Яка сила утримує супутник. Чому супутники не сходять з орбіти? Недосконале гравітаційне поле Землі

Може здатися, що супутники на орбіті Землі - це найпростіше, звичне і рідне, що є в цьому світі. Зрештою, Місяць висить на небі вже більше чотирьох мільярдів років і в її рухах немає нічого надприродного. Але якщо ми самі запускаємо супутники на орбіту Землі, вони тримаються там всього кілька або десятки років, а після повторно входять в атмосферу і або згорають, або падають в океан і на землю.

Більш того, якщо поглянути на природні супутники на інших планетах, всі вони тримаються значно довше, ніж антропогенні супутники, які обертаються навколо Землі. Міжнародна космічна станція (МКС), наприклад, обертається навколо Землі кожні 90 хвилин, в той час як нашої Місяці потрібно близько місяця на це. Навіть супутники, які знаходяться близько до своїх планетами - начебто 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 ніяких заходів, буде на своїй орбіті менше 20 років. Та ж доля справедлива практично для всіх супутників, присутніх на низькій навколоземній орбіті: до часу, коли нагряне наступне століття, майже всі нинішні супутники увійдуть в атмосферу Землі і згорять. Найбільші (на кшталт МКС зі своєю 431 тонною ваги) впадуть у вигляді великих уламків на сушу і в воду.

Чому так відбувається? Чому цим супутникам плювати на закони Ейнштейна, Ньютона і Кеплера і чому вони не хочуть дотримуватися стабільну орбіту постійно? Виявляється, є ряд чинників, що викликають цю орбітальну метушню.

Це, мабуть, найважливіший ефект, який також є причиною того, чому супутники на низькій навколоземній орбіті нестабільні. Інші супутники - на кшталт геостаціонарних супутників - теж сходять з орбіти, але не так швидко. Ми звикли вважати «космосом» все, що знаходиться вище 100 кілометрів: вище лінії Кармана. Але будь-яке визначення кордону космосу, де починається космос і закінчується атмосфера планети, буде притягнутим за вуха. В реальності частки атмосфери простягаються далеко і високо, просто щільність їх стає все менше і менше. В кінцевому рахунку щільність падає - нижче мікрограма на кубічний сантиметр, потім нанограмма, 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 на низькій навколоземній орбіти нестабільні.

Частинки сонячного вітру

Сонце постійно випускає потік високоенергетичних частинок, здебільшого протонів, але є також електрони і ядра гелію, які стикаються з усім, що зустрінуть. Ці зіткнення, в свою чергу, змінюють імпульс супутників, з якими стикаються, 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 і атмосферний опір.

Недосконале гравітаційне поле Землі

Якби у Землі не було атмосфери, як у Меркурія або Місяця, змогли б наші супутники залишатися на орбіті завжди? Ні, навіть якби ми прибрали сонячний вітер. Це тому, що Земля - \u200b\u200bяк і всі планети - не є точковою масою, а скоріше структурою з непостійним гравітаційним полем. Це поле і зміни в міру того, як супутники обертаються навколо планети, виливаються в дію приливних сил на них. І чим ближче супутник до Землі, тим більше вплив цих сил.

Гравітаційний вплив решти Сонячної системи

Очевидно, Земля не є повністю ізольованою системою, в якій єдина гравітаційна сила, яка впливає на супутники, народжується на самій Землі. Ні, Місяць, Сонце і всі інші планети, комети, астероїди і інше вносять вклад у вигляді гравітаційних сил, які розштовхують орбіти. Навіть якби Земля була б ідеальною точкою - скажімо, стиснулася б в невращающейся чорну діру - 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, а й ця система не була б ідеально стабільною; орбіти супутників в кінцевому рахунку порушувалися б.

