Продолжаем наш экскурс в устройство и функционирование спутников.
Что такое “окно запуска” спутников?
Окно запуска - это такой период времени, когда наиболее просто разместить спутник на требуемую орбиту для того, чтобы он начал выполнять свои функции.
Например, очень важным фактором является выбор такого окна запуска, когда можно легко вернуть космонавтов обратно, если что-то пойдет не так. Космонавты должны иметь возможность достигнуть безопасной точки приземления, в которой кроме того, будет соответствующий персонал (никто же не хочет приземляться в тайге или Тихом океане). Для других типов запусков, включая межпланетные исследования, окно запуска должно позволить выбрать наиболее эффективный курс достижения очень далеких объектов. Если в расчетное окно запуска будет плохая погода или произойдут какие-то технические неполадки, то запуск стоит перенести в другое благоприятное окно запуска. Если спутник будет запущен пусть даже и в хорошую погоду, но в неблагоприятное окно запуска, то он может быстро закончить свою жизнь либо на неправильной орбите, либо в Тихом океане. В любом случае он не сможет выполнять требуемые функции. Время - наше все!
Что есть внутри типичного спутника?
Спутники бывают разные и имеют разное предназначение. Например:
- Погодные спутники помогают синоптикам предсказывать погоду или просто видеть то, что происходит в данный момент. Вот типичные погодные спутники: EUMETSAT (Meteosat), США (GOES), Япония (MTSAT), Китай (Fengyun-2), Россия (GOMS) и Индия (KALPANA). Такие спутники, как правило, содержат фотокамеры, которые шлют на Землю снимки погоды. Как правило, такие спутники располагаются либо на геостационарной орбите, либо на полярных орбитах.
- Спутники связи позволяют передавать через себя телефонные звонки и информационные соединения. Типичными коммуникационными спутниками являются Telstar и Intelsat. Самой главной частью спутника связи является транспондер - специальный радиопередатчик, который принимает данные на одной частоте, усиливает их и передает обратно на Землю на другой частоте. Спутник, как правило, содержит на борту сотни или даже тысячи транспондеров. Коммуникационные спутники чаще всего являются геосинхронными.
- Телерадиовещательные спутники передают телевизионный (или радио) сигнал из одной точки в другую (так же как спутники связи).
- Научно-исследовательские спутники выполняют различные научные функции. Самым известным является, пожалуй, космический телескоп Хаббл, однако, на орбите существует и множество других, которые наблюдает за всем чем только можно от солнечных пятен до гамма-лучей.
- Навигационные спутники помогают навигации кораблей и самолетов. Самые известные из навигационных спутников - GPS и наш отечественный ГЛОНАСС.
- Спасательные спутники реагируют на сигналы бедствия.
- Спутники исследования Земли используются для исследования изменений на планете от температуры до предсказания таяниях полярных льдов. Самые известные из них спутники серии LANDSAT.
- Военные спутники используются в военных целях и их назначение как правило засекречено. С появлением военных спутников стало возможным вести разведку прямо из космоса. Кроме того, военные спутники могут использоваться для передачи зашифрованных сообщений, ядерного мониторинга, изучения передвижений противника, раннего предупреждения о запуске ракет, прослушивания наземных линий связи, построение карт радаров, фотографирование (в том числе с использованием специальных телескопов для получения очень подробных картин местности).
Несмотря на существенные различия между всеми этими типами спутников, они имеют несколько общих вещей. Например:
- Все они имеют металлический или композитный каркас и корпус. Корпус спутника содержи все необходимое для функционирования на орбите, в том числе до выживания.
- Все спутники имеют источник энергии (как правило - солнечные батареи) и аккумуляторы для запасов энергии. Набор солнечных батарей обеспечивают электроэнергию для подзарядки батарей. Некоторые новые спутники также содержат и топливные ячейки. Электроснабжение на большинстве спутников очень ценный и ограниченный ресурс. На некоторых космических зондах применяется ядерная энергия. Энергосистема спутников постоянно наблюдается, и собранные данные по энергомониторингу и мониторингу других систем посылаются на Землю в форме телеметрических сигналов.
