Орбита искусственного спутника земли


Со времен запуска первого Искусственного Спутника Земли (ИСЗ) в 1957 году жизнь человечества сильно изменилась. Многим достижениям технического прогресса (международная спутниковая связь, точный прогноз погоды, интернет) человечество обязано именно спутникам, летающим по орбитам в околоземном пространстве. Сегодня таких спутников, выполняющих совершенно разные задачи, десятки тысяч. Их размеры: от огромных (около 100 метров) до совсем маленьких (буквально в несколько сантиметров). У каждого из них своя задача и своя орбита. По каким орбитам летают спутники? Какие бывают орбиты и что это вообще такое?

Немного истории

Люди давно заметили, что огромные космические тела, будь то кометы, планеты или звезды, движутся по небу, сохраняя некую периодичность. Особенно любознательные записывали свои наблюдения, что давало каждому новому поколению все больше и больше знаний о движении в космическом пространстве.

Так, например, исследуя труды датского астронома Тихо Браге, Иоганн Кеплер, немецкий астроном XVI века, установил, что все космические тела движутся по определенным законам.


частности Кеплер предположил, что Марс (именно за это планетой долгое время наблюдал Браге) движется вокруг Солнца вовсе не по кругу. В своем труде «Новая астрономия, изложенная в исследованиях о движении звезды Марс» Кеплер показал, что Марс вращается вокруг Солнца по эллипсу. Позднее Кеплер сформулировал еще несколько выводов, которые объединил в три определения. Сегодня эти определения (теперь мы называем их Законами) известны нам под его именем.

Не будем углубляться в историю во всех подробностях. Лучше давайте рассмотрим, чего добилось и какие выводы сделало человечество, используя законы Кеплера. Начнем с определения орбиты.

Что такое орбита спутника

Орбитой спутника, собственно, называется траектория его движения. Движение по орбите происходит по инерции (с выключенными двигателями), и при этом на спутник (это может быть искусственный спутник или планета) оказывает влияние только гравитация (в основном, конечно, Земля). Орбиты спутников имеют эллиптическую форму и движутся по воображаемой плоскости, проходящей через центр Земли. Плоскость эта, а значит и орбита, не симметричная, а как бы вытянутая, то есть не является постоянной, она все время изменяется, то увеличиваясь, то уменьшаясь по ходу траектории. Выражаясь научным языком, наивысшая точка орбиты (максимальное удаление от Земли) называется апогеем, а наинизшая (минимальное удаление от Земли) точка – перигеем. Находятся они, соответственно в южном и северном полушариях Земли.


Согласно Второму Закону Кеплера планета (в нашем случае спутник), движущаяся в плоскости проходит (описывает) за равные промежутки времени равные площади. Из этого можно сделать вывод, что спутники движутся неравномерно. Чем ближе спутник к Земле (перигей), тем выше его линейная скорость, и чем дальше он от Земли (апогей), тем его скорость ниже. Это явление позволило ученым предположить, а потом и рассчитать различные спутниковые орбиты, оптимальные для конкретного целевого назначения.

Какие бывают орбиты

В зависимости от заданной начальной скорости, выведенный в космос спутник занимает определенную орбиту (или сначала одну, а потом другую). Свойства орбиты спутника позволяют оптимизировать приемо-передающее оборудование для оптимальной реализации поставленных задач. Различаются орбиты по наклонению, по величине большой полуоси (или высоте над поверхностью Земли) и по скорости обращения спутника вокруг Земли. Рассмотрим виды спутниковых орбит подробнее.

Орбиты с заданным наклонением

Эта классификация показывает, как орбиты различаются по углу наклонения. Чем больше угол наклонения орбиты, тем более заметен будет спутник в северных широтах. А чем спутник выше, тем шире становиться область видимости. Существуют экваториальные (орбита проходит вдоль экватора Земли), полярные (орбита проходит перпендикулярно экватору) и солнечно-синхронные орбиты. Последняя орбита чаще всего используется для размещения спутников, предназначенных для фото и видео съемки поверхности Земли.


Разновысотные орбиты (величина большой полуоси)

Какая бывает орбита?В зависимости от высоты орбиты, выведенный спутник, соответственно, называется низкоорбитальным или среднеорбитальным.

Низкоорбитальные спутники летают над поверхностью Земли на высоте от 160 километров до 2000 километров. Их наиболее распространенное название в научной литературе: LEO (от англ. Low Earth Orbit – малая земная орбита).

Используются такие низкоорбитальные спутники чаще всего для обеспечения персональной радиотелефонной связи. Объясняется это бесперебойностью контакта наземных терминалов с ретрансляторами спутников, а также мощностью приемо-передающего сигнала. Данный аспект, однако, был использован в сфере массовых телекоммуникаций сравнительно недавно. Так, в странах с развитой инфраструктурой, доля услуг, предоставляемых именно низкоорбитальными спутниками, составляет всего около 35%. Основную долю составляют спутники, летающие на геостационарной орбите.