релятивістські ефекти

Закони Ньютона - і кеплерових орбіт - це не єдине, що визначає рух небесних тіл. Та ж сила, яка змушує орбіту Меркурія прецессировать 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 кшталт тих, що ми знайшли в Сонячній системі) і для великих відстаней: потрібно 10 150 років, щоб Земля по спіралі спустилася до Сонця, а ступінь порушення орбіт навколоземних супутників в сотні тисяч разів менше цього . Але ця сила присутня і є неминучим наслідком загальної теорії відносності, ефективно проявляючись 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. Найближча до Марсу місяць Фобос, наприклад, приречена бути розірваною приливними силами і по спіралі спуститися в атмосферу Червоної планети. Незважаючи на наявність атмосфери, яка становить всього 1/140 земної, атмосфера Марса велика і дифузна, і, крім того, Марс не має захисту від сонячного вітру (на відміну від Землі з її магнітним полем). Тому через десятки мільйонів років Фобос все. Може здатися, що це станеться не скоро, але це ж менше 1% від того часу, яке Сонячна система вже існує.

Але найближчим супутником Юпітера не є Іо: це Метис, по міфології перша дружина Зевса. Ближче Іо є чотири невеликих супутники, з яких Метис найближче - всього в 0,8 радіуса Юпітера від атмосфери планети. У випадку з Юпітером за порушення орбіт відповідають не атмосферні сили і не сонячний вітер; з орбітальної полуосью в 128 000 км, Метис 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 Шумейкер - Леві 9 і її зіткнення з Юпітером в 1994 році, після того як вона була повністю розірвана приливними силами. Така доля всіх супутників, які по спіралі йдуть до свого рідного світу.

Поєднання всіх цих факторів робить будь-який супутник фундаментально нестабільним. З огляду на достатній час і відсутність інших стабілізуючих ефектів, порушуватися будуть абсолютно всі орбіти. Зрештою, все орбіти нестабільні, але деякі - нестабільнішою інших.

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

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

Цьому поняттю - про те, як вивести об'єкт «в атмосферу і за її межі» - довелося чекати до тих пір, поки Ісаак Ньютон Неопубліковані свій знаменитий уявний експеримент з гарматним ядром в 1729 році. Виглядає він приблизно так:

«Уявіть, що ви помістили гармату на вершину гори і вистрілили з неї горизонтально. Гарматне ядро \u200b\u200bбуде подорожувати паралельно поверхні Землі деякий час, але в кінцевому рахунку поступиться силі тяжіння і впаде на Землю. Тепер уявіть, що ви продовжуєте додавати порох в пушку. З додатковими вибухами ядро \u200b\u200bбуде подорожувати далі і далі, поки не впаде. Додайте потрібну кількість пороху і надайте ядру правильне прискорення, і воно буде постійно летіти 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 і численні запуски об'єктів, яким призначалась літати навколо Землі та інших планет Сонячної системи. З моменту запуску «Супутника» деякі країни, здебільшого США, Росія і Китай, запустили більше 3000 супутників в космос. Деякі з цих зробленими людьми об'єктів, наприклад МКС, великі. Інші відмінно вміщаються в невеликому скриньці. Завдяки супутникам ми отримуємо прогнози погоди, дивимося телевізор, сидимо в Інтернеті і телефонуємо. Навіть ті супутники, роботу яких ми не відчуваємо і не бачимо, відмінно служать на користь військових.

Звичайно, запуск і експлуатація супутників привели до проблем. Сьогодні, враховуючи понад 1000 робочих супутників на земній орбіті, наш найближчий космічний район став жвавіше, ніж велике місто в годину пік. Приплюсуйте до цього неробочий обладнання, занедбані супутники, частини апаратного забезпечення і фрагменти від вибухів або зіткнень, які наповнюють небеса разом з корисним обладнанням. Цей орбітальний сміття, про який ми, накопичувався протягом багатьох років і представляє серйозну загрозу для супутників, 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 його очі, щоб побачити види нашої планети, про які Сократ і Ньютон не могли і мріяти. Але спочатку давайте докладніше розберемося, чому, власне, супутник відрізняється від інших небесних об'єктів.

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

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

Супутники бувають самих різних форм і розмірів і виконують найрізноманітніші завдання.