- Все спутники содержат бортовой компьютер для управления и мониторинга различных систем.
- Все они имеют радиопередатчик и антенну. В самом минимуме все спутники имеют приемопередатчик, с помощью которого наземная команда управления может запращивать информацию со спутника и наблюдать его состояние. Многими спутниками можно управлять с Земли для выполнения различных задач от смены орбиты до перепрошивки бортового компьютера.
- Все они содержат систему управления положением. Такая система предназначена для сохранения ориентации спутника в правильном направлении.
Например, телескоп Хаббл имеет очень сложную систему управления, которая позволяет направлять телескоп в одну точку в космосе в течении часов или даже дней (несмотря на то, что телескоп движется по орбите со скоростью 27 359 км/ч). Система включает гироскопы, акселлерометры, системы стабилизации, ускорите или набор датчиков, которые наблюдают за некоторыми звездами для определения местоположения.
Какие типы орбит спутников бывают?
Существуют три основные типы орбиты, и зависят от они от положения спутника относительно поверхности Земли:
- Геостационарная орбита (еще ее называют геосинхронной или просто синхронной) - это такая орбита, двигаясь по которой спутник всегда находится над одной и той же точкой на поверхности Земли. Большинство геостационарных спутников находится над экватором на высоте около 36000 км, что составляет примерно десятую часть от расстояния до Луны. “Место парковки спутников” над экватором становится перегруженным несколькими сотнями телевизионных спутников, погодных и спутников связи! Эта перегруженность означает, что каждый спутник должен точно управляться для предотвращения перекрытия его сигнала с сигналами соседних спутников. Телевизионные, коммуникационные и погодные спутники - всем нужна геостационарная орбита. Поэтому все спутниковые тарелки на поверхности Земли смотрят всегда в одну сторону, в нашем случае (северное полушарие) на юг.
- Космические запуски обычно используют более низкую орбиту, что приводит к тому, что они пролетают над различными точками в различные моменты времени. В среднем высота асинхронной орбиты составляет примерно 644 километра.
- На полярной орбите спутник обычно находится на малой высоте и проходит через полюса планеты при каждом обороте. Полярная орбита остается неизменной в космосе при вращении Земли по орбите. В результате большая часть Земли проходит под спутником, находящимся на полярной орбите. Из-за того что полярная орбита дает наибольшее покрытие поверхности Земли, ее часто используют для спутников, которые производят картографирование (например, для Google Maps).
Как рассчитывают орбиты спутников?
Для расчета орбиту спутников используется специальное программное обеспечение для компьютеров. Эти программы используют Кеплеровские данные для расчета орбиты и момента, когда спутник будет “над головой”. Кеплеровские данные доступны в Интернете и для любительских радиоспутников.
Спутники используют ряд чувствительных к свету датчиков для определения собственного местоположения. После этого спутник передает полученную позицию на наземную станцию управления.
Высоты спутников
Остров Манхэттен, изображение с GoogleMaps
Если смотреть с Земли, спутники летают на разных высотах. Лучше всего думать о высотах спутников в терминах “как близко” или “как далеко” они от нас. Если рассматривать грубо, от самых близких до самых далеких, то получим следующие типы:
От 100 до 2000 километров - Асинхронные орбиты
Наблюдательные спутники обычно располагаются на высотах от 480 до 970 километров, и используются для таких задач как фотографирование. Наблюдательные спутники типа Landsat 7 выполняют следующие задачи:
- Картографирование
- Наблюдение за движением льда и песка
- Определение местоположения климатических ситуаций (как например, исчезновение тропических лесов)
- Определение местоположения полезных ископаемых
- Поиск проблем с урожаем на полях
Поисково-спасательные спутники работают как передающие станции для ретрансляции сигналов бедствия с упавших самолетов или терпящих бедствия кораблей.