Среднеорбитальными спутниками называют спутники, летающие над поверхностью Земли на высоте от 2000 километров до 35786 километров. Называются они, соответственно, MEO (от англ. «Medium Earth Orbit – средняя земная орбита).

Именно эти орбитальные высоты используются системами глобальной навигации (GPS, ГЛОНАСС).Это вполне справедливо, так как заданная высота среднеорбитальных спутников позволяет максимально точно обмениваться данными с приемниками (навигаторами).


Геостационарная орбита

Данная классификация показывает скорость обращения спутника вокруг Земли, находящегося на определенной орбите. Скорость обращения такого спутника составляет 23часа 56минут и 4,09секунды. Несложно понять, что этот показатель равен земным суткам. Следовательно, спутник на такой орбите как бы «висит» в небе на одном месте.

Геостационарная орбита располагается от поверхности Земли на расстоянии 35786 километров. Орбита проходит в экваториальной плоскости Земли. Её радиус равен 42164 километрам. Это приблизительно в 6 раз больше, чем радиус нашей планеты (составляет 6378 километров). Небесные координаты такого спутника на геостационарной орбите остаются постоянными. Это дает возможность использовать их для работы спутникового телевидения. Сигнал, приходящий от таких спутников, четкий и бесперебойный.

Сохранение постоянной точки позиционирования («зависание» на одном месте) не является абсолютным, так как на спутник постоянно оказывается влияние ближайшего естественного спутника Земли – Луны. Луна вызывает гравитационные возмущения на орбите спутника, притягивая его к себе. Корректировка позиции спутника проводится с помощью двигателей, которыми он оснащен.

«Пояс Кларка»

Впервые в истории рассчитал геостационарную орбиту английский инженер Артур Кларк. Случилось это в, уже далеком, 1945 году. Кларк предложил использовать эту орбиту для спутников связи. Эта идея, на удивление самого Кларка, была реализована, и очень скоро! Практически все глобальные системы коммуникации обязаны своим существованием именно этому человеку. Если смотреть в более широком смысле, то все люди, кто сегодня пользуется Интернетом, находятся в неоценимом долгу перед Артуром Кларком. В Англии и большинстве других стран, особенно европейских, геостационарную орбиту называют «Поясом Кларка».


Вывод спутников на орбиту

Процесс отправки спутника и его вывод на заданную высоту (орбиту) представляет собой совокупность научно-практических действий, основанных на четких математических и физических расчетах. Непосредственная доставка спутника осуществляется многоступенчатой ракетой, с использованием промежуточной орбиты.

Для чего это нужно

Рассмотрение таких сложных, но интересных тем, как орбитальные спутники, определение и классификация орбит и другие, совершенно логично вызывает ряд вопросов. Какая от этого польза? Для чего всё это нужно знать?

Как уже говорилось в начале статьи, с появлением орбитальных искусственных спутников Земли и освоением человеком околоземной орбиты, многое в жизни современного человечества изменилось. Например, значительно снизилась средняя стоимость международных телефонных разговоров. Появилась возможность использования ресурсов глобальной системы спутниковой навигации. Точный прогноз погоды, расчет климатических изменений в определенных регионах планеты, прогнозирование гео-климатических изменений в планетарном масштабе, обследование морского дна и залежей полезных ископаемых, доступ во всемирную сеть Интернет в любой точке планеты, изучение космоса, в конце концов, — всё это стало возможным благодаря орбитальным спутникам.


К сожалению, сегодня околоземная орбита перенасыщена различным «космическим мусором». Подсчитано, что более 1 100 летающих объектов диаметром более полуметра находятся в непосредственной близости от геостационарной орбиты Земли, на которой, как правило, размещается коммуникационное оборудование. Однако, всего лишь 300 из этих объектов — это действующие спутники. Среди опасных объектов, которые за ненадобностью бросили в космосе на разных высотах,— 32 давно выведенных из строя ядерных реактора. Все это говорит о неблагодарности отдельных «пользователей» орбиты к тем, кто когда-то подарил нам бесценные знания о Законах движения тел во вселенной.

Источник: www.satorbita.com

Идея использования искусственных аппаратов

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


Характеристика «пояса Кларка»

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

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

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

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

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


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

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

Искусственные спутники

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

Спутники запускались многими странами и компаниями. Первый в мире искусственный аппарат был создан в СССР и полетел в космос 4 октября 1957 года.


носил имя «Спутник-1». В 1958 году США запустила второй аппарат — «Эксплорер-1». Первый спутник, который был выведен NASA в 1964 году, носил имя Syncom-3. Искусственные аппараты в основном невозвратные, но есть те, которые возвращаются частично или полностью. Их используют для проведения научных исследований и решения различных задач. Так, существуют военные, исследовательские, навигационные спутники и другие. Также запускаются аппараты, созданные сотрудниками университетов или радиолюбителями.

