невелика кількість частот, призначених для зв'язку, не призвела до накладання частот різних апаратів при прийомі та передачі, а також для виключення їх зіткнення.

5. Достатня кількість палива підтримки постійного становища космічного механізму.

Геостаціонарна орбіта супутника унікальна тим, що тільки при поєднанні її параметрів можна досягти нерухомості апарату. Ще однією особливістю є можливість бачити Землю під кутом сімнадцять градусів з розташованих на космічному полі супутників. Кожен апарат відхоплює приблизно одну третину поверхні орбіти, тому три механізми здатні забезпечити охоплення майже всієї планети.

Штучні супутники

Супутники запускалися багатьма країнами та компаніями. Перший у світі штучний апарат було створено СРСР і полетів у космос 4 жовтня 1957 року. Він носив ім'я "Супутник-1". В 1958 США запустила другий апарат - «Експлорер-1». Перший супутник, який було виведено NASA у 1964 році, носив ім'я Syncom-3. Штучні апарати переважно неповоротні, але є ті, які повертаються частково чи повністю. Їх використовують для проведення наукових досліджень та вирішення різних завдань. Так, існують військові, дослідні, навігаційні супутники та інші. Також запускаються апарати, створені співробітниками університетів чи радіоаматорами.

«Точка стояння»

Геостаціонарні супутники розташовуються на висоті 35 786 кілометрів над рівнем моря. Така висота забезпечує період обігу, що відповідає періоду циркуляції Землі стосовно зірок. Штучний апарат нерухомий, тому його місце розташування на геостаціонарній орбіті називається «точкою стояння». Зависання забезпечує постійний тривалий зв'язок, одного разу зорієнтована антена завжди буде спрямована на потрібний супутник.

Пересування

Супутники можна переводити з низьковисотної орбіти на геостаціонарну за допомогою геоперехідних полів. Останні є еліптичний шлях з точкою на низькій висоті і піком на висоті, яка близька до геостаціонарного кола. Супутник, який став непридатним для подальшої роботи, вирушає на орбіту поховання, розташовану на 200-300 кілометрів вище за ДСО.

Висота геостаціонарної орбіти

Супутник цьому полі тримається певній відстані від Землі, не наближаючись і віддаляючись. Він завжди знаходиться над якоюсь точкою екватора. Виходячи з даних особливостей слід висновок, що сили гравітації та відцентрова сила врівноважують одна одну. Висота геостаціонарної орбіти розраховується методами, основу яких лежить класична механіка. При цьому враховується відповідність гравітаційних та відцентрових сил. Значення першої величини визначається за допомогою закону всесвітнього тяжіння Ньютона. Показник відцентрової сили розраховується шляхом додавання маси супутника на відцентрове прискорення. Підсумком рівності гравітаційної та інертної маси є висновок про те, що висота орбіти не залежить від маси супутника. Тому геостаціонарна орбіта визначається лише висотою, коли він відцентрова сила дорівнює по модулю і протилежна за напрямом гравітаційної силі, що створюється тяжінням Землі даної висоті.

З формули розрахунку доцентрового прискорення можна знайти кутову швидкість. Радіус геостаціонарної орбіти визначається також за цією формулою або шляхом розподілу геоцентричної постійної гравітаційної на кутову швидкість у квадраті. Він становить 42 164 кілометри. З огляду на екваторіальний радіус Землі отримуємо висоту, рівну 35786 кілометрам.

Обчислення можна провести іншим шляхом, ґрунтуючись на твердженні, що висота орбіти, що є віддаленням від центру Землі, з кутовою швидкістю супутника, що збігається з рухом обертання планети, породжує лінійну швидкість, яка дорівнює першій космічній на цій висоті.

Швидкість на геостаціонарній орбіті. Довжина

Цей показник розраховується шляхом множення кутової швидкості на радіус поля. Значення швидкості на орбіті дорівнює 3,07 кілометра в секунду, що набагато менше за першу космічну швидкість на навколоземному шляху. Щоб зменшити показник, необхідно збільшити радіус орбіти більш як у шість разів. Довжина розраховується добутком числа Пі на радіус, помноженим на два. Вона становить 264 924 кілометри. Показник враховується для обчислення «точок стояння» супутників.

Вплив сил

Параметри орбіти, якою звертається штучний механізм, можуть змінюватися під впливом гравітаційних місячно-сонячних обурень, неоднорідності поля Землі, еліптичності екватора. Трансформація поля виражається у таких явищах, як:

1. Зміщення супутника від своєї позиції вздовж орбіти у бік точок стабільного рівноваги, які звуться потенційних ям геостаціонарної орбіти.
2. Кут нахилу поля до екватора зростає з певною швидкістю і досягає 15 градусів один раз за 26 років та 5 місяців.

Для утримання супутника у потрібній «точці стояння» його оснащують руховою установкою, яку включають кілька разів на 10-15 діб. Так, для поповнення зростання способу орбіти використовують корекцію «північ-південь», а для компенсації дрейфу вздовж поля – «захід-схід». Для регулювання шляху супутника протягом усього терміну його роботи потрібний великий запас палива на борту.