• Метеорологічні супутники допомагають метеорологам прогнозувати погоду або бачити, що відбувається з нею в даний момент. Геостаціонарний експлуатаційний екологічний супутник (GOES) представляє хороший приклад. Ці супутники зазвичай включають камери, які демонструють погоду Землі.
• Супутники зв'язку дозволяють телефонних розмов ретранслюватись через супутник. Найбільш важливою особливістю супутника зв'язку є транспондер - радіо, яке отримує розмову на одній частоті, а після підсилює його і передає назад на Землю на іншій частоті. Супутник зазвичай містить сотні або тисячі транспондерів. Супутники зв'язку, як правило, геосинхронной (про це пізніше).
• Телевізійні супутники передають телевізійні сигнали з однієї точки в іншу (за аналогією з супутниками зв'язку).
• Наукові супутники, як колись космічний телескоп Хаббла, виконують всі види наукових місій. Вони спостерігають за всім - від сонячних плям до гамма-променів.
• Навігаційні супутники допомагають літати літакам і плавати кораблям. GPS NAVSTAR і 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 знаходяться на орбіті, але більша частина їх роботи залишається таємницею. Вони можуть ретранслювати зашифровані повідомлення, здійснювати спостереження за ядерною зброєю, пересуваннями противника, попереджати про запуски ракет, прослуховувати сухопутне радіо, здійснювати радіолокаційну зйомку і картографування.

Коли були винайдені 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 в діаметрі, важив 83 кілограмів і був виконаний у формі кульки. Хоча це було чудове досягнення, утримання «Супутника» було мізерним за сьогоднішніми мірками:

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

На зовнішній стороні «Супутника» чотири штирові антени передавали на короткохвильового частоті вище і нижче нинішнього стандарту (27 МГц). Станції спостереження на Землі зловили радіосигнал і підтвердили, що крихітний супутник пережив запуск і успішно вийшов на курс навколо нашої планети. Місяцем пізніше Радянський Союз запустив на орбіту «Супутник-2». Усередині капсули була собака Лайка.

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

Натхнені цими успіхами, деякі компанії почали розробляти і запускати супутники в 60-х роках. Однією з них була Hughes Aircraft разом із зоряним 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 в інше. У 1961 році NASA уклало контракт з Hughes, щоб побудувати серію супутників Syncom (синхронна зв'язок). У 1963 року Розен і його колеги побачили, як Syncom-2 злетів у космос і вийшов на грубу геосинхронну орбіту. Президент Кеннеді використовував нову систему, щоб поговорити з прем'єр-міністром Нігерії в Африці. Незабаром злетів і Syncom-3, який насправді міг транслювати телевізійний сигнал.

Епоха супутників почалася.

Яка різниця між супутником і космічним сміттям?

Техногенні об'єкти, на кшталт «Супутника» і Explorer, також можна класифікувати як супутники, оскільки вони, як і місяця, обертаються навколо планети. На жаль, людська активність призвела до того, що на орбіті Землі опинилася величезна кількість сміття. Всі ці шматки і уламки поводяться як і великі ракети - обертаються навколо планети на високій швидкості по круговому або еліптичному шляху. У строгому тлумаченні визначення можна кожен такий об'єкт визначити як супутник. Але астрономи, як правило, вважають супутниками ті об'єкти, які виконують корисну функцію. Уламки металу і інший непотріб потрапляють в категорію орбітального сміття.

Орбітальний сміття надходить з багатьох джерел:

• Вибух ракети, який виробляє найбільше непотребу.
• Астронавт розслабив руку - якщо астронавт ремонтує щось в космосі і упускає гайковий ключ, той втрачений назавжди. Ключ виходить на орбіту і летить зі швидкістю близько 10 км / с. Якщо він потрапить в людини або в супутник, результати можуть бути катастрофічними. Великі об'єкти, на кшталт МКС, являють собою велику мету для космічного сміття.
• Викинуті предмети. Частини пускових контейнерів, шапки об'єктивів камер і так далі.

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

Що всередині звичайного супутника?

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

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

Як і слід було очікувати, зібрати всі ці системи воєдино - непросте завдання. Вона займає роки. Все починається з визначення мети місії. Визначення її параметрів дозволяє інженерам зібрати потрібні інструменти і встановити їх в правильному порядку. Як тільки специфікація затверджена (і бюджет), починається збірка супутника. Вона відбувається в чистій кімнаті, в стерильному середовищі, що дозволяє підтримувати потрібну температуру і вологість і захищати супутник під час розробки і збірки.

