Mikä voima pitää satelliittia. Miksi satelliitit eivät poistu kiertoradalta? Maan epätäydellinen gravitaatiokenttä

Saattaa vaikuttaa siltä, ​​että satelliitit Maan kiertoradalla ovat yksinkertaisin, tutuin ja tutuin asia tässä maailmassa. Loppujen lopuksi Kuu on roikkunut taivaalla yli neljä miljardia vuotta, eikä sen liikkeissä ole mitään yliluonnollista. Mutta jos me itse lähetämme satelliitteja Maan kiertoradalle, ne pysyvät siellä vain muutaman tai kymmenen vuoden ajan, minkä jälkeen ne palaavat ilmakehään ja joko palavat tai putoavat valtamereen ja maahan.

Lisäksi, jos tarkastellaan muiden planeettojen luonnollisia satelliitteja, ne kaikki kestävät huomattavasti kauemmin kuin maata kiertävät ihmisen tekemät satelliitit. Esimerkiksi Kansainvälinen avaruusasema (ISS) kiertää Maata 90 minuutin välein, kun taas Kuumme kestää noin kuukauden. Jopa satelliitit, jotka ovat lähellä planeettojaan - kuten Jupiterin Io, jonka vuorovesivoimat lämmittävät maailmaa ja repivät sitä vulkaanisilla katastrofeilla - pysyvät vakaina kiertoradoillaan.

Ion odotetaan pysyvän Jupiterin kiertoradalla aurinkokunnan loppuelämän ajan, mutta jos mitään ei tehdä, ISS pysyy kiertoradalla alle 20 vuotta. Sama kohtalo koskee käytännössä kaikkia matalalla Maan kiertoradalla olevia satelliitteja: seuraavan vuosisadan vierähtämiseen mennessä lähes kaikki nykyiset satelliitit ovat tulleet Maan ilmakehään ja palaneet. Suurimmat (kuten ISS, jonka paino on 431 tonnia) putoavat suurina roskana maalle ja veteen.

Miksi tämä tapahtuu? Miksi nämä satelliitit eivät välitä Einsteinin, Newtonin ja Keplerin laeista ja miksi ne eivät halua ylläpitää vakaata kiertorataa koko ajan? Osoittautuu, että tämän kiertoradan myllerryksen aiheuttaa useita tekijöitä.

Tämä on ehkä tärkein vaikutus ja myös syy siihen, miksi matalalla Maan kiertoradalla olevat satelliitit ovat epävakaita. Myös muut satelliitit - kuten geostationaariset satelliitit - putoavat kiertoradalta, mutta eivät yhtä nopeasti. Olemme tottuneet pitämään "avaruutta" kaiken, mikä on yli 100 kilometriä: Karman-linjan yläpuolella. Mutta mikä tahansa määritelmä avaruuden rajalle, jossa avaruus alkaa ja planeetan ilmakehä päättyy, on kaukaa haettu. Todellisuudessa ilmakehän hiukkaset ulottuvat kauas ja korkealle, mutta niiden tiheys vähenee koko ajan. Lopulta tiheys putoaa - alle mikrogramman kuutiosenttimetriä kohden, sitten nanogramman, sitten pikogrammin - ja sitten voimme kutsua sitä yhä useammin avaruudeksi. Mutta ilmakehän atomit voivat olla tuhansien kilometrien päässä, ja kun satelliitit törmäävät näihin atomeihin, ne menettävät vauhtiaan ja hidastuvat. Siksi matalalla Maan kiertoradalla olevat satelliitit ovat epävakaita.

Aurinkotuulen hiukkaset

Aurinko lähettää jatkuvasti virtaa korkeaenergisiä hiukkasia, enimmäkseen protoneja, mutta on myös elektroneja ja heliumytimiä, jotka törmäävät kaikkeen, mitä he kohtaavat. Nämä törmäykset puolestaan ​​muuttavat niiden satelliittien vauhtia, joihin ne törmäävät, ja hidastavat niitä vähitellen. Kun tarpeeksi aikaa on kulunut, kiertoradat alkavat häiriintyä. Vaikka tämä ei ole tärkein syy, miksi satelliitit liikkuvat LEO:ssa, se on tärkeämpää kauempana oleville satelliiteille, kun ne tulevat lähemmäksi ja sen myötä ilmakehän vastus kasvaa.

Maan epätäydellinen gravitaatiokenttä

Jos maapallolla ei olisi Merkuriuksen tai kuun kaltaista ilmakehää, pystyisivätkö satelliitimme pysymään kiertoradalla ikuisesti? Ei vaikka poistaisimme aurinkotuulen. Tämä johtuu siitä, että Maa - kuten kaikki planeetat - ei ole pistemassa, vaan rakenne, jolla on muuttuva gravitaatiokenttä. Tämä kenttä ja muutokset satelliittien kiertäessä planeettaa johtavat niihin vaikuttaviin vuorovesivoimiin. Ja mitä lähempänä satelliitti on Maata, sitä suurempi on näiden voimien vaikutus.

Muun aurinkokunnan painovoimavaikutus

Ilmeisesti Maa ei ole täysin eristetty järjestelmä, jossa ainoa satelliitteihin vaikuttava gravitaatiovoima tulee maasta itsestään. Ei, Kuu, Aurinko ja kaikki muut planeetat, komeetat, asteroidit ja muut vaikuttavat gravitaatiovoimien muodossa, jotka työntävät kiertoradat erilleen. Vaikka maapallo olisi täydellinen piste – vaikka se olisi romahtanut pyörimättömäksi mustaksi aukoksi – ilman ilmakehää ja satelliitit olisivat 100 % suojassa aurinkotuulelta, ne satelliitit alkaisivat vähitellen kiertyä kohti Maan keskustaa. Ne pysyisivät kiertoradalla kauemmin kuin aurinko itse olisi olemassa, mutta tämäkään järjestelmä ei olisi täysin vakaa; Satelliittien kiertoradat häiriintyvät lopulta.

Relativistiset efektit

Newtonin lait - ja Keplerin kiertoradat - eivät ole ainoita asioita, jotka määräävät taivaankappaleiden liikettä. Sama voima, joka saa Merkuriuksen kiertoradan kulkemaan ylimääräiset 43 tuumaa vuosisadassa, aiheuttaa sen, että gravitaatioaallot häiritsevät radat. Tämän häiriön nopeus on uskomattoman alhainen heikoille gravitaatiokentille (kuten aurinkokunnasta löytyville kentille) ja suurille etäisyyksille: kestäisi 10 150 vuotta, ennen kuin maapallo kiertyy kohti aurinkoa, ja kiertoradan häiriön aste. Maan lähisatelliittien määrä on satoja tuhansia kertoja pienempi kuin tämä . Mutta tämä voima on läsnä ja on väistämätön seuraus yleisestä suhteellisuusteoriasta, ja se ilmenee tehokkaasti planeetan läheisissä satelliiteissa.

Kaikki tämä ei vaikuta vain luomiimme satelliitteihin, vaan myös luonnollisiin satelliitteihin, joita löydämme muita maailmoja kiertävistä. Esimerkiksi Marsia lähinnä oleva kuu, Phobos, on tuomittu repeytymään vuorovesivoimien vaikutuksesta ja kiertymään alas Punaisen planeetan ilmakehään. Huolimatta siitä, että sen ilmakehä on vain 1/140 Maan koosta, Marsin ilmakehä on suuri ja hajanainen, eikä Marsilla ole myöskään suojaa aurinkotuulelta (toisin kuin Maan magneettikentällä). Siksi Phobos on poissa kymmenien miljoonien vuosien jälkeen. Saattaa tuntua, että tämä ei tapahdu pian, mutta tämä on alle 1 % aurinkokunnan jo olemassaolosta.