Двигуни

Вибір пристрою визначається індивідуальними технічними особливостями супутника. Наприклад, хімічний ракетний двигун має витіснювальну подачу палива і функціонує на довго зберігаються висококиплячих компонентах (діазотний тетроксид, несиметричний диметилгідразин). Плазмові пристрої мають суттєво меншу тягу, але за рахунок тривалої роботи, яка вимірюється десятками хвилин для одиничного пересування, здатні значно знизити споживану кількість палива на борту. Такий тип рухової установки використовується для маневру переведення супутника в іншу орбітальну позицію. Основним обмежуючим чинником терміну служби апарату запас палива на геостаціонарної орбіті.

Недоліки штучного поля

Істотною пороком у взаємодії з геостаціонарними супутниками є великі запізнення поширення сигналу. Так, при швидкості світла 300 тисяч кілометрів на секунду та висоті орбіти 35786 кілометрів рух променя «Земля – супутник» займає близько 0,12 секунди, а «Земля – супутник – Земля» – 0,24 секунди. Враховуючи затримку сигналу в апаратурі та кабельних системах передач наземних служб, загальне запізнення сигналу «джерело - супутник - приймач» досягає приблизно 2-4 секунд. Такий показник суттєво ускладнює застосування апаратів на орбіті в телефонії та унеможливлює використання супутникового зв'язку в системах реального часу.

Ще одним недоліком є ​​невидимість геостаціонарної орбіти з високих широт, що заважає провідності зв'язку та телетрансляцій у районах Арктики та Антарктиди. У ситуаціях, коли сонце та супутник-передавач знаходяться на одній лінії з приймальною антеною, спостерігається зменшення, а часом і повна відсутність сигналу. На геостаціонарних орбітах з допомогою нерухомості супутника таке явище проявляється особливо яскраво.

Ефект Доплера

Цей феномен полягає у зміні частот електромагнітних вібрацій при взаємному просуванні передавача та приймача. Явище виражається зміною відстані у часі, і навіть рухом штучних апаратів на орбіті. Ефект проявляється як малостійкість несучої частоти коливань супутника, яка додається до апаратурної нестабільності частоти бортового ретранслятора та земної станції, що ускладнює прийом сигналів. Ефект Допплера сприяє зміні частоти вібрацій, що модульують, що неможливо контролювати. У разі, коли на орбіті використовуються супутники зв'язку та безпосереднього телевізійного мовлення, це явище практично усувається, тобто не спостерігається змін рівня сигналів у точці прийому.

Ставлення у світі до геостаціонарних полів

Космічна орбіта своїм народженням створила багато питань та міжнародно-правових проблем. Їхнім рішенням займається низка комітетів, зокрема, Організація Об'єднаних Націй. Деякі країни, розташовані на екваторі, пред'являли претензії на поширення їх суверенітету на частину космічного поля, що знаходиться над їхньою територією. Держави заявляли, що геостаціонарна орбіта є фізичним фактором, який пов'язаний із існуванням планети і залежить від гравітаційного поля Землі, тому сегменти поля є продовженням території їхніх країн. Але такі претензії були відкинуті, оскільки у світі є принцип неприсвоєння космічного простору. Усі проблеми, пов'язані з роботою орбіт та супутників, вирішуються на світовому рівні.

Може здатися, що супутники на орбіті Землі – це найпростіше, звичне та рідне, що є у цьому світі. Зрештою, Місяць висить на небі вже понад чотири мільярди років і в його рухах немає нічого надприродного. Але якщо ми самі запускаємо супутники на орбіту Землі, вони тримаються там лише кілька або десятки років, а потім повторно входять в атмосферу і згоряють, або падають в океан і на землю.

Більше того, якщо глянути на природні супутники на інших планетах, всі вони тримаються значно довше, ніж антропогенні супутники, що обертаються навколо Землі. Міжнародна космічна станція (МКС), наприклад, звертається навколо Землі кожні 90 хвилин, у той час як нашому Місяцю потрібно близько місяця на це. Навіть супутники, які знаходяться близько до своїх планет - на кшталт Іо у Юпітера, приливні сили якого зігрівають світ і розривають його вулканічними катастрофами - стабільно тримаються на своїх орбітах.

Іо, як очікується, залишиться на орбіті Юпітера на весь термін життя Сонячної системи, а ось МКС, якщо не вживати жодних заходів, буде на своїй орбіті менше 20 років. Та ж доля справедлива практично для всіх супутників, присутніх на низькій навколоземній орбіті: на час, коли настане наступне століття, майже всі нинішні супутники увійдуть в атмосферу Землі і згорять. Найбільші (на кшталт МКС зі своєю 431 тонною вагою) впадуть у вигляді великих уламків на сушу та у воду.

Чому так відбувається? Чому цим супутникам начхати на закони Ейнштейна, Ньютона і Кеплера і чому вони не хочуть дотримуватися стабільної орбіти постійно? Виявляється, є низка факторів, що викликають цю орбітальну метушні.

