Як літають супутники довкола землі. Чому геостаціонарні супутники не падають на землю? Орбіти штучних супутників Землі
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 його 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 чітко визначену швидкість. Якщо він летить надто швидко, інерція долає силу важкості і супутник залишає орбіту. (Обчислення так званої другої космічної швидкості, що дозволяє супутнику залишати навколоземну орбіту, грає важливу роль у запуску міжпланетних космічних станцій.) Якщо супутник рухається надто повільно, сила тяжкості переможе у боротьбі з інерцією і супутник впаде на Землю. Саме це сталося в 1979 році, коли американська орбітальна станція Скайлеб почала знижуватися в результаті опору верхніх шарів земної атмосфери. Потрапивши у залізні кліщі гравітації, станція невдовзі впала 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 та як 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 тяжіння 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, виконує роль гравітації, утримує вантаж на кругової орбіті. Якщо мотузку перерізати, вантаж відлетить по прямолінійній траєкторії перпендикулярно до радіуса своєї орбіти.
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 поглянути на природні супутники на інших планетах, всі вони тримаються значно довше, ніж антропогенні супутники, що обертаються довкола 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. Така ж доля справедлива майже всім супутників, присутніх на низькій навколоземної орбіті: на час, коли настане наступне століття, майже всі нинішні супутники увійдуть у повітря 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 лінію Кармана. Але будь-яке визначення межі космосу, де починається космос і закінчується атмосфера планети, буде притягнуто 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 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 орбіті 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 дію приливних сил на них. І що ближче супутник до Землі, то більший вплив цих сил.
Гравітаційний вплив решти Сонячної системи
Вочевидь, Земля перестав бути повністю ізольованою системою, у якій єдина гравітаційна сила, яка впливає супутники, народжується на самій Землі. Ні, Місяць, Сонце і 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 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 найближчих 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 припливними 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 радіусу 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 інших.
Земля, як будь-яке космічне тіло, має власне гравітаційне поле і поруч розташовані орбіти, на яких можуть знаходитися тіла та об'єкти різної величини. Найчастіше під ними маються на увазі Місяць та міжнародна космічна станція. Перша ходить своєю власною орбітою, а МКС - низькою навколоземною. Існує кілька орбіт, які між собою відрізняються віддаленістю від Землі, відносним розташуванням щодо планети та напрямком обертання.
Орбіти штучних супутників Землі
На сьогоднішній день у найближчому навколоземному космічному просторі є безліч об'єктів, які є результатами людської діяльності. Здебільшого це штучні супутники, що служать для забезпечення зв'язку, однак є й чимало космічного сміття. Одним із найвідоміших штучних супутників Землі є Міжнародна космічна станція.
ШСЗ рухаються за трьома основними орбітами: екваторіальною (геостаціонарною), полярною та похилою. Перша повністю лежить у площині кола екватора, друга строго їй перпендикулярна, а третя знаходиться між ними.
Геосинхронна орбіта
Назва цієї траєкторії пов'язана з тим, що тіло, що рухається по ній, має швидкість, що дорівнює зоряному періоду обертання Землі. Геостаціонарна орбіта - це окремий випадок геосинхронної орбіти, що лежить у тій же площині, що й земний екватор.
При нахилі не рівному нулю і нульовому ексцентриситеті супутник, при спостереженні із Землі, визначає протягом доби на небі вісімку.
Перший супутник на геосинхронній орбіті – американський Syncom-2, виведений на неї у 1963 році. Сьогодні у деяких випадках розміщення супутників на геосинхронній орбіті відбувається через те, що ракета-носій не може вивести їх на геостаціонарну.
Геостаціонарна орбіта
Дана траєкторія має таку назву з тієї причини, що, незважаючи на постійний рух, об'єкт, що на ній знаходиться, залишається статичним щодо земної поверхні. Місце, де знаходиться об'єкт, називається точкою стояння.
Супутники, виведені на таку орбіту, часто використовуються передачі супутникового телебачення, оскільки статичність дозволяє якось спрямувати нею антену і тривалий час залишатися зв'язку.
Висота розташування супутників на геостаціонарній орбіті дорівнює 35786 кілометрів. Оскільки всі вони знаходяться прямо над екватором, для позначення позиції називають тільки меридіан, наприклад, 180.0 E Інтелсат 18 або 172.0 E Eutelsat 172A.