«Точка стояния»

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

Передвижение

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

Высота геостационарной орбиты


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

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

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

Скорость на геостационарной орбите. Длина

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

Влияние сил

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

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

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

Двигательные установки

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

Недостатки искусственного поля

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

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

Эффект Допплера

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

Отношение в мире к геостационарным полям

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

Источник: www.syl.ru

Орбиты искусственных спутников Земли

На сегодняшний день в ближайшем околоземном космическом пространстве находится множество объектов, которые являются результатами человеческой деятельности. В основном, это искусственные спутники, служащие для обеспечения связи, однако есть и немало космического мусора. Одним из самых известных искусственных спутников Земли является Международная космическая станция.

Орбита искусственного спутника земли

ИСЗ движутся по трем основным орбитам: экваториальной (геостационарной), полярной и наклонной.  Первая полностью лежит в плоскости окружности экватора, вторая строго ей перпендикулярна, а третья располагается между ними.

Геосинхронная орбита

геосинхронная орбита

Название этой траектории связано с тем, что тело, движущееся по ней, имеет скорость, равную звездному периоду вращения Земли.  Геостационарная орбита – это частный случай геосинхронной орбиты, которая лежит в той же плоскости, что и земной экватор.

При наклонении не равном нулю и нулевом эксцентриситете спутник, при наблюдении с Земли, описывает в течение суток в небе восьмерку.

Первый спутник на геосинхронной орбите – американский Syncom-2, выведенный на нее в 1963 году. Сегодня в некоторых случаях размещение спутников на геосинхронной орбите происходит по причине того, что ракета-носитель не может вывести их на геостационарную.

Геостационарная орбита

геостационарная орбита

Данная траектория имеет такое название по той причине, что, несмотря на постоянное движение, объект, на ней находящийся, остается статичным относительно земной поверхности. Место, в котором находится объект, называется точкой стояния.

Спутники, выведенные на такую орбиту, часто используются для передачи спутникового телевидения, потому что статичность позволяет единожды направить на него антенну и долгое время оставаться на связи.

Высота расположения спутников на геостационарной орбите равна 35 786 километрам. Поскольку все они находятся прямо над экватором, для обозначения позиции называют только меридиан, например, 180.0˚E Интелсат 18 или 172.0˚E Eutelsat 172A.

Приблизительный радиус орбиты равен ~42 164 км, длина – около 265 000 км, а орбитальная скорость – примерно 3, 07 км/с.

Высокая эллиптическая орбита

высокая эллиптическая орбита

Высокой эллиптической орбитой называют такую траекторию, высота которой в перигее в несколько раз меньше, чем в апогее. Выведение спутников на такие орбиты имеет ряд важных преимущества. Например, одной такой системы может быть достаточно для обслуживания всей России или, соответственно, группы государств с равной суммарной площадью. Кроме того, системы ВЭО на высоких широтах более функциональные, чем геостационарные спутники. А еще вывод спутника на высокую эллиптическую орбиту обходится приблизительно в 1,8 раза дешевле.

Крупные примеры систем, работающих на ВЭО:

  • Космические обсерватории, запущенные NASA и ESA.
  • Спутниковое радио Sirius XM Radio.
  • Спутниковая связь Меридиан, -З и –ЗК, Молния-1Т.
  • Спутниковая система коррекции GPS.

Низкая околоземная орбита

низкая околоземная орбита

Это одна из самых низких орбит, которая в зависимости от разных обстоятельств может иметь высоту 160-2000 км и период обращения, соответственно, 88-127 минут. Единственным случаем, когда НОО была преодолена пилотируемыми космическими аппаратами – это программа Апполон с высадкой американских астронавтов на луну.

Большая часть используемых сейчас или использованных когда-либо ранее искусственных земных спутников работали на низкой околоземной орбите. По этой же причине в этой зоне сейчас расположена основная доля космического мусора. Оптимальная орбитальная скорость для спутников, находящихся на НОО, в среднем, равна 7,8 км/с.

Примеры искусственных спутников на НОО:

  • Международная Космическая станция (400 км).
  • Телекоммуникационные спутники самых разных систем и сетей.
  • Разведывательные аппараты и спутники-зонды.

Обилие космического мусора на орбите – главная современная проблема всей космической индустрии. Сегодня ситуация такова, что вероятность столкновения различных объектов на НОО растет. А это, в свою очередь, ведет к разрушению и образованию на орбите еще большего числа фрагментов и деталей. Пессимистичные прогнозы говорят о том, что запущенный Принцип домино может полностью лишить человечество возможности осваивать космос.

Низкая опорная орбита

Низкой опорной принято называть ту орбиту аппарата, которая предусматривает изменение наклона, высоты или другие существенные изменения. Если же у аппарата нет двигателя и он не совершает маневры, его орбиту называют низкой околоземной.

Интересно, что российские и американские баллистики рассчитывают её высоту по разному, потому что первые основываются на эллиптической модели Земли, а вторые – на сферической. Из-за этого есть разница не только в высоте, но и в положении перигея и апогея.

Источник: xn—-8sbiecm6bhdx8i.xn--p1ai


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.