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

Як супутники запускаються на орбіту?

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

Після того як ракета виходить в 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 в відстані між ракетою і супутником.

Орбітальна швидкість і висота

Ракета повинна набрати швидкість в 40 320 кілометрів на годину, щоб повністю втекти від земної гравітації і полетіти в космос. Космічна швидкість куди більше, ніж потрібно супутнику на орбіті. Вони не уникають земної гравітації, а знаходяться в стані балансу. Орбітальна швидкість - це швидкість, необхідна для підтримки балансу між гравітаційним притяганням і інерціальним рухом супутника. Це приблизно 27 359 кілометрів на годину на висоті 242 кілометри. Без гравітації інерція забрала б супутник в космос. Навіть з гравітацією, якщо супутник буде рухатися занадто швидко, його віднесе в космос. Якщо супутник буде рухатися занадто повільно, гравітація притягне його назад до Землі.

Орбітальна швидкість супутника залежить від його висоти над Землею. Чим ближче до Землі, тим швидше швидкість. На висоті в 200 кілометрів орбітальна швидкість складає 27 400 кілометрів на годину. Для підтримки орбіти на висоті 35 786 кілометрів супутник повинен звертатися зі швидкість 11 300 кілометрів на годину. Ця орбітальна швидкість дозволяє супутнику робити один обліт о 24 годині. Оскільки Земля також обертається 24 години, супутник на висоті в 35 786 кілометрів знаходиться у фіксованій позиції щодо поверхні Землі. Ця позиція називається геостаціонарній. Геостаціонарна орбіта ідеально підходить для метеорологічних супутників і супутників зв'язку.

В цілому, чим вище орбіта, тим довше супутник може залишатися на ній. На низькій висоті супутник знаходиться в земній атмосфері, яка створює опір. На великій висоті немає практично ніякого опору, і супутник, як місяць, може перебувати на орбіті століттями.

типи супутників

Полярно-орбітальні супутники також проходять через полюси з кожним оборотом, хоча їх орбіти менш еліптичні. Полярні орбіти залишаються фіксованими в космосі, в той час як обертається Земля. В результаті, велика частина Землі проходить під супутником на полярній орбіті. Оскільки полярні орбіти дають прекрасний охоплення планети, вони використовуються для картографування і фотографії. Синоптики також покладаються на глобальну мережу полярних супутників, які облітають наш куля за 12 годин.

Можна також класифікувати супутники по їх висоті над земною поверхнею. Виходячи з цієї схеми, є три категорії:

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

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

відомі супутники

Однак є справжні герої орбіти. Давайте з ними познайомимося.

1. Супутники Landsat фотографують Землю з початку 1970-х років, і по частині 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 і багатоспектральну сканер, створений Hughes Aircraft Company і здатний записувати дані в зеленому, червоному і двох інфрачервоних спектрах. Супутник робив настільки шикарні зображення і вважався настільки успішним, що за ним пішла ціла серія. NASA запустило останній Landsat-8 в лютому 2013 року. На цьому апараті полетіли два спостерігають за Землею датчика, 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 і виявляти зміни погодних умов, які можуть привести до торнадо, ураганів, повеней і грозовим штормів. Також супутники використовуються для оцінки сум опадів і накопичення снігів, вимірювання ступеня снігового покриву і відстеження пересувань морського і озерного льоду. З 1974 року на орбіту було виведено 15 супутників GOES, але одночасно за погодою спостерігають тільки два супутника GOES «Захід» і GOES «Схід».
3. Jason-1 і Jason-2 зіграли ключову роль в довгостроковому аналізі океанів Землі. NASA запустило Jason-1 в грудні 2001 року, щоб замінити їм супутник NASA / CNES Topex / Poseidon, який працював над Землею з 1992 року. Протягом майже тринадцяти років Jason-1 вимірював рівень моря, швидкість вітру і висоту хвиль понад 95% вільних від льоду земних океанів. NASA офіційно списало Jason -1 3 липня 2013 року. У 2008 році на орбіту вийшов Jason-2. Він ніс високоточні інструменти, що дозволяють вимірювати дистанцію від супутника до поверхні океану з точністю в кілька сантиметрів. Ці дані, крім цінності для океанологів, надають широкий погляд на поведінку світових кліматичних патернів.