Mutta Jupiterin lähin satelliitti ei ole Io: se on Metis, mytologian mukaan Zeuksen ensimmäinen vaimo. Lähempänä Ioa on neljä pientä kuuta, joista Metis on lähin, vain 0,8 Jupiterin säteen päässä planeetan ilmakehästä. Jupiterin tapauksessa ilmakehän voimat tai aurinkotuuli eivät ole vastuussa kiertoradan häiriintymisestä; 128 000 kilometrin kiertoradan puoliakselilla Metis kokee vaikuttavia vuorovesivoimia, jotka ovat vastuussa tämän kuun spiraalista laskeutumisesta kohti Jupiteria.

Esimerkkinä siitä, mitä tapahtuu, kun voimakkaat vuorovesivoimat hallitsevat, komeetta Shoemaker-Levy 9 ja sen törmäys Jupiteriin vuonna 1994, sen jälkeen, kun vuorovesivoimat repivät sen kokonaan osiin. Tämä on kaikkien satelliittien kohtalo, jotka kierrevät kohti kotimaailmaansa.

Kaikkien näiden tekijöiden yhdistelmä tekee kaikista satelliiteista pohjimmiltaan epävakaita. Riittävän ajan ja muiden stabiloivien vaikutusten puuttuessa ehdottoman kaikki radat häiriintyvät. Loppujen lopuksi kaikki kiertoradat ovat epävakaita, mutta jotkut ovat epävakaampia kuin toiset.

"Ihmisen täytyy nousta Maan yläpuolelle - ilmakehään ja sen ulkopuolelle - sillä vain tällä tavalla hän ymmärtää täysin maailman, jossa hän elää."

Sokrates teki tämän havainnon vuosisatoja ennen kuin ihmiset onnistuivat laukaisemaan kohteen Maan kiertoradalle. Silti antiikin kreikkalainen filosofi näytti ymmärtävän, kuinka arvokas näkymä avaruudesta voi olla, vaikka hänellä ei ollut aavistustakaan, kuinka se saavutettaisiin.

Tämän konseptin – kuinka laukaista esine ”ilmakehään ja sen ulkopuolelle” – piti odottaa, kunnes Isaac Newton julkaisi kuuluisan kanuunakuula-ajattelukokeilunsa vuonna 1729. Se näyttää jotakuinkin tältä:

"Kuvittele, että asetat tykin vuoren huipulle ja ammuit sitä vaakasuunnassa. Kanuunankuula kulkee jonkin aikaa yhdensuuntaisesti maan pinnan kanssa, mutta lopulta antaa periksi painovoimalle ja putoaa maahan. Kuvittele nyt, että lisäät ruutia tykkiin. Lisäräjähdyksen myötä ydin kulkee yhä pidemmälle, kunnes se putoaa. Lisää oikea määrä ruutia ja anna pallolle oikea kiihtyvyys, ja se lentää jatkuvasti planeetan ympäri putoaen aina gravitaatiokenttään, mutta ei koskaan saavuta maata."

Lokakuussa 1957 Neuvostoliitto vahvisti lopulta Newtonin aavistuksen laukaisemalla Sputnik 1:n, ensimmäisen Maan ympäri kiertävän keinotekoisen satelliitin. Tämä aloitti avaruuskilpailun ja lukuisat kohteiden laukaisut, joiden oli tarkoitus lentää ympäri maata ja muita aurinkokunnan planeettoja. Sputnikin laukaisun jälkeen useat maat, lähinnä Yhdysvallat, Venäjä ja Kiina, ovat lähettäneet yli 3 000 satelliittia avaruuteen. Jotkut näistä ihmisen tekemistä esineistä, kuten ISS, ovat suuria. Muut sopivat täydellisesti pieneen rintakehään. Satelliittien ansiosta vastaanotamme sääennusteita, katsomme televisiota, surffaamme netissä ja soitamme puheluita. Myös ne satelliitit, joiden toimintaa emme tunne tai näe, palvelevat erinomaisesti armeijaa.

Tietenkin satelliittien laukaisu ja käyttö on johtanut ongelmiin. Nykyään, kun Maan kiertoradalla on yli 1 000 toimivaa satelliittia, välittömällä avaruusalueellamme on ruuhka-aikaan kiireisempi kuin suurissa kaupungeissa. Lisää tähän toimimattomaan laitteistoon, hylättyihin satelliitteihin, laitteiston kappaleisiin ja räjähdyksistä tai törmäyksistä saatuja fragmentteja, jotka täyttävät taivaan hyödyllisten laitteiden kanssa. Tämä kiertoradan roska, josta puhumme, on kertynyt monien vuosien aikana ja muodostaa vakavan uhan tällä hetkellä Maata kiertäville satelliiteille sekä tuleville miehitetyille ja miehittämättömille laukaisuille.

Tässä artikkelissa kiivetään tavallisen satelliitin sisimpään ja katsomme sen silmiin nähdäksemme planeettamme näkymät, joista Sokrates ja Newton eivät voineet edes uneksia. Mutta ensin, katsotaanpa tarkemmin, kuinka satelliitti itse asiassa eroaa muista taivaankappaleista.

Ymmärtääksemme, miksi satelliitit liikkuvat tällä tavalla, meidän on vierailtava ystävämme Newtonin luona. Hän ehdotti, että painovoima on olemassa minkä tahansa kahden esineen välillä universumissa. Jos tätä voimaa ei olisi olemassa, planeetan lähellä lentävät satelliitit jatkaisivat liikkumista samalla nopeudella ja samaan suuntaan - suoraviivaisesti. Tämä suora on satelliitin inertiapolku, jota kuitenkin tasapainottaa voimakas painovoiman vetovoima, joka on suunnattu planeetan keskustaan.

Joskus satelliitin kiertorata näyttää ellipsiltä, ​​litteältä ympyrältä, joka pyörii kahden pisteen ympärillä, jotka tunnetaan polttopisteinä. Tässä tapauksessa pätevät kaikki samat liikelait, paitsi että planeetat sijaitsevat yhdessä polttopisteestä. Tämän seurauksena satelliittiin kohdistettu nettovoima ei kulje tasaisesti koko sen reitillä ja satelliitin nopeus muuttuu jatkuvasti. Se liikkuu nopeasti, kun se on lähimpänä planeettaa - perigeepisteessä (ei pidä sekoittaa periheliin), ja hitaammin, kun se on kauempana planeettasta - apogee-pisteessä.

Satelliitteja on kaikenmuotoisia ja -kokoisia ja ne suorittavat monenlaisia ​​tehtäviä.