Приблизний радіус орбіти дорівнює ~42164 км, довжина - близько 265 000 км, а орбітальна швидкість - приблизно 3,07 км/с.
Висока еліптична орбіта
Високою еліптичною орбітою називають таку траєкторію, висота якої у перигеї у кілька разів менша, ніж у апогеї. Виведення супутників на такі орбіти має низку важливих переваг. Наприклад, однієї такої системи може бути достатньо обслуговування всієї Росії або, відповідно, групи держав з рівною сумарною площею. Крім того, системи ВЕО на високих широтах функціональніші, ніж геостаціонарні супутники. А ще виведення супутника на високу еліптичну орбіту обходиться приблизно в 1,8 рази дешевше.
Великі приклади систем, що працюють на ВЕО:
- Космічні обсерваторії, запущені NASA та ESA.
- Супутникове радіо Sirius XM Radio.
- Супутниковий зв'язок Меридіан, -З та -ЗК, Блискавка-1Т.
- Супутникова система корекції GPS.
Низька навколоземна орбіта
Це одна з найнижчих орбіт, яка в залежності від різних обставин може мати висоту 160-2000 км та період обігу, відповідно, 88-127 хвилин. Єдиним випадком, коли НГО було подолано пілотованими космічними апаратами - це програма Апполон з висадкою американських астронавтів на місяць.
Більшість використовуваних зараз або використаних раніше штучних земних супутників працювали на низькій навколоземній орбіті. З цієї причини в цій зоні зараз розташована основна частка космічного сміття. Оптимальна орбітальна швидкість для супутників, що перебувають на НГО, в середньому дорівнює 7,8 км/с.
Приклади штучних супутників на НГО:
- Міжнародна космічна станція (400 км).
- Телекомунікаційні супутники різних систем і мереж.
- Розвідувальні апарати та супутники-зонди.
Велика кількість космічного сміття на орбіті - головна сучасна проблема всієї космічної промисловості. Сьогодні ситуація така, що ймовірність зіткнення різних об'єктів на НГО зростає. А це, у свою чергу, веде до руйнування та утворення на орбіті ще більшої кількості фрагментів та деталей. Песимістичні прогнози свідчать, що запущений Принцип доміно може повністю позбавити людство можливості освоювати космос.
Низька опорна орбіта
Низькою опорною прийнято називати ту орбіту апарату, яка передбачає зміну нахилу, висоти чи інші суттєві зміни. Якщо ж апарат не має двигуна і він не робить маневри, його орбіту називають низькою навколоземною.
Цікаво, що російські та американські балістики розраховують її висоту по-різному, тому що перші ґрунтуються на еліптичній моделі Землі, а другі – на сферичній. Через це є різниця не тільки у висоті, а й у положенні перигею та апогею.
«Людина повинна піднятися над Землею - в атмосферу та 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 поняттю - 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 й 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 у 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.
Звичайно, 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 зазирнемо в його очі, щоб побачити види нашої планети, про які Сократ та Ньютон не могли і мріяти. Але спочатку давайте докладніше розберемося, ніж супутник відрізняється від інших небесних об'єктів.
- це будь-який об'єкт, який рухається кривою навколо планети. Місяць - це природний супутник Землі, також поруч із Землею знаходиться безліч супутників, зроблених руками людини, так би мовити, штучних. Шлях, яким слідує супутник, це орбіта, іноді приймає форму кола.
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 та в одному напрямку – по прямій. Ця пряма – інерційний шлях супутника, який, однак, урівноважується 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 його шляху, швидкість супутника постійно змінюється. Він рухається швидко, коли знаходиться ближче до планети - у точці перигею (не плутати з перигелієм), і повільніше, коли знаходиться далі від планети - у 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 однією частоті, а потім посилює його і передає назад на Землю на іншій частоті. Супутник зазвичай містить сотні чи тисячі транспондерів. Супутники зв'язку, як правило, геосинхронні (про це пізніше).
- Телевізійні супутники передають телевізійні сигнали з однієї точки до іншої (за аналогією з супутниками зв'язку).
- Наукові супутники, як космічний телескоп Хаббла, виконують всі 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?
Можливо, Ньютон у своїх фантазіях і запускав супутники, але перш ніж ми справді здійснили цей подвиг, минуло чимало часу. Одним із перших візіонерів був письменник-фантаст Артур Кларк. У 1945 році Кларк припустив, що супутник може бути розміщений на орбіті так, що рухатиметься в тому ж напрямку і з тією ж швидкістю, що й Земля. Так звані геостаціонарні супутники можна було використовувати для зв'язку.