Скільки коштують супутники?

Будівництво такої складної машини вимагає маси ресурсів, тому історично тільки урядові відомства і корпорації з глибокими кишенями могли увійти в супутниковий бізнес. Велика частина вартості супутника лежить в 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 пропускну смугу супутника так само, як власники телефонів платять за стільниковий зв'язок. Обходиться іноді це більш ніж в 1,5 мільйона доларів на рік.

Іншим важливим фактором є вартість запуску. Запуск одного супутника в космос може обійтися від 10 до 400 мільйонів доларів, в залежності від апарату. Ракета Pegasus XL може підняти 443 кілограми на низьку навколоземну орбіту за 13,5 мільйона доларів. Запуск важкого супутника потребують більшої підйомної сили. Ракета Ariane 5G може вивести на низьку орбіту 18 000-кілограмовий супутник за 165 мільйонів доларів.

Незважаючи на витрати і ризики, пов'язані з будівництвом, запуском і 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 на більш ніж сім років, що принесло їй майже 32 мільярди доларів доходу.

майбутнє супутників

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

У квітня 2013 року NASA вирішила перевірити цей простий принцип і три CubeSat на базі комерційних смартфонів. Мета 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 бути в змозі ефективно спілкуватися з наземними станціями. Історично склалося так, що NASA належало на радіочастотну 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) і отримали рекордну швидкість передачі в 622 мегабіт в секунду.

Для виведення супутника на навколоземну орбіту треба надати йому початкову швидкість, рівну першої космічної швидкості або кілька перевищує останню. Це відбувається не відразу, а поступово. Несуча супутник багатоступенева ракета плавно набирає швидкість. Коли швидкість її польоту досягне розрахункового значення, супутник відділяється від ракети і починає свій вільний рух по орбіті. Від доданої йому початкової швидкості і її напрямки залежить форма орбіти: її розміри і ексцентриситет.

Якби не було опору середовища і обурюють притягання Місяця і Сонця, а Земля мала б кульову форму, то орбіта супутника не змінювалася б ніяких змінити, а сам супутник рухався б по ній вічно. Однак насправді орбіта кожного супутника змінюється під дією різних причин.

Головна сила, що змінює орбіту супутника, - це гальмування, що виникає внаслідок опору розрідженій середовища, крізь яку пролітає супутник. Подивимося, як вона впливає на його рух. Так як орбіта супутника зазвичай еліптична, то його відстань від Землі періодично змінюється. Він знижується до перигей і досягає максимального видалення в апогеї. Щільність земної атмосфери швидко зменшується в міру збільшення висоти, і тому супутник зустрічає найбільший опір поблизу перигею. Витративши частину кінетичної енергії на подолання цього, хоч і невеликого, опору, супутник вже не може піднятися на колишню висоту, і його апогей поступово знижується. Зниження перигею теж відбувається, але набагато повільніше, ніж зниження апогею. Таким чином, поступово зменшуються розміри орбіти і її ексцентриситет: еліптична орбіта наближається до кругової. Супутник рухається навколо Землі по повільно згортається спіралі і врешті-решт закінчує своє існування в щільних шарах земної атмосфери, розігріваючи і випаровуючись подібно метеорного тіла. При великих розмірах він може долетіти і до поверхні Землі.

Цікаво відзначити, що гальмування супутника не применшує його швидкості, а навпаки, збільшує її. Зробимо прості обчислення.