Це, мабуть, найважливіший ефект, який також є причиною того, чому супутники на низькій навколоземній орбіті нестабільні. Інші супутники - як геостаціонарні супутники - теж сходять з орбіти, але не так швидко. Ми звикли вважати «космосом» все, що знаходиться вище 100 кілометрів: вище за кишеню. Але будь-яке визначення межі космосу, де починається космос та закінчується атмосфера планети, буде притягнутим за вуха. Насправді частки атмосфери простягаються далеко й високо, просто щільність їх стає дедалі менше. Зрештою, щільність падає - нижче мікрограма на кубічний сантиметр, потім нанограма, потім пікограма - і тоді ми всі з більшою впевненістю можемо називати це космосом. Але атоми атмосфери можуть бути присутніми і на відстані тисяч кілометрів, і коли супутники стикаються з цими атомами, вони втрачають імпульс і сповільнюються. Тому супутники низької навколоземної орбіти нестабільні.

Частинки сонячного вітру

Сонце постійно випромінює потік високоенергетичних частинок, здебільшого протонів, але є також електрони та ядра гелію, які стикаються з усім, що зустрінуть. Ці зіткнення, своєю чергою, змінюють імпульс супутників, із якими зіштовхуються, і поступово їх уповільнюють. Після достатнього часу, починають порушуватися і орбіти. І хоча це не основна причина сходу з орбіти супутників на НГО, для супутників подалі це має більш важливе значення, оскільки вони наближаються, а разом з цим зростає атмосферний опір.

Недосконале гравітаційне поле Землі

Якби у Землі не було атмосфери, як у Меркурія чи Місяця, чи змогли б наші супутники залишатися на орбіті завжди? Ні, навіть якби ми прибрали сонячний вітер. Це тому, що Земля – як і всі планети – не є точковою масою, а скоріше структурою з непостійним гравітаційним полем. Це поле та зміни у міру того, як супутники обертаються навколо планети, виливаються у вплив припливних сил на них. І що ближче супутник до Землі, то більший вплив цих сил.

Гравітаційний вплив решти Сонячної системи

Очевидно, що Земля не є повністю ізольованою системою, в якій єдина гравітаційна сила, яка впливає на супутники, народжується на самій Землі. Ні, Місяць, Сонце та всі інші планети, комети, астероїди та інше роблять внесок у вигляді гравітаційних сил, які розштовхують орбіти. Навіть якби Земля була б ідеальною точкою - скажімо, стиснулася б у чорну діру, що не обертається, - без атмосфери, а супутники на 100% були б захищені від сонячного вітру, ці супутники поступово почали б падати по спіралі в центр Землі. Вони залишалися б на орбіті довше, ніж існувало б саме Сонце, але ця система не була б ідеально стабільною; орбіти супутників зрештою порушувалися б.

Релятивістські ефекти

Закони Ньютона – і кеплерових орбіт – це не єдине, що визначає рух небесних тіл. Та ж сила, яка змушує орбіту Меркурія прецесувати на зайві 43 в століття, призводить до того, що орбіти порушуються за рахунок гравітаційних хвиль. Швидкість цього порушення неймовірно мала для слабких гравітаційних полів (на зразок тих, що ми знайшли в Сонячній системі) і для великих відстаней: знадобиться 10 150 років, щоб Земля по спіралі спустилася до Сонця, а ступінь порушення орбіт навколоземних супутників у сотні тисяч разів менший від цього . Але ця сила є і є неминучим наслідком загальної теорії відносності, ефективно виявляючись на ближчих супутниках планети.

Все це не просто впливає на створені нами супутники, а й на природні супутники, які ми знаходимо на орбіті інших світів. Найближчий до Марса місяць Фобос, наприклад, приречений бути розірваним приливними силами і по спіралі спуститися в атмосферу Червоної планети. Незважаючи на наявність атмосфери, яка становить всього 1/140 земної, атмосфера Марса велика та дифузна, і, крім того, Марс не має захисту від сонячного вітру (на відміну від Землі з її магнітним полем). Тож через десятки мільйонів років Фобос усе. Може здатися, що це станеться не скоро, але ж це менше 1% від того часу, який Сонячна система вже існує.

Але найближчим супутником Юпітера не є Іо: це Метіс, за міфологією, перша дружина Зевса. Ближче Іо є чотири невеликі супутники, з яких Метіс найближче - всього в 0,8 радіуса Юпітера від атмосфери планети. Що стосується Юпітером порушення орбіт відповідають не атмосферні сили та сонячний вітер; з орбітальною піввіссю 128 000 кілометрів, Метіс відчуває значні приливні сили, які несуть відповідальність за сходження по спіралі цього місяця до Юпітера.

Як приклад того, що буває, коли переважають потужні приливні сили, можна відзначити комету Шумейкера - Леві 9 та її зіткнення з Юпітером у 1994 році, після того, як вона була повністю розірвана приливними силами. Така доля всіх супутників, які йдуть по спіралі до свого рідного світу.

Поєднання всіх цих факторів робить будь-який супутник фундаментально нестабільним. Враховуючи достатній час та відсутність інших стабілізуючих ефектів, порушуватимуться абсолютно всі орбіти. Зрештою, всі орбіти нестабільні, але деякі - нестабільніші за інші.