• Sääsatelliitit auttavat meteorologeja ennustamaan säätä tai näkemään, mitä sille tapahtuu tietyllä hetkellä. Geostationary Operational Environmental Satellite (GOES) on hyvä esimerkki. Nämä satelliitit sisältävät yleensä kameroita, jotka näyttävät maan sään.
• Viestintäsatelliitit mahdollistavat puhelinkeskustelujen välittämisen satelliitin kautta. Viestintäsatelliitin tärkein ominaisuus on transponderi - radio, joka vastaanottaa keskustelun yhdellä taajuudella, vahvistaa sen ja lähettää sen takaisin Maahan toisella taajuudella. Satelliitti sisältää tyypillisesti satoja tai tuhansia transpondereita. Viestintäsatelliitit ovat tyypillisesti geosynkronisia (lisätietoja myöhemmin).
• Televisiosatelliitit lähettävät televisiosignaaleja pisteestä toiseen (samalla tavalla kuin viestintäsatelliitit).
• Tieteelliset satelliitit, kuten Hubble-avaruusteleskooppi kerran, suorittavat kaikenlaisia ​​tieteellisiä tehtäviä. He tarkkailevat kaikkea auringonpilkuista gammasäteisiin.
• Navigointisatelliitit auttavat lentokoneita lentämään ja laivoja purjehtimaan. GPS NAVSTAR ja GLONASS satelliitit ovat merkittäviä edustajia.
• Pelastussatelliitit reagoivat hätäsignaaleihin.
• Maan havainnointisatelliitit tallentavat lämpötilan muutoksia jääpeitteihin. Tunnetuimmat ovat Landsat-sarja.

Myös sotilassatelliitit ovat kiertoradalla, mutta suuri osa niiden toiminnasta on edelleen salaisia. He voivat välittää salattuja viestejä, seurata ydinaseita, vihollisen liikkeitä, varoittaa ohjusten laukaisuista, kuunnella maaradiota, suorittaa tutkatutkimuksia ja kartoituksia.

Milloin satelliitit keksittiin?

Tiedemiehet eivät ymmärtäneet Clarkia - ennen kuin 4. lokakuuta 1957. Sitten Neuvostoliitto laukaisi Sputnik 1:n, ensimmäisen keinotekoisen satelliitin, Maan kiertoradalle. Sputnik oli halkaisijaltaan 58 senttimetriä, painoi 83 kiloa ja oli pallon muotoinen. Vaikka tämä oli merkittävä saavutus, Sputnikin sisältö oli tämän päivän mittapuun mukaan niukkaa:

• lämpömittari
• akku
• radiolähetin
• typpikaasua, joka oli paineistettu satelliitin sisällä

Sputnikin ulkopuolella neljä piiska-antennia lähetettiin lyhytaaltotaajuuksilla nykyisen standardin (27 MHz) ylä- ja alapuolella. Maan seuranta-asemat ottivat vastaan ​​radiosignaalin ja vahvistivat, että pieni satelliitti selvisi laukaisusta ja oli onnistuneesti matkalla planeettamme ympäri. Kuukautta myöhemmin Neuvostoliitto laukaisi Sputnik 2:n kiertoradalle. Kapselin sisällä oli koira Laika.

Joulukuussa 1957 amerikkalaiset tutkijat yrittivät epätoivoisesti pysyä kylmän sodan vihollistensa tahdissa asettamalla satelliitin kiertoradalle Vanguard-planeetan kanssa. Valitettavasti raketti putosi ja paloi lentoonlähdön aikana. Pian tämän jälkeen, 31. tammikuuta 1958, Yhdysvallat toisti Neuvostoliiton menestyksen hyväksymällä Wernher von Braunin suunnitelman laukaista Explorer 1 -satelliitti yhdysvaltalaisella raketilla. Punainen kivi. Explorer 1:llä oli instrumentteja kosmisten säteiden havaitsemiseen, ja Iowan yliopiston James Van Allenin kokeessa havaittiin, että kosmisia säteitä oli odotettua vähemmän. Tämä johti kahden toroidisen vyöhykkeen (jotka lopulta nimettiin Van Allenin mukaan), jotka olivat täynnä varautuneita hiukkasia, jotka olivat loukussa Maan magneettikentässä, löytämiseen.

Näiden menestysten rohkaisemana useat yritykset alkoivat kehittää ja laukaista satelliitteja 1960-luvulla. Yksi heistä oli Hughes Aircraft yhdessä tähtiinsinööri Harold Rosenin kanssa. Rosen johti tiimiä, joka toteutti Clarkin idean - viestintäsatelliitin, joka sijoitettiin Maan kiertoradalle siten, että se voisi pomppia radioaaltoja paikasta toiseen. Vuonna 1961 NASA myönsi Hughesille sopimuksen Syncom-satelliittisarjan (synkroninen viestintä) rakentamisesta. Heinäkuussa 1963 Rosen ja hänen kollegansa näkivät Syncom-2:n lentävän avaruuteen ja siirtyvän karkealle geosynkroniselle kiertoradalle. Presidentti Kennedy käytti uutta järjestelmää keskustellakseen Nigerian pääministerin kanssa Afrikassa. Pian myös Syncom-3 nousi lentoon, joka pystyi lähettämään televisiosignaalin.

Satelliittien aikakausi on alkanut.

Mitä eroa on satelliitilla ja avaruusromulla?

Ihmisten tekemät esineet, kuten Sputnik ja Explorer, voidaan myös luokitella satelliiteiksi, koska ne, kuten kuut, kiertävät planeettaa. Valitettavasti ihmisen toiminta on johtanut valtavaan määrään roskia Maan kiertoradalle. Kaikki nämä palaset ja roskat käyttäytyvät kuin suuret raketit - pyörivät planeetan ympäri suurella nopeudella ympyrämäistä tai elliptistä reittiä. Määritelmän tiukassa tulkinnassa jokainen tällainen objekti voidaan määritellä satelliitiksi. Mutta tähtitieteilijät pitävät satelliitteja yleensä kohteina, jotka suorittavat hyödyllistä toimintaa. Metalliromut ja muu roska kuuluvat kiertoradan roskien luokkaan.

Orbitaalijätteet tulevat monista lähteistä:

• Rakettiräjähdys, joka tuottaa eniten roskaa.
• Astronautti löysätti kätensä - jos astronautti korjaa jotain avaruudessa ja jättää jakoavaimen huomaamatta, se on menetetty ikuisesti. Avain menee kiertoradalle ja lentää noin 10 km/s nopeudella. Jos se osuu ihmiseen tai satelliittiin, seuraukset voivat olla katastrofaalisia. Suuret esineet, kuten ISS, ovat suuri kohde avaruusromulle.
• Hylätyt tavarat. Laukaisusäiliöiden osat, kameran linssin suojukset ja niin edelleen.

NASA on käynnistänyt erityisen LDEF-satelliitin tutkimaan avaruusromun kanssa tapahtuvien törmäysten pitkäaikaisvaikutuksia. Kuuden vuoden aikana satelliitin instrumentit tallensivat noin 20 000 törmäystä, joista osan aiheuttivat mikrometeoriitit ja osa kiertoradan roskia. NASAn tutkijat jatkavat LDEF-tietojen analysointia. Mutta Japanilla on jo jättimäinen verkko avaruusromun pyydystämiseen.

Mitä tavallisen satelliitin sisällä on?

Kaikissa satelliiteissa on virtalähde (yleensä aurinkopaneelit) ja akut. Aurinkopaneelit mahdollistavat akkujen lataamisen. Uusimmissa satelliiteissa on myös polttokennoja. Satelliittienergia on erittäin kallista ja erittäin rajallista. Ydinvoimakennoja käytetään yleisesti avaruusluotainten lähettämiseen muille planeetoille.

Kaikissa satelliiteissa on tietokone, jolla ohjataan ja valvotaan erilaisia ​​järjestelmiä. Jokaisella on radio ja antenni. Useimmissa satelliiteissa on vähintään radiolähetin ja radiovastaanotin, jotta maahenkilöstö voi tiedustella ja valvoa satelliitin tilaa. Monet satelliitit mahdollistavat paljon erilaisia ​​asioita kiertoradan muuttamisesta tietokonejärjestelmän uudelleenohjelmointiin.

