Продолжаем наш цикл статей “Все обо всем”. В этот раз поговорим о спутниках.
Не так давно спутники были экзотикой и сверх-секретными устройствами. В основном они использовались в военных целях, навигации и шпионаже. Теперь же они является неотъемлемой частью современной жизни. Мы может увидеть их в прогнозировании погоды, телевидении и даже в обычных телефонных звонках. Спутники также часто играют вспомогательную роль в некоторых областях:
- Как устроены спутники? Часть 1
- Как устроены спутники? Часть 2
- Некоторые газеты и журналы быстры потому, что они отправляют материалы на печать в разные типографии через спутники, чтобы ускорить локальную дистрибьюцию.
- Перед тем как передать сигнал по проводам пользователям кабельного телевидения, компании-провайдеры используют спутники для передачи сигнала.
- В последнее время небывалую популярность преобрели геолокационные возможности, предоставляемые системами GPS и ГЛОНАСС. С помощью них мы может быстрее и точнее добраться до необходимого месяца.
- Товары, которые мы покупаем, доставляются производителями поставщика более эффективно, благодаря логистики с использованием геолокации с помощью GPS и ГЛОНАСС.
- Радиомаяки с упавших самолетов и терпящих бедствие кораблей отправляют через спутник сигналы командам спасения.
В этой статье мы постараемся рассмотреть принципы функционирования спутников и то, что они делают. Мы посмотрим внутрь спутника, исследуем различные типы орбит и то, как задачи спутника воздействуют на выбор орбиты. И постараемся рассказать как увидеть и проследить за спутником самостоятельно!
Что такое Спутник?
Спутник в общем - это объект, которые вращается вокруг планеты по круговой или эллиптической орбите. Например, Луна - это природный естественный спутник Земли, однако существует еще много сделанных человеком (искусственных) спутников, которые как правило ближе к Земле.
Путь по которому следует спутник называется орбитой. Самая далекая от Земли точка орбиты называется апогеем, ближайшая - перигеем.
Искусственные спутники не являются продуктами массового производства. Большинство спутников были специально произведены для выполнения предназначенных им функций. Исключение составляют спутники GPS/ГЛОНАСС (которых около 20 копий для каждой из систем) и спутники системы Iridium (которых больше 60 копий, они используются для передачи голосовой связт).
Существует также около 23 000 объектов, которые являются космическим мусором. Эти объекты имеют достаточный размер для того, чтобы улавливаться радаром. Они либо случайно оказались на орбите, либо исчерпали свою полезность. Точное число зависит от того, кто считает. Полезный груз, который попал на неправильную орбиту, спутники у которых сели батареи и также остатки разгонных блоков ракет - все это составляет космический мусор. Например, этот онлайн каталог спутников насчитывает около 26 000 объектов.
Хотя любой объект на орбите земли вообще-то можно назвать спутником, термин “спутник” обычно используется для описания полезного объекта размещенного на орбите для выполнения некоторых важных задач. Нам часто приходится слышать о погодных спутниках, спутниках связи и научных спутниках.
Чей спутник первым оказался на орбите Земли?
Вообще, самым первым спутником Земли по праву стоит считать Луну :)
Для нашей общей радости, первым искусственным спутником Земли был “Спутник 1”, запущенный Советским Союзом 4 октября 1957 года. Ура, товарищи!
Однако, из-за существовавшей в то время строжайшей секретности, в свободном доступе нет фотографий того знаменитого запуска. Спутник-1 имел длину 23-дюйма (58 сантиметров), весил 184 фунта (83 килограмма) и имел форму металлического шара. Однако, для того времени это было важное достижение. Содержимое спутника по современным меркам кажется скудным:
- Термометр
- Батарея
- Радио передатчик - изменял тон своих звуков согласно показаниям термометра
- Азот - создавал давление внутри спутника
На внешней части было размещено четыре тонких антенны, которые передавали сигнал на коротковолновых частотах, которые сейчас используются как гражданские (27 МГц). Согласно настольной книге космических спутников Энтони Кертиса:
*После 92 дней, гравитация сделала свое дело и Спутник-1 сгорел в атмосфере Земли. Тридцать дней спустя после запуска Спутник-1, собака Лайка совершила полет на полутонном спутнике с воздухом. Этот спутник сгорел в атмосфере в апреле 1958 года. *
Спутник-1 это хороший пример того, каким простым может быть спутник. Как мы увидим дальше, современные спутники гораздо более сложными, но основная идея проста.
Как спутники запускают на орбиту?
Все современные спутники попадают на орбиту с помощью ракет. Некоторые доставлялись на орбиту в грузовом отсеке шаттлов. Возможность запуска спутников на орбиту имеют несколько стран и даже коммерческих компаний, и теперь нет ничего необычного в доставке на орбиту спутника весом несколько тонн.
Для большинства запланированных запусков, ракета как правило располагается вертикально вверх. Это позволяет ей пройти плотные слои атмосферы быстро и с минимальными затратами топлива.
После того, как ракета запущена вертикально вверх, система управления ракетой используется инерциальную систему наведения для управления соплами ракеты и наводит ее на расчетную траекторию. В большинстве случаев ракета направляется на восток, потому что сама Земля вращается на восток, что позволяет добавить ракете “бесплатное” ускорение. Сила такого “бесплатного” ускорения зависит от скорости вращения Земли в месте запуска. Самое большое ускорение - на экваторе, там где расстояние вокруг Земли наибольшее, а следственно и скорость вращения тоже.