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 та нижче за нинішній стандарт (27 МГц). Станції спостереження на Землі впіймали радіосигнал і підтвердили, що крихітний супутник пережив запуск і успішно вийшов курс навколо 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. Незабаром злетів і Syncom-3, який справді міг транслювати телевізійний сигнал.
Епоха супутників почалася.
Яка різниця між супутником та космічним сміттям?
Технічно супутник це будь-який об'єкт, який обертається навколо планети або меншого небесного тіла. Астрономи класифікують місяця як природні супутники, і протягом багатьох років вони склали список із сотень таких об'єктів, що обертаються навколо планет і карликових планет нашої Сонячної системи. Наприклад, нарахували 67 місяців Юпітера. І досі .
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 виявилося безліч сміття. Всі ці шматки та уламки поводяться як і великі ракети - обертаються навколо планети на високій швидкості круговим або еліптичним шляхом. У суворому 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 з космічним сміттям. За шість років інструменти супутника зареєстрували близько 20 000 зіткнень, деякі з яких були викликані мікрометеоритами, інші орбітальним сміттям. Науковці NASA продовжують аналізувати дані LDEF. А ось у Японії вже гігантську мережу для вилову космічного сміття.
Що всередині звичайного супутника?
Супутники бувають різних форм і розмірів та виконують безліч різних функцій, проте всі, в принципі, схожі. Усі вони мають металевий чи композитний каркас та тіло, яке англомовні інженери називають bus, а російські – космічною платформою. Космічна платформа збирає всі разом та забезпечує достатньо заходів, щоб інструменти пережили запуск.
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 очікувати, зібрати всі ці системи воєдино - 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, виготовляються на замовлення. Деякі компанії розробили модульні супутники, тобто конструкції, збирання яких дозволяє встановлювати додаткові елементи відповідно до 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?
Сьогодні всі супутники виводяться на орбіту на ракеті. Багато хто перевозить їх у вантажному відділі.
У більшості запусків супутників запуск ракети відбувається прямо вгору, це дозволяє швидше провести її через товстий шар атмосфери та мінімізувати витрати палива. Після того, як ракета злітає, механізм управління ракети використовує інерційну систему наведення для розрахунку необхідних коригування 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 дуже швидко, його віднесе в космос. Якщо супутник рухатиметься надто повільно, гравітація притягне його назад до Землі.
Орбітальна швидкість супутника залежить від 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
На землі всі супутники виглядають схоже – блискучі коробки або циліндри, прикрашені крилами із сонячних панелей. Але в космосі ці незграбні машини поводяться зовсім по-різному залежно від траєкторії польоту, висоти та орієнтації. В результаті, класифікація супутників перетворюється на складну справу. Один із підходів – визначення орбіти апарату щодо планети (зазвичай Землі). Нагадаємо, що існує дві основні орбіти: кругова та еліптична. Деякі супутники починають еліпсом, а потім виходять на кругову орбіту. Інші рухаються еліптичним шляхом, відомому як орбіта «Блискавка». Ці об'єкти, як правило, кружляють з півночі на південь через полюси Землі та завершують повний обліт за 12 годин.
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 36000 км над Землею. На цій висоті добре працюють навігаційні супутники GPS. Орієнтовна орбітальна швидкість - 13 900 км/год.
- Геостаціонарна (геосинхронна) орбіта - геостаціонарні супутники рухаються навколо Землі на висоті, що перевищує 36 000 км і тієї ж швидкості обертання, як і 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 до космосу за 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. Найменше 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
Донедавна супутники залишалися екзотичними та надсекретними приладами, які використовувалися переважно у військових цілях для навігації та шпигунства. Тепер вони стали невід'ємною частиною нашого повсякденного життя. Завдяки їм ми дізнаємося прогноз погоди (хоча синоптики ой як часто помиляються). Ми дивимося телевізори та працюємо з Інтернетом також завдяки супутникам. GPS у наших автомобілях та смартфонах дозволяє дістатися до потрібного місця. Чи варто говорити про неоціненний внесок телескопа «Хаббл» та роботу космонавтів на МКС?
Проте є справжні герої орбіти. Давайте познайомимося з ними.
- 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.
- 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».