Kuten arvata saattaa, kaikkien näiden järjestelmien yhdistäminen ei ole helppoa. Se kestää vuosia. Kaikki alkaa tehtävän tavoitteen määrittelemisestä. Sen parametrien määrittäminen antaa insinöörille mahdollisuuden koota tarvittavat työkalut ja asentaa ne oikeassa järjestyksessä. Kun tekniset tiedot (ja budjetti) on hyväksytty, satelliittien kokoaminen alkaa. Se tapahtuu puhtaassa huoneessa, steriilissä ympäristössä, joka ylläpitää haluttua lämpötilaa ja kosteutta ja suojaa satelliittia kehityksen ja kokoonpanon aikana.

Keinotekoiset satelliitit valmistetaan yleensä tilauksesta. Jotkut yritykset ovat kehittäneet modulaarisia satelliitteja eli rakenteita, joiden kokoonpano mahdollistaa lisäelementtien asentamisen eritelmien mukaisesti. Esimerkiksi Boeing 601 -satelliiteilla oli kaksi perusmoduulia - runko propulsioalijärjestelmän, elektroniikan ja akkujen kuljettamiseen; ja sarja hunajakennohyllyjä laitteiden säilytykseen. Tämän modulaarisuuden ansiosta insinöörit voivat koota satelliitteja aihioista eikä tyhjästä.

Miten satelliitit lähetetään kiertoradalle?

Useimmissa satelliittien laukaisuissa raketti laukaistaan ​​suoraan ylöspäin, mikä mahdollistaa sen nopeamman liikkumisen paksun ilmakehän läpi ja minimoi polttoaineenkulutuksen. Raketin nousun jälkeen raketin ohjausmekanismi laskee inertiaohjausjärjestelmän avulla tarvittavat säädöt raketin suuttimeen halutun nousun saavuttamiseksi.

Raketin päätyttyä ohueseen ilmaan, noin 193 kilometrin korkeudessa, navigointijärjestelmä vapauttaa pieniä raketteja, mikä riittää kääntämään raketin vaaka-asentoon. Tämän jälkeen satelliitti vapautetaan. Pienet raketit ammutaan uudelleen ja ne antavat eron raketin ja satelliitin välillä.

Ratanopeus ja korkeus

Raketin on saavutettava 40 320 kilometriä tunnissa, jotta se pakenee kokonaan Maan painovoimasta ja lentää avaruuteen. Avaruusnopeus on paljon suurempi kuin mitä satelliitti tarvitsee kiertoradalla. Ne eivät pakene maan painovoimaa, vaan ovat tasapainotilassa. Ratanopeus on nopeus, joka vaaditaan tasapainon ylläpitämiseksi painovoiman vetovoiman ja satelliitin inertialiikkeen välillä. Tämä on noin 27 359 kilometriä tunnissa 242 kilometrin korkeudessa. Ilman painovoimaa inertia kuljettaisi satelliitin avaruuteen. Jopa painovoimalla, jos satelliitti liikkuu liian nopeasti, se kulkeutuu avaruuteen. Jos satelliitti liikkuu liian hitaasti, painovoima vetää sen takaisin Maata kohti.

Satelliitin kiertonopeus riippuu sen korkeudesta Maan yläpuolella. Mitä lähempänä Maata, sitä suurempi nopeus. 200 kilometrin korkeudessa kiertonopeus on 27 400 kilometriä tunnissa. Pysyäkseen kiertoradalla 35 786 kilometrin korkeudessa satelliitin täytyy kulkea 11 300 kilometrin tuntinopeudella. Tämä kiertonopeus mahdollistaa satelliitin lentää yhden ohi 24 tunnin välein. Koska maapallo pyörii myös 24 tuntia, 35 786 kilometrin korkeudessa oleva satelliitti on kiinteässä asennossa suhteessa maan pintaan. Tätä sijaintia kutsutaan geostationaariseksi. Geostationaarinen kiertorata on ihanteellinen sää- ja viestintäsatelliiteille.

Yleensä mitä korkeampi kiertorata, sitä kauemmin satelliitti voi pysyä siellä. Matalalla korkeudella satelliitti on maan ilmakehässä, mikä aiheuttaa vastusta. Suurella korkeudella ei käytännössä ole vastusta, ja satelliitti voi, kuten kuu, pysyä kiertoradalla vuosisatoja.

Satelliittityypit

Napaa kiertävät satelliitit ohittavat myös navat jokaisen kierroksen yhteydessä, vaikka niiden kiertoradat ovat vähemmän elliptisiä. Naparadat pysyvät kiinteinä avaruudessa maapallon pyöriessä. Tämän seurauksena suurin osa maapallosta kulkee satelliitin alta naparadalla. Koska naparadat kattavat planeetan erinomaisesti, niitä käytetään kartoitukseen ja valokuvaukseen. Ennustajat luottavat myös maailmanlaajuiseen napasatelliittien verkostoon, joka kiertää maapallomme 12 tunnin välein.

Voit myös luokitella satelliitit niiden korkeuden mukaan maanpinnasta. Tämän järjestelmän perusteella on kolme luokkaa:

• Low Earth Orbit (LEO) - LEO-satelliitit miehittävät 180-2000 kilometriä Maan yläpuolella olevan avaruusalueen. Maan pinnan lähellä kiertävät satelliitit ovat ihanteellisia havainnointiin, sotilaallisiin tarkoituksiin ja säätietojen keräämiseen.
• Medium Earth Orbit (MEO) - Nämä satelliitit lentävät 2 000 - 36 000 km maan yläpuolella. GPS-navigointisatelliitit toimivat hyvin tässä korkeudessa. Arvioitu kiertonopeus on 13 900 km/h.
• Geostationaarinen (geosynkroninen) kiertorata - geostationaariset satelliitit kiertävät maata yli 36 000 km korkeudessa ja samalla pyörimisnopeudella kuin planeetta. Siksi tällä kiertoradalla olevat satelliitit ovat aina samassa paikassa maan päällä. Monet geostationaariset satelliitit lentävät päiväntasaajaa pitkin, mikä on aiheuttanut monia liikenneruuhkia tälle avaruuden alueelle. Useat sadat televisio-, viestintä- ja sääsatelliitit käyttävät geostationaarista kiertorataa.

Lopuksi voidaan ajatella satelliitteja siinä mielessä, mistä ne "hakevat". Useimmat viime vuosikymmeninä avaruuteen lähetetyt esineet katsovat Maata. Näissä satelliiteissa on kameroita ja laitteita, jotka voivat nähdä maailmamme eri valon aallonpituuksilla, jolloin voimme nauttia upeista näkymistä planeettamme ultravioletti- ja infrapunasävyistä. Harvemmat satelliitit kääntävät katseensa avaruuteen, jossa ne tarkkailevat tähtiä, planeettoja ja galakseja ja etsivät kohteita, kuten asteroideja ja komeettoja, jotka voisivat törmätä Maahan.

Tunnetut satelliitit

On kuitenkin olemassa todellisia kiertoradan sankareita. Tutustutaanpa heihin.