З третього закону Кеплера випливає, що

де С - постійна, М - маса Землі, m - маса супутника, Р - період його звернення і а - велика піввісь орбіти. Пренебре-

гаю масою супутника в порівнянні з масою Землі отримаємо

Приймемо для простоти розрахунків орбіту супутника за кругову. Рухаючись з постійною швидкістю υ, супутник за повний оборот проходить по орбіті відстань υ Р \u003d 2 πа, звідки Р \u003d 2πa / υ. Підставивши це значення Р в формулу (9.1) і виконавши перетворення, знайдемо

Отже, зі зменшенням розмірів орбіти а швидкість супутника v зростає: кінетична енергія супутника зростає за рахунок швидкого зменшення потенційної енергії.

Друга сила, що змінює форму орбіти супутника, - це тиск сонячного випромінювання, т. Е. Світла і корпускулярних потоків (сонячного вітру). На супутники малих розмірів ця сила практично не впливає, але для таких супутників, як «Пагеос», вона дуже істотна. При запуску «Пагеос» мав кругову орбіту, а через два роки вона стала дуже витягнутій еліптичній.

На рух супутника впливає також і магнітне поле Землі, так як супутник може придбати певний електричний заряд і при його русі в магнітному полі повинні виникнути зміни в траєкторії.

Однак всі ці сили є возмущающими. Головна ж сила, що утримує супутник на його орбіті, - сила земного тяжіння. І тут ми зустрічаємося з деякими особливостями. Ми знаємо, що в результаті осьового обертання фігура Землі відрізняється від кульової і що земне тяжіння не спрямоване точно до центру Землі. На дуже далеких об'єктах це не позначається, але знаходиться поблизу від Землі супутник реагує на наявність у Землі «екваторіальних здуття». Площина його орбіти повільно, але цілком регулярно повертається навколо осі обертання Землі. Таке явище добре помітно з спостережень, проведених протягом одного тижня. Всі ці зміни орбіт представляють великий науковий інтерес, і тому за рухом штучних супутників проводяться систематичні спостереження.

Як відомо, геостаціонарні супутники висять нерухомо над землею над однією і тією ж точкою. Чому вони не падають? На тій висоті не діє сила тяжіння?

відповідь

Геостаціонарний штучний супутник Землі являє собою апарат, який рухається навколо планети в східному напрямку (в тому ж, в якому обертається сама Земля), по круговій екваторіальній орбіті з періодом обертання, що дорівнює періоду власного обертання Землі.

Таким чином, якщо дивитися з Землі на геостаціонарній супутник, ми будемо бачити його нерухомо висить на одному і тому ж місці. Через цю нерухомості і великої висоти близько 36 000 км, з якої видно майже половина поверхні Землі, на геостаціонарну орбіту виводять супутники-ретранслятори для телебачення, радіо і комунікацій.

З того, що геостаціонарній супутник висить постійно над однією і тією ж точкою поверхні Землі, деякі роблять неправильний висновок, що на геостаціонарній супутник не діє сила тяжіння до Землі, що сила тяжіння на певній відстані від Землі зникає, т. Е. Вони спростовують самого Ньютона. Звичайно це не так. Сам запуск супутників на геостаціонарну орбіту розраховується саме за законом всесвітнього тяжіння Ньютона.

Геостаціонарні супутники, як і всі інші супутники, насправді падають на Землю, але не досягають її поверхні. На них діє сила тяжіння до Землі (гравітаційна сила), спрямована до її центру, а в зворотному напрямку на супутник діє відразлива від Землі відцентрова сила (сила інерції), які врівноважують один одного - супутник не відлітає від Землі і не падає на неї точно так само, як відро, розкручувати на мотузці, залишається на своїй орбіті.

Якби супутник зовсім не рухався, то він впав би на Землю під дією тяжіння до неї, але супутники рухаються, в тому числі і геостаціонарні (геостаціонарні - з кутовою швидкістю рівною кутової швидкості обертання Землі, т. Е. Один оборот за добу, а у супутників нижчих орбіт кутова швидкість більше, т. е. за добу вони встигають зробити навколо Землі кілька оборотів). Лінійна швидкість, повідомляється супутнику паралельно поверхні Землі при безпосередньому виведенні на орбіту порівняно велика (на низькій навколоземній орбіті - 8 кілометрів на секунду, на геостаціонарній орбіті - 3 кілометри в секунду). Якби не було Землі, то супутник з такою швидкістю летів би по прямій, але наявність Землі змушує супутник падати на неї під дією сили тяжіння, викривляючи траєкторію у напрямку до Землі, але поверхня Землі не плоска, вона викривлена. На скільки супутник наближається до поверхні Землі, на стільки поверхню Землі йде з-під супутника і, таким чином, супутник постійно знаходиться на одній і тій же висоті, рухаючись по замкнутій траєкторії. Супутник весь час падає, але ніяк не може впасти.