Насколько велико ускорение при экваториальном запуске? Для грубой оценки мы можем вычислить длину экватора Земли путем умножения ее диаметра на число пи (3.141592654…). Диаметр земли примерно 12 753 километра. Умножая на пи получаем длину окружности около 40 065 километров. Для прохождения всей окружности в 24 часа точка на поверхности Земли должна двигаться со скоростью 1 669 км/ч. Запуск с Байконура в Казахстане не дает такого большого ускорения от вращения Земли. Скорость вращения Земли в районе Байконура около 1 134 км/ч, а в районе Плесецка вообще 760 км/ч. Таким образом запуск с экватора дает большее “бесплатное” ускорение. Вообще Земля имеет не совсем форму сферы - она приплюснута. Поэтому наша оценка Длины окружности Земли несколько неточна.
Но подождите, скажете Вы, если ракеты способы достигать скоростей в тысячи километров в час, то что даст небольшой прирост? Ответ состоит в том, что ракеты, вместе с топливом и полезным грузом, очень тяжелые. Например, ракета-носитель протон согласно данным википедии имеет стартовую массу 705 тонн. Для ускорения такой массы даже до 1 134 км/ч требуется огромное количество энергии, а следовательно и большой объем топлива. Поэтому запуск с экватора дает ощутимые выгоды.
Когда ракета достигает очень разреженного воздуха на высоте примерно 193 километра, система управления ракетой включает небольшие двигатели, достаточные для поворота ракеты в горизонтальное положение. Затем спутник отделяется от ракеты. Затем ракета снова включает двигатели для обеспечения некоторого разделения ракеты и спутника.
Инерциальный системы наведения
Ракета должна управляться очень точно для выведения спутника на требуемую орбиту, и ошибки в этом деле очень дорого стоят (вспомните неудачи Роскосмоса со спутниками ГЛОНАСС или зондом Фобос-Грунт, которые оказались не на той орбите, на какой следовало бы). Инерциальные системы наведения внутри ракет делают такое управление возможным. Такая система определяет точное положение ракеты и ее направления путем измерения ускорения ракеты с использованием гироскопов и акселерометров. Расположенные в кардановом подвесе, оси гироскопа всегда показывают в одном направлении. Кроме того, платформа гироскопов содержит акселерометры, которые измеряют ускорение в трех разных осях. Если системе управления известно первоначальное местоположение ракеты в момент запуск и ускорения в момент полета, она сможет рассчитать положение ракеты и ориентацию в пространстве.
Орбитальная скорость и высота
Ракета должна разогнаться до скорости как минимум 40 320 км/ч (11.2 км/с) чтобы полностью выйти из Земной гравитации и отправиться в космос. Эта скорость называется второй космической скоростью и для разных небесных тел она разная.
Вторая космическая скорость земли куда больше, чем скорость требуемая для помещения спутников на орбиту. Спутникам не требуется выходить из гравитации Земли, им нужно балансировать относительно нее. Орбитальная скорость - это скорость требуемая для достижения равновесия между гравитационным притяжением и инерцией движения спутника. В среднем эта скорость составляет 27 359 км/ч на высоте примерно 242 километра. Без гравитации, инерция спутника будет выталкивать его в космос. Хотя даже если гравитация присутствует, то слишком большая скорость спутника выведет его с орбиты Земли в открытый космос. С другой стороны, если спутник будет двигаться медленно, то под действием гравитации он упадет обратно на Землю. Если спутник будет иметь определенную правильную скорость, то гравитации будет уравновешена инерцией спутника, сила тяжести Земли будет достаточна для того, чтобы спутник двигался по круговой или эллиптической орбите, а не улетел в космос по прямой линии.
Орбитальная скорость спутника зависит от того, на какой высоте последний находится. Чем ближе к Земли - тем больше требуемая скорость. На высоте 200 километров, требуемая орбитальная скорость составляет около 27 400 км/ч. Для поддержания орбиты в 35 786 км, спутник должен двигаться по орбите со скоростью около 11 300 км/ч. Такая орбитальная скорость позволит спутнику сделать один оборот вокруг Земли за 24 часа. Так как сама Земля вращается со скоростью 24 часа, спутник на высоте 35 786 км будет оставаться строго над одной и той же точкой на поверхности Земли. Такая орбита носит название “геостационарная”. Геостационарные орбиты идеальны для погодных спутников и спутников связи.
Луна имеет “высоту” относительно Земли 384 400 километров, а ее орбитальная скорость составляет 3 700 км/ч. Она совершает полный оборот по своей орбите за 27.322 дня. Заметьте, что ее орбитальная скорость ниже, потому что она находится дальше искусственных спутников.
Вообщем, чем выше орбита, тем дольше спутник может находится на орбите. На низких высотах, спутник входит в слои атмосферы, которая создает трение. Трение отнимает часть энергии движения спутника, и он попадает в более плотные слои и, падая на Землю, сгорает в атмосфере. На больших высотах, где почти вакуум, трения не возникает и спутник может оставаться на орбите веками (возьмем Луну, например).
Спутники, как правило, сначала имеют эллиптическую орбиту. Наземные станции управления используют небольшие реактивные двигатели спутника для корректировки орбиты. Цель - сделать орбиту круговой настолько, насколько это возможно. Включение реактивного двигателя в апогее орбиты (наиболее удаленная точка), и приложение силы в направлении полета смещают перигей дальше от Земли. В результате орбита приближается по форме к круговой.
Продолжение следует…