1. Landsat-satelliitit ovat kuvanneet Maata 1970-luvun alusta lähtien, ja niillä on maapallon pinnan havainnointiennätys. Landsat-1, joka tunnettiin aikoinaan nimellä ERTS (Earth Resources Technology Satellite), laukaistiin 23. heinäkuuta 1972. Siinä oli kaksi pääinstrumenttia: kamera ja monispektriskanneri, jotka Hughes Aircraft Company rakensi ja jotka pystyivät tallentamaan tietoja vihreällä, punaisella ja kahdella infrapunaspektrillä. Satelliitti tuotti niin upeita kuvia, ja sitä pidettiin niin onnistuneena, että koko sarja seurasi sitä. NASA laukaisi viimeisen Landsat-8:n helmikuussa 2013. Tässä ajoneuvossa oli kaksi maapalloa tarkkailevaa anturia, operatiivinen maakamera ja lämpö-infrapuna-anturi, jotka keräävät monispektrikuvia rannikkoalueista, napajäästä, saarista ja maanosista.
2. Geostationaariset operatiiviset ympäristösatelliitit (GOES) kiertävät maapallon geostationaarisella kiertoradalla, joista kukin vastaa kiinteästä osasta maapalloa. Näin satelliitit voivat tarkkailla ilmakehää tarkasti ja havaita muutoksia sääolosuhteissa, jotka voivat johtaa tornadoihin, hurrikaaneihin, tulviin ja ukkosmyrskyihin. Satelliittien avulla arvioidaan myös sademäärää ja lumen kertymistä, mitataan lumipeitteen laajuutta sekä seurataan meren ja järvien jään liikettä. Vuodesta 1974 lähtien 15 GOES-satelliittia on lähetetty kiertoradalle, mutta vain kaksi satelliittia, GOES West ja GOES East, tarkkailevat säätä kerrallaan.
3. Jason-1:llä ja Jason-2:lla oli keskeinen rooli maapallon valtamerten pitkän aikavälin analyysissä. NASA laukaisi Jason-1:n joulukuussa 2001 korvaamaan NASA/CNES Topex/Poseidon-satelliitin, joka oli toiminut Maan yläpuolella vuodesta 1992. Lähes kolmentoista vuoden ajan Jason-1 mittasi merenpintaa, tuulen nopeutta ja aallonkorkeutta yli 95 prosentissa maapallon jäättömistä valtameristä. NASA lopetti virallisesti Jason-1:n eläkkeelle 3. heinäkuuta 2013. Jason-2 saapui kiertoradalle vuonna 2008. Se kantoi erittäin tarkkoja instrumentteja, jotka mahdollistivat etäisyyden satelliitista valtameren pintaan useiden senttimetrien tarkkuudella. Nämä tiedot ovat sen lisäksi, että ne ovat arvokkaita meritieteilijöille, tarjoavat laajan käsityksen globaalien ilmastomallien käyttäytymisestä.

Paljonko satelliitit maksavat?

Tällaisen monimutkaisen koneen rakentaminen vaatii valtavasti resursseja, joten historiallisesti vain valtion virastot ja yritykset, joilla oli paljon taskuja, pääsivät mukaan satelliittiliiketoimintaan. Suurin osa satelliitin kustannuksista on laitteissa - transpondereissa, tietokoneissa ja kameroissa. Tyypillinen sääsatelliitti maksaa noin 290 miljoonaa dollaria. Vakoilusatelliitti maksaisi 100 miljoonaa dollaria enemmän. Lisää tähän vielä satelliittien ylläpito- ja korjauskustannukset. Yritysten on maksettava satelliittikaistanleveydestä samalla tavalla kuin puhelimen omistajat maksavat matkapuhelinpalvelusta. Tämä maksaa joskus yli 1,5 miljoonaa dollaria vuodessa.

Toinen tärkeä tekijä on käynnistyskustannukset. Yhden satelliitin laukaisu avaruuteen voi maksaa laitteesta riippuen 10-400 miljoonaa dollaria. Pegasus XL -raketti voi nostaa 443 kiloa matalalle Maan kiertoradalle 13,5 miljoonalla dollarilla. Raskaan satelliitin laukaisu vaatii enemmän nostoa. Ariane 5G -raketti voi laukaista 18 000 kilon satelliitin matalalle kiertoradalle 165 miljoonalla dollarilla.

Huolimatta satelliittien rakentamiseen, laukaisuun ja käyttöön liittyvistä kustannuksista ja riskeistä, jotkut yritykset ovat onnistuneet rakentamaan kokonaisia ​​yrityksiä sen ympärille. Esimerkiksi Boeing. Yritys toimitti noin 10 satelliittia avaruuteen vuonna 2012 ja sai tilauksia yli seitsemäksi vuodeksi, jolloin liikevaihto oli lähes 32 miljardia dollaria.

Satelliittien tulevaisuus

Toinen ratkaisu on vähentää satelliittien kokoa ja monimutkaisuutta. Caltechin ja Stanfordin yliopiston tutkijat ovat työskennelleet vuodesta 1999 uudentyyppisen CubeSatin parissa, joka perustuu 10 senttimetrin reunan rakennuspalikoihin. Jokainen kuutio sisältää valmiita komponentteja ja voidaan yhdistää muihin kuutioihin tehokkuuden lisäämiseksi ja stressin vähentämiseksi. Standardoimalla suunnittelu ja vähentämällä jokaisen satelliitin rakentamisen kustannuksia tyhjästä yksi CubeSat voi maksaa vain 100 000 dollaria.

NASA päätti huhtikuussa 2013 testata tätä yksinkertaista periaatetta kolmella kaupallisilla älypuhelimilla toimivalla CubeSatilla. Tavoitteena oli saada mikrosatelliitit kiertoradalle lyhyeksi ajaksi ja ottaa muutama kuva puhelimillaan. Virasto aikoo nyt ottaa käyttöön laajan tällaisten satelliittien verkon.

Olivatpa ne suuret tai pienet, tulevaisuuden satelliittien on kyettävä kommunikoimaan tehokkaasti maa-asemien kanssa. Historiallisesti NASA luotti radiotaajuusviestintään, mutta RF saavutti rajansa, kun lisätehoa syntyi. Tämän esteen voittamiseksi NASAn tutkijat kehittävät kaksisuuntaista viestintäjärjestelmää, jossa käytetään lasereita radioaaltojen sijaan. Lokakuun 18. päivänä 2013 tutkijat ampuivat ensin lasersäteen tiedon siirtämiseksi Kuusta Maahan (384 633 kilometrin etäisyydellä) ja saavuttivat ennätysnopeuden, 622 megabittiä sekunnissa.

Satelliitin laukaisemiseksi matalalle Maan kiertoradalle on välttämätöntä antaa sille alkunopeus, joka on yhtä suuri kuin ensimmäinen kosminen nopeus tai hieman suurempi kuin viimeinen. Tämä ei tapahdu heti, vaan vähitellen. Satelliittia kuljettava monivaiheinen raketti kiihtyy tasaisesti. Kun sen lentonopeus saavuttaa lasketun arvon, satelliitti eroaa raketista ja alkaa vapaasti liikkua kiertoradalla. Radan muoto riippuu sille annetusta alkunopeudesta ja suunnasta: sen mitoista ja epäkeskisyydestä.

Jos ympäristö ja Kuun ja Auringon häiritsevät nähtävyydet eivät vastustaisi ja maapallolla olisi pallomainen muoto, satelliitin kiertoradalla ei tapahtuisi muutoksia ja satelliitti itse liikkuisi sitä pitkin ikuisesti. Todellisuudessa jokaisen satelliitin kiertorata kuitenkin muuttuu useista syistä.