Космические аппараты (например, шаттлы) являются управляемыми спутниками, как правило, с ограниченным временем полета и рядом орбит. Космические запуски с участием людей как правило применяются при ремонте уже существующих спутников или при строительстве космической станции.
От 4 800 до 9 700 километров - Асинхронные орбиты
Научные спутники иногда располагаются на высотах от 4 800 до 9 700 километров. Они отправляют полученные ими научные данные на Землю с помощью радио-телеметрических сигналов. Научные спутники применяются для:
- Изучения растений и животных
- Исследование Земли, как например, наблюдение за вулканами
- Отслеживание дикой природы
- Астрономических исследований, включая инфракрасные астрономические спутники
- Исследований в области физики, как например, исследования NASA в области микрогравитации или исследования солнечной физики
От 9 700 до 19 300 километров - Асинхронные орбиты
Для навигации, американское оборонное ведомство и российское правительство создали навигационные системы, GPS и ГЛОНАСС соответственно. Навигационные спутники используют высоты от 9 700 до 19 300 километров, и применяются для определения точного местоположения приемника. Приемник может располагаться:
- В корабле на море
- В другом космическом аппарате
- В самолете
- В автомобиле
- У вас в кармане
Так как цены на потребительские навигационные приемники имеют тендецию к снижению, обычные бумажные карты столкнулись с очень опасным противником. Теперь вам будет сложнее потеряться в городе и не найти нужную точку.
Интересные факты о GPS:
- Американские войска во время операции “Буря в пустыне” использовали более 9 000 GPS приемников.
- Национальное управление океанических и атмосферных исследований (NOAA) США использовало GPS для измерения точной высоты монумента Вашингтона.
35 764 километров - Геостационарные орбиты
Погодные прогнозы обычно демонстрируют нам изображения со спутников, которые как правило находятся на геостационарной орбите на высоте 35 764 километра над экватором. Вы можете получить напрямую некоторые такие изображения с помощью специальных приемников и компьютерного программного обеспечения. Многие страны используют погодные спутники для предсказания погоды и наблюдения за штормами.
Данные, телевизионные сигнал, изображения и некоторые телефонные звонки аккуратно принимаются и ретранслируются коммуникационными спутниками. Обычные телефонные звонки могут иметь от 550 до 650 миллисекунд задержки на прохождение сигнала туда и обратно, что приводит к неудовольствию пользователя. Задержка возникает из-за того, что сигнал должен дойти вверх до спутника и затем вернуться на Землю. Поэтому из-за такой задержки, многие пользователи предпочитают пользоваться спутниковой связью только в том случае, если нет других вариантов. Однако, VOIP (голос через интернет) технологии встречаются сейчас с похожими проблемами, только в их случае они возникают из-за цифровой компрессии и ограничений пропускной способности, нежели из-за растояния.
Коммуникационные спутники являются очень важными ретрансляционными станциями в космосе. Спутниковые тарелки становятся меньше, потому что спутниковые передатчики становятся более мощными и направленными. С помощью таких спутников передаются:
- Новостные ленты агентств
- Биржевая, бизнес и другая финансовая информация
- Международные радиостанции переходят с коротковолнового (или дополняют его) спутниковым вещанием с использованием микроволнового восходящего сигнала
- Глобальное телевидение, такое как CNN и BBC
- Цифровое радио
Сколько стоят спутники?
Запуск спутников не всегда проходит удачно. Вспомните провал запуска трех спутников ГЛОНАСС или например ФОБОС-ГРУНТ. На самом деле спутники стоят достаточно дорого. Стоимость тех упавших спутников ГЛОНАСС составляла несколько миллиаров рублей.
Другой важный фактор в стоимости спутников - это стоимость запуска. Стоимость запуска спутника на орбиту может варьироваться между 1.5 и 13 миллиардов рублей. Запуск американских шаттлов может достигать до 16 миллиардов рублей (полмиллиарда долларов). Построить спуник, вывести его на орбиту и затем управлять им - это очень дорогое удовольствие!
Продолжение следует…