- Jason-1 та Jason-2 відіграли ключову роль у довгостроковому аналізі океанів Землі. NASA запустило Jason-1 у 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 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 великий погляд на поведінку світових кліматичних патернів.
Скільки коштують супутники?
Після «Супутника» та Explorer, супутники стали більшими і складнішими. Візьмемо, наприклад, TerreStar-1, комерційний супутник, який мав забезпечити передачу мобільних даних у Північній Америці для смартфонів та подібних пристроїв. Запущений у 2009 році TerreStar-1 важив 6910 кілограмів. І будучи повністю розгорнутим, він розкривав 18-метрову антену та потужні сонячні батареї з розмахом крил у 32 метри.
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 в обладнанні - транспондерах, комп'ютерах та камерах. Звичайний метеорологічний супутник коштує близько 290 мільйонів доларів. Супутник-шпигун коштуватиме 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
Майже через п'ятдесят років після запуску «Супутника», супутники, як і бюджети, ростуть і міцніють. США, наприклад, витратили майже 200 мільярдів доларів з початку військової супутникової програми і тепер, незважаючи на все це, має флот старіючих апаратів, які чекають на свою заміну. Багато експертів побоюються, що будівництво та розгортання великих супутників просто не може існувати на гроші платників податків. Рішенням, яке може перевернути все з ніг на голову, залишаються приватні компанії, на зразок SpaceX, та інші, яких явно не спіткає бюрократичний застій, як NASA, NRO та NOAA.
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 межею 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.
Як відомо, геостаціонарні супутники висять нерухомо над землею над однією точкою. Чому вони не падають? На тій висоті не діє сила тяжіння?
Відповідь
Геостаціонарний штучний супутник Землі є апарат, який рухається навколо планети в східному напрямку (у тому ж, в якому обертається сама Земля), по круговій екваторіальній орбіті з періодом обігу, що дорівнює періоду свого обертання Землі.
Таким чином, якщо дивитися з Землі на геостаціонарний супутник, ми бачитимемо його нерухомо висить на тому самому місці. Через цю нерухомість і велику висоту близько 36 000 км, з якої видно майже половину поверхні Землі, на геостаціонарну орбіту виводять супутники-ретранслятори для телебачення, радіо та комунікацій.
З того, що геостаціонарний супутник висить постійно над однією і тією ж точкою поверхні Землі, деякі роблять невірний висновок, що на геостаціонарний супутник не діє сила тяжіння до Землі, що сила тяжіння певній відстані від Землі зникає, тобто вони спростовують самого Ньютон. Звичайно, це не так. Сам запуск супутників на геостаціонарну орбіту розраховується саме згідно із законом всесвітнього тяжіння Ньютона.
Геостаціонарні супутники, як і решта супутників, насправді падають на Землю, але не досягають її поверхні. На них діє сила тяжіння до Землі (гравітаційна сила), спрямована до її центру, а у зворотному напрямку на супутник діє відштовхуюча від Землі відцентрова сила (сила інерції), які врівноважують один одного - супутник не відлітає від Землі і не падає на неї точно так само, як цебро, що розкручується на мотузці, залишається на своїй орбіті.
Якби супутник зовсім не рухався, то він упав би на Землю під дією тяжіння до неї, але супутники рухаються, в тому числі і геостаціонарні (геостаціонарні - з кутовою швидкістю рівної кутової швидкості обертання Землі, тобто один оборот за добу, а у супутників нижче орбіт кутова швидкість більша, тобто за добу вони встигають зробити навколо Землі кілька обертів). Лінійна швидкість, що 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 на 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 до Землі, але поверхня Землі не плоска, вона викривлена. На скільки супутник наближається до поверхні Землі, на стільки поверхня Землі йде з-під супутника і, таким чином, супутник постійно знаходиться на тій самій висоті, рухаючись по замкнутій траєкторії. Супутник постійно падає, але ніяк не може впасти.
Отже, всі штучні супутники Землі падають на Землю, але – по замкнутій траєкторії. Супутники перебувають у стані невагомості, як усі падаючі тіла (якщо ліфт у хмарочосі зірветься і почне вільно падати, то люди всередині теж будуть у стані невагомості). Космонавти всередині МКС знаходяться у невагомості не тому, що на орбіті не діє сила тяжіння до Землі (вона там майже така сама як і на поверхні Землі), а тому, що МКС вільно падає на Землю – по замкнутій круговій траєкторії.