Pääasiallinen voima, joka muuttaa satelliitin kiertorataa, on jarrutus, joka johtuu sen harvinaisen väliaineen resistanssista, jonka läpi satelliitti lentää. Katsotaan kuinka se vaikuttaa hänen liikkeisiinsä. Koska satelliitin kiertorata on yleensä elliptinen, sen etäisyys Maasta muuttuu ajoittain. Se pienenee kohti perigeetä ja saavuttaa suurimman etäisyyden apogeessa. Maan ilmakehän tiheys pienenee nopeasti korkeuden kasvaessa, ja siksi satelliitti kohtaa suurimman vastuksen perigeen lähellä. Kun satelliitti on käyttänyt osan kineettisestä energiasta voittaakseen tämän, vaikkakin pienen, vastuksen, satelliitti ei voi enää nousta aiempaan korkeuteen, ja sen apogee pienenee vähitellen. Perigeen lasku tapahtuu myös, mutta paljon hitaammin kuin apogeen lasku. Siten kiertoradan koko ja sen epäkeskisyys pienenevät vähitellen: elliptinen kiertorata lähestyy ympyrän muotoista. Satelliitti liikkuu maapallon ympäri hitaasti kiertyvänä kierteenä ja lopulta lopettaa olemassaolonsa maan ilmakehän tiheissä kerroksissa lämpeneen ja haihtuen kuin meteoriittikappale. Jos se on kooltaan suuri, se voi saavuttaa maan pinnan.

On mielenkiintoista huomata, että satelliitin jarruttaminen ei vähennä sen nopeutta, vaan päinvastoin lisää sitä. Tehdään muutamia yksinkertaisia ​​laskelmia.

Keplerin kolmannesta laista seuraa se

missä C on vakio, M on maan massa, m on satelliitin massa, P on sen kierrosjakso ja a on kiertoradan puolisuurakseli. Laiminlyöty

Satelliitin massalla verrattuna Maan massaan saamme

Laskelmien yksinkertaisuuden vuoksi oletetaan, että satelliitin kiertorata on pyöreä. Liikkuessaan vakionopeudella υ satelliitti kulkee kiertoradalla etäisyyden υ Р = 2 πа täyden kierroksen, josta Р = 2πa/υ. Korvaamalla tämän arvon P kaavaan (9.1) ja suorittamalla muunnoksia, löydämme

Joten kiertoradan a koon pienentyessä satelliitin v nopeus kasvaa: satelliitin liike-energia kasvaa potentiaalienergian nopean vähenemisen vuoksi.

Toinen voima, joka muuttaa satelliitin kiertoradan muotoa, on auringon säteilyn paine eli valon ja korpuskulaariset virtaukset (aurinkotuuli). Tällä voimalla ei käytännössä ole vaikutusta pieniin satelliitteihin, mutta Pageosin kaltaisille satelliiteille se on erittäin merkittävä. Laukaisussa Pageosilla oli pyöreä kiertorata, mutta kaksi vuotta myöhemmin siitä tuli hyvin pitkänomainen elliptinen muoto.

Satelliitin liikkeeseen vaikuttaa myös Maan magneettikenttä, sillä satelliitti voi saada jonkin verran sähkövarausta ja sen liikkuessa magneettikentässä pitäisi tapahtua muutoksia liikeradassa.

Kaikki nämä voimat ovat kuitenkin häiritseviä. Päävoima, joka pitää satelliitin kiertoradalla, on painovoima. Ja tässä kohtaamme joitain erikoisuuksia. Tiedämme, että aksiaalisen pyörimisen seurauksena Maan muoto poikkeaa pallomaisesta ja että maan painovoima ei ole suunnattu tarkalleen Maan keskustaa kohti. Tämä ei vaikuta kovin kaukana oleviin esineisiin, mutta lähellä maata oleva satelliitti reagoi "päiväntasaajan pullistumiin" lähellä maata. Sen kiertoradan taso pyörii hitaasti mutta melko säännöllisesti Maan pyörimisakselin ympäri. Ilmiö näkyy selvästi viikon aikana tehdyistä havainnoista. Kaikki nämä kiertoradan muutokset ovat tieteellisesti erittäin kiinnostavia, ja siksi keinotekoisten satelliittien liikkeistä tehdään systemaattisia havaintoja.

Kuten tiedät, geostationaariset satelliitit roikkuvat liikkumattomina maan päällä saman pisteen päällä. Mikseivät pudota? Tuolla korkeudella ei ole painovoimaa?

Vastaus

Gestationaarinen keinotekoinen maasatelliitti on laite, joka liikkuu planeetan ympäri itäsuunnassa (samaan suuntaan kuin itse maapallo pyörii), pyöreällä ekvatoriaalisella kiertoradalla, jonka kierrosjakso on yhtä suuri kuin Maan oman pyörimisjakso.

Näin ollen, jos katsomme maasta geostationaariseen satelliittiin, näemme sen roikkuvan liikkumattomana samassa paikassa. Tämän liikkumattomuuden ja noin 36 000 kilometrin korkeuden vuoksi, josta näkyy lähes puolet maan pinnasta, televisio-, radio- ja viestintäsatelliitit sijoitetaan geostationaariselle kiertoradalle.

Siitä tosiasiasta, että geostationaarinen satelliitti roikkuu jatkuvasti saman pisteen päällä maan pinnalla, jotkut tekevät virheellisen johtopäätöksen, että geostationaariseen satelliittiin ei vaikuta maan suuntaan kohdistuva painovoima, että painovoima katoaa tietyllä etäisyydellä maasta. Maa, eli ne kumoavat aivan Newtonin. Tämä ei tietenkään ole totta. Satelliittien laukaisu geostationaariselle kiertoradalle lasketaan tarkasti Newtonin yleisen gravitaatiolain mukaan.

Geostationaariset satelliitit, kuten kaikki muut satelliitit, putoavat itse asiassa maan päälle, mutta eivät saavuta sen pintaa. Niihin vaikuttaa sen keskustaan ​​suunnattu vetovoima (gravitaatiovoima) ja vastakkaiseen suuntaan Maata hylkivä keskipakovoima (hitausvoima) vaikuttaa satelliittiin, jotka tasapainottavat toisiaan - satelliitti ei lennä pois maasta eikä putoa sen päälle aivan kuten köyteen kierretty ämpäri jää sen kiertoradalle.

Jos satelliitti ei liikkuisi ollenkaan, se putoaisi maan päälle painovoiman vaikutuksesta sitä kohti, mutta satelliitit liikkuvat, mukaan lukien geostationaariset (geostaationaariset - kulmanopeudella, joka on yhtä suuri kuin Maan pyörimisen kulmanopeus, eli yksi kierros). vuorokaudessa, ja alemmilla kiertoradoilla olevilla satelliiteilla on suurempi kulmanopeus, eli ne onnistuvat tekemään useita kierroksia Maan ympäri päivässä). Satelliitille Maan pinnan suuntainen lineaarinen nopeus suorassa kiertoradalle asettamisessa on suhteellisen suuri (matalalla Maan kiertoradalla - 8 kilometriä sekunnissa, geostationaarisella kiertoradalla - 3 kilometriä sekunnissa). Jos Maata ei olisi, niin satelliitti lentää sellaisella nopeudella suorassa linjassa, mutta Maan läsnäolo pakottaa satelliitin putoamaan sen päälle painovoiman vaikutuksesta, taivuttamalla lentorataa kohti Maata, mutta maan pintaa. Maa ei ole litteä, se on kaareva. Niin pitkälle kuin satelliitti lähestyy maan pintaa, maan pinta siirtyy pois satelliitin alta ja siten satelliitti on jatkuvasti samalla korkeudella liikkuen suljettua lentorataa pitkin. Satelliitti putoaa koko ajan, mutta ei voi pudota.