Отже, всі штучні супутники Землі падають на Землю, але - по замкнутій траєкторії. Супутники знаходяться в стані невагомості, як всі падаючі тіла (якщо ліфт в хмарочосі зірветься і почне вільно падати, то люди всередині теж будуть знаходитися в стані невагомості). Космонавти всередині МКС знаходяться в невагомості не тому, що на орбіті не діє сила тяжіння до Землі (вона там майже така ж як і на поверхні Землі), а тому, що МКС вільно падає на Землю - по замкнутій кругової траєкторії.

Що собою являє геостаціонарна орбіта? Це круговий поле, яке розташувалося над екватором Землі, по ньому штучний супутник звертається з кутовий швидкістю обертання планети навколо осі. Він не змінює свій напрямок в горизонтальній системі координат, а нерухомо висить в небі. Геостаціонарна орбіта Землі (ДСО) являє собою різновид геосинхронной поля і застосовується для розміщення комунікаційних, телетрансляційних і 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, який розвинув концепцію використання орбіти для зв'язку, є Артур Кларк. Він в 1945 році помістив статтю в журналі «Wireless World», де описав переваги роботи геостационарного поля. За активну працю в даній області в честь вченого орбіта отримала свою другу назву - «пояс Кларка». Над проблемою здійснення якісного зв'язку думали багато теоретиків. Так, Герман Поточнік в 1928 році висловив думку про те, як можна застосовувати геостаціонарні супутники.

Характеристика «пояса Кларка»

Щоб орбіта була названа геостаціонарній, вона повинна відповідати ряду параметрів:

1. геосинхронной. До такої характеристиці відноситься поле, яке має період, який відповідає періоду обертання Землі. Геосинхронной супутник закінчує оборот навколо планети за сидеричний день, що дорівнює 23 годинам 56 хвилинам і 4 секундам. Водночас необхідно Землі для виконання одного обороту в фіксованому просторі.

2. Для підтримки супутника на певній точці геостаціонарна орбіта повинна бути круговою, з нульовим нахилом. Еліптичне поле призведе до зміщення або на схід, або на захід, так як апарат рухається в певних точках орбіти по-різному.

3. «Точка зависання» космічного механізму повинна знаходитися на екваторі.

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

5. Достатня кількість палива для підтримки постійного положення космічного механізму.

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

штучні супутники

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

«Точка стояння»

Геостаціонарні супутники розташовуються на висоті 35786 кілометрів над рівнем моря. Така висота забезпечує період обертання, який відповідає періоду циркуляції Землі по відношенню до зірок. Штучний апарат нерухомий, тому його місце розташування на геостаціонарній орбіті називається «точкою стояння». Звісно забезпечує постійну тривалу зв'язок, одного разу зорієнтована антена завжди буде спрямована на потрібний супутник.

пересування

Супутники можна переводити з нізковисотние орбіти на геостаціонарну за допомогою геоперехідну полів. Останні являють собою еліптичний шлях з точкою на низькій висоті і піком на висоті, яка близька до геостаціонарної колі. Супутник, який став непридатним для подальшої роботи, відправляється на орбіту поховання, розташовану на 200-300 кілометрів вище ДСО.