Joten kaikki keinotekoiset Maan satelliitit putoavat maahan, mutta suljettua lentorataa pitkin. Satelliitit ovat painottomuuden tilassa, kuten kaikki putoavat ruumiit (jos pilvenpiirtäjässä oleva hissi hajoaa ja alkaa pudota vapaasti, myös sisällä olevat ihmiset ovat painottomassa tilassa). ISS:n sisällä olevat astronautit eivät ole painottomuudessa siksi, että Maahan kohdistuva painovoima ei vaikuttaisi kiertoradalla (se on melkein sama kuin maan pinnalla), vaan siksi, että ISS putoaa vapaasti maan päälle - pitkin suljettu ympyrärata.

Mikä on geostationaarinen kiertorata? Tämä on pyöreä kenttä, joka sijaitsee Maan päiväntasaajan yläpuolella, jota pitkin keinotekoinen satelliitti pyörii planeetan pyörimiskulmanopeudella akselinsa ympäri. Se ei muuta suuntaaan vaakakoordinaatistossa, vaan roikkuu liikkumattomana taivaalla. Geostationary Earth Orbit (GEO) on eräänlainen geosynkroninen kenttä, ja sitä käytetään viestinnän, televisiolähetysten ja muiden satelliittien sijoittamiseen.

Ajatus keinotekoisten laitteiden käytöstä

Gestationaarisen kiertoradan käsitteen aloitti venäläinen keksijä K. E. Tsiolkovski. Teoksissaan hän ehdotti avaruuden asuttamista kiertorata-asemien avulla. Ulkomaiset tutkijat kuvailivat myös kosmisten kenttien työtä, esimerkiksi G. Oberth. Mies, joka kehitti käsitteen kiertoradan käytöstä viestintään, on Arthur C. Clarke. Vuonna 1945 hän julkaisi artikkelin Wireless World -lehdessä, jossa hän kuvaili geostationaarisen kentän etuja. Aktiivisesta työstään tällä alalla tiedemiehen kunniaksi kiertorata sai toisen nimensä - "Clark Belt". Monet teoreetikot ovat pohtineet korkealaatuisen viestinnän toteuttamisen ongelmaa. Niinpä Herman Potochnik vuonna 1928 ilmaisi ajatuksen siitä, kuinka geostationaarisia satelliitteja voitaisiin käyttää.

"Clark-vyön" ominaisuudet

Jotta kiertorataa voidaan kutsua geostationaariseksi, sen on täytettävä useita parametreja:

1. Geosynkronisuus. Tämä ominaisuus sisältää kentän, jolla on Maan pyörimisjaksoa vastaava jakso. Geosynkroninen satelliitti suorittaa kiertoradansa planeetan ympäri siderealisessa päivässä, joka on 23 tuntia, 56 minuuttia ja 4 sekuntia. Maa tarvitsee saman ajan yhden kierroksen suorittamiseen kiinteässä avaruudessa.

2. Satelliitin ylläpitämiseksi tietyssä pisteessä geostationaarisen kiertoradan on oltava ympyrän muotoinen, eikä sen kaltevuus ole nolla. Elliptinen kenttä johtaa siirtymään joko itään tai länteen, koska alus liikkuu eri tavalla kiertoradansa tietyissä kohdissa.

3. Avaruusmekanismin "viipymispisteen" on oltava päiväntasaajalla.

4. Satelliittien sijainnin geostationaarisella kiertoradalla tulee olla sellainen, että kommunikaatioon tarkoitettujen taajuuksien pieni määrä ei johda eri laitteiden taajuuksien päällekkäisyyteen vastaanoton ja lähetyksen aikana eikä niiden törmäystä.

5. Riittävä määrä polttoainetta tilamekanismin vakioasennon ylläpitämiseksi.

Satelliitin geostationaarinen kiertorata on ainutlaatuinen siinä mielessä, että vain sen parametreja yhdistämällä laite voi pysyä paikallaan. Toinen ominaisuus on kyky nähdä maapallo seitsemäntoista asteen kulmassa avaruuskentällä sijaitsevista satelliiteista. Jokainen laite vangitsee noin kolmanneksen kiertoradan pinnasta, joten kolme mekanismia pystyy peittämään lähes koko planeetan.

Keinotekoiset satelliitit

Monet maat ja yritykset ovat käynnistäneet satelliitteja. Maailman ensimmäinen keinotekoinen laite luotiin Neuvostoliitossa ja lensi avaruuteen 4. lokakuuta 1957. Se sai nimekseen Sputnik 1. Vuonna 1958 Yhdysvallat laukaisi toisen avaruusaluksen, Explorer 1:n. Ensimmäinen satelliitti, jonka NASA laukaisi vuonna 1964, sai nimekseen Syncom-3. Keinotekoiset laitteet ovat pääosin palautuskelvottomia, mutta on myös sellaisia, jotka palautetaan osittain tai kokonaan. Niitä käytetään tieteelliseen tutkimukseen ja erilaisten ongelmien ratkaisemiseen. Joten on olemassa sotilaallisia, tutkimus-, navigointi- ja muita satelliitteja. Myös yliopiston työntekijöiden tai radioamatöörien luomia laitteita lanseerataan.

"Seisomapiste"

Geostationaariset satelliitit sijaitsevat 35 786 kilometrin korkeudessa merenpinnan yläpuolella. Tämä korkeus tarjoaa kiertoradan, joka vastaa Maan pyörimisjaksoa tähtiin nähden. Keinotekoinen ajoneuvo on liikkumaton, joten sen sijaintia geostationaarisella kiertoradalla kutsutaan "seisontapisteeksi". Liikkuminen varmistaa jatkuvan pitkän aikavälin tiedonsiirron, kun antenni on suunnattu, se on aina suunnattu haluttuun satelliittiin.

Liike

Satelliitteja voidaan siirtää matalalta kiertoradalta geostationaariselle kiertoradalle geosiirtokenttien avulla. Jälkimmäiset ovat elliptisiä polkuja, joiden piste on matalalla ja huippu lähellä geostationaarista ympyrää. Jatkokäyttöön soveltumattomaksi tullut satelliitti lähetetään loppusijoitusradalle, joka sijaitsee 200-300 kilometriä GEO:n yläpuolella.

Geostationaarisen kiertoradan korkeus

Tietyllä kentällä oleva satelliitti pitää tietyn etäisyyden Maasta, ei lähesty eikä poistu. Se sijaitsee aina päiväntasaajan jonkin pisteen yläpuolella. Näistä piirteistä seuraa, että painovoimat ja keskipakovoimat tasapainottavat toisiaan. Gestationaarisen kiertoradan korkeus lasketaan klassiseen mekaniikkaan perustuvilla menetelmillä. Tässä tapauksessa gravitaatio- ja keskipakovoimien vastaavuus otetaan huomioon. Ensimmäisen suuren arvo määritetään Newtonin yleisen gravitaatiolain avulla. Keskipakovoiman ilmaisin lasketaan kertomalla satelliitin massa keskipakokiihtyvyydellä. Gravitaatio- ja inertiamassan yhtäläisyyden tulos on johtopäätös, että kiertoradan korkeus ei riipu satelliitin massasta. Siksi geostationaarisen kiertoradan määrää vain se korkeus, jossa keskipakovoima on suuruudeltaan yhtä suuri ja suunnaltaan vastakkainen Maan painovoiman tietyllä korkeudella luomaan gravitaatiovoimaan nähden.