Висота геостаціонарної орбіти

Супутник на даному полі тримається на певній відстані від Землі, не наближаючись і не віддаляючись. Він завжди знаходиться над якою-небудь точкою екватора. Виходячи з даних особливостей випливає висновок, що сили гравітації і відцентрова сила врівноважують один одного. Висота геостаціонарної орбіти розраховується методами, в основі яких лежить класична механіка. При цьому враховується відповідність гравітаційних і відцентрових сил. Значення першої величини визначається за допомогою закону всесвітнього тяжіння Ньютона. Показник відцентрової сили розраховується шляхом добутку маси супутника на доцентровийприскорення. Підсумком рівності гравітаційної та інертної маси є висновок про те, що висота орбіти не залежить від маси супутника. Тому геостаціонарна орбіта визначається тільки висотою, при якій відцентрова сила дорівнює по модулю і протилежна за напрямком гравітаційній силі, яка створюється тяжінням Землі на даній висоті.

З формули розрахунку центростремительного прискорення можна знайти кутову швидкість. Радіус геостаціонарної орбіти визначається також за цією формулою або шляхом ділення геоцентрической гравітаційної постійної на кутову швидкість в квадраті. Він становить 42164 кілометра. З огляду на екваторіальний радіус Землі, отримуємо висоту, рівну 35786 кілометрів.

Обчислення можна провести іншим шляхом, грунтуючись на твердженні, що висота орбіти, що представляє собою видалення від центру Землі, з кутовою швидкістю супутника, що збігається з рухом обертання планети, народжує лінійну швидкість, яка дорівнює першій космічній на даній висоті.

Швидкість на геостаціонарній орбіті. довжина

Даний показник розраховується шляхом множення кутової швидкості на радіус поля. Значення швидкості на орбіті одно 3,07 кілометра в секунду, що набагато менше першої космічної швидкості на навколоземному шляху. Щоб зменшити показник, необхідно збільшити радіус орбіти більш ніж в шість разів. Довжина розраховується твором числа Пі на радіус, помноженим на два. Вона становить 264 924 кілометри. Показник враховується при обчисленні «точок стояння» супутників.

вплив сил

Параметри орбіти, по якій звертається штучний механізм, можуть змінюватися під дією гравітаційних місячно-сонячних збурень, неоднорідності поля Землі, еліптичності екватора. Трансформація поля виражається в таких явищах, як:

1. Зсув супутника від своєї позиції уздовж орбіти в бік точок стабільної рівноваги, які носять назву потенційних ям геостаціонарної орбіти.
2. Кут нахилу поля до екватора зростає з певною швидкістю і досягає 15 градусів один раз за 26 років і 5 місяців.

Для утримання супутника в 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 уздовж поля - «захід-схід». Для регулювання шляху супутника протягом усього терміну його роботи необхідний великий запас палива на борту.

рухові установки

Вибір пристосування визначається індивідуальними технічними особливостями супутника. Наприклад, хімічний ракетний двигун має витіснювальний подачу палива і функціонує на довго зберігаються висококиплячих компонентах (діазотний тетроксид, несиметричний диметилгидразин). 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 перекладу супутника в іншу орбітальну позицію. Основним обмежуючим фактором терміну служби апарату є запас палива на геостаціонарній орбіті.

Недоліки штучного поля

Істотним пороком у взаємодії з геостаціонарними супутниками є великі запізнення в поширенні сигналу. Так, при швидкості світла 300 тисяч кілометрів на секунду і висоті орбіти 35786 кілометрів рух променя «Земля - \u200b\u200bсупутник» займає близько 0,12 секунди, а «Земля - \u200b\u200bсупутник - Земля» - 0,24 секунди. З огляду на затримку сигналу в апаратурі і кабельних системах передач наземних служб загальне запізнення сигналу «джерело - супутник - приймач» досягає приблизно 2-4 секунд. Такий показник істотно ускладнює застосування апаратів на орбіті в телефонії і унеможливлює використання супутникового зв'язку в системах реального часу.

Ще одним недоліком є \u200b\u200bневидимість геостаціонарної орбіти з високих широт, що заважає провідності зв'язку та телетрансляцій в районах Арктики й Антарктиди. У ситуаціях, коли сонце і супутник-передавач знаходяться на одній лінії з приймальною антеною, спостерігається зменшення, а часом і повна відсутність сигналу. На геостаціонарних орбітах за рахунок нерухомості супутника таке явище проявляється особливо яскраво.

ефект Доплера

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

Ставлення в світі до геостаціонарним полях

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