Keskikiihtyvyyden laskentakaavasta löydät kulmanopeuden. Myös geostationaarisen kiertoradan säde määräytyy tällä kaavalla tai jakamalla geosentrinen gravitaatiovakio kulmanopeuden neliöllä. Sen pituus on 42 164 kilometriä. Kun otetaan huomioon maan päiväntasaajan säde, saadaan korkeus, joka on 35 786 kilometriä.

Laskelmat voidaan suorittaa toisella tavalla, perustuen väitteeseen, että kiertoradan korkeus, joka on etäisyys Maan keskustasta, satelliitin kulmanopeuden ollessa sama kuin planeetan pyörimisliike, aiheuttaa lineaarisen nopeus, joka on yhtä suuri kuin ensimmäinen kosminen nopeus tietyllä korkeudella.

Nopeus geostationaarisella kiertoradalla. Pituus

Tämä indikaattori lasketaan kertomalla kulmanopeus kentän säteellä. Nopeuden arvo kiertoradalla on 3,07 kilometriä sekunnissa, mikä on paljon pienempi kuin ensimmäinen kosminen nopeus lähellä Maata. Nopeuden vähentämiseksi on tarpeen lisätä kiertoradan sädettä yli kuusi kertaa. Pituus lasketaan kertomalla luku Pi ja säde kahdella. Se on 264924 kilometriä. Indikaattori otetaan huomioon laskettaessa satelliittien "seisontapisteitä".

Voimien vaikutus

Radan parametrit, jota pitkin keinotekoinen mekanismi pyörii, voivat muuttua painovoimaisten kuu-aurinkohäiriöiden, maapallon kentän epähomogeenisuuden ja päiväntasaajan elliptisyyden vaikutuksesta. Kentän muutos ilmaistaan ​​sellaisina ilmiöinä kuin:

1. Satelliitin siirtyminen asemastaan ​​kiertoradalla kohti vakaan tasapainon pisteitä, joita kutsutaan geostationaarisen kiertoradan potentiaalisiksi aukoksi.
2. Kentän kaltevuuskulma päiväntasaajaan kasvaa tietyllä nopeudella ja saavuttaa 15 astetta kerran 26 vuodessa ja 5 kuukaudessa.

Satelliitin pitämiseksi halutussa "seisomapisteessä" se on varustettu propulsiojärjestelmällä, joka kytketään päälle useita kertoja 10-15 päivän välein. Siten kiertoradan kaltevuuden kasvun kompensoimiseksi käytetään "pohjoinen-etelä" -korjausta ja kentän pitkin kulkeuman kompensoimiseksi "länsi-itä" -korjausta. Satelliitin kulkureitin säätelemiseksi koko sen elinkaaren ajan aluksella tarvitaan runsaasti polttoainetta.

Propulsiojärjestelmät

Laitteen valinta määräytyy satelliitin yksittäisten teknisten ominaisuuksien mukaan. Esimerkiksi kemiallisessa rakettimoottorissa on iskutilavuuspolttoaineen syöttö ja se toimii pitkään varastoituilla korkealla kiehuvilla komponenteilla (dityppitetroksidi, epäsymmetrinen dimetyylihydratsiini). Plasmalaitteiden työntövoima on huomattavasti pienempi, mutta pitkäkestoisen toiminnan ansiosta, joka mitataan kymmenissä minuuteissa yhdestä liikkeestä, ne voivat vähentää merkittävästi aluksella kulutetun polttoaineen määrää. Tämän tyyppistä propulsiojärjestelmää käytetään satelliitin ohjaamiseen toiseen kiertoradan asentoon. Pääasiallinen laitteen käyttöikää rajoittava tekijä on polttoaineen syöttö geostationaarisella kiertoradalla.

Keinotekoisen kentän haitat

Merkittävä haitta vuorovaikutuksessa geostationaaristen satelliittien kanssa on suuret viiveet signaalin etenemisessä. Siten valon nopeudella 300 tuhatta kilometriä sekunnissa ja kiertoradan korkeudella 35 786 kilometriä maa-satelliittikeilan liike kestää noin 0,12 sekuntia ja maa-satelliitti-Maa -säteen 0,24 sekuntia. Kun otetaan huomioon signaaliviive maanpäällisten palvelujen laitteissa ja kaapelilähetysjärjestelmissä, "lähde-satelliitti-vastaanotin"-signaalin kokonaisviive on noin 2-4 sekuntia. Tämä indikaattori vaikeuttaa merkittävästi kiertoradalla olevien laitteiden käyttöä puhelintoiminnassa ja tekee satelliittiviestinnän käyttämisen mahdottomaksi reaaliaikaisissa järjestelmissä.

Toinen haittapuoli on geostationaarisen kiertoradan näkymätön korkeilta leveysasteilta, mikä häiritsee viestintää ja televisiolähetyksiä arktisilla ja Etelämantereen alueilla. Tilanteissa, joissa aurinko ja lähettävä satelliitti ovat linjassa vastaanottavan antennin kanssa, signaali heikkenee ja joskus kokonaan puuttuu. Gestationaarisilla kiertoradoilla tämä ilmiö ilmenee satelliitin liikkumattomuudesta johtuen erityisen selvästi.

Doppler-ilmiö

Tämä ilmiö koostuu sähkömagneettisten värähtelyjen taajuuksien muutoksesta lähettimen ja vastaanottimen keskinäisen liikkeen myötä. Ilmiö ilmaistaan ​​etäisyyden muutoksena ajan myötä sekä keinotekoisten ajoneuvojen liikkeellä kiertoradalla. Vaikutus ilmenee satelliitin kantoaaltotaajuuden alhaisena stabiilisuutena, joka lisää laitteiston sisäisen toistimen ja maa-aseman taajuuden epävakautta, mikä vaikeuttaa signaalien vastaanottoa. Doppler-ilmiö myötävaikuttaa moduloivien värähtelyjen taajuuden muutokseen, jota ei voida hallita. Siinä tapauksessa, että kiertoradalla käytetään viestintäsatelliitteja ja suoraa televisiolähetystä, tämä ilmiö on käytännössä eliminoitu, eli signaalitasossa ei tapahdu muutoksia vastaanottopisteessä.

Suhtautuminen geostationaarisiin kenttiin maailmassa

Avaruusradan synty on aiheuttanut monia kysymyksiä ja kansainvälisiä oikeudellisia ongelmia. Useat komiteat, erityisesti Yhdistyneet Kansakunnat, ovat mukana niiden päätöslauselmassa. Jotkut päiväntasaajalla sijaitsevat maat vaativat suvereniteettinsa laajentamista alueensa yläpuolella olevaan avaruuskentän osaan. Osavaltiot totesivat, että geostationaarinen kiertorata on fyysinen tekijä, joka liittyy planeetan olemassaoloon ja riippuu Maan gravitaatiokentästä, joten kenttäsegmentit ovat maidensa alueen jatke. Mutta tällaiset väitteet hylättiin, koska maailmalla on periaate ulkoavaruuden omaksumatta jättämisestä. Kaikki kiertoradan ja satelliittien toimintaan liittyvät ongelmat ratkaistaan ​​maailmanlaajuisesti.