Спутники земли могут двигаться на максимальном расстоянии. Как работают спутники? Отношение в мире к геостационарным полям
Земля, как любое космическое тело, обладает собственным гравитационным полем и рядом расположенными орбитами, на которых могут находиться тела и объекты разной величины. Чаще всего под ними подразумеваются Луна и международная космическая станция. Первая ходит по своей собственной орбите, а МКС - по низкой околоземной. Существует несколько орбит, которые между собой отличаются удаленностью от Земли, относительным расположением относительно планеты и направлением вращения.
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.
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
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
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
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
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.
Может показаться, что спутники на орбите Земли - это самое простое, привычное и родное, что есть в этом мире. В конце концов, Луна висит на небе уже более четырех миллиардов лет и в ее движениях нет ничего сверхъестественного. Но если мы сами запускаем спутники на орбиту Земли, они держатся там всего несколько или десятки лет, а после повторно входят в атмосферу и либо сгорают, либо падают в океан и на землю.
Более того, если взглянуть на естественные спутники на других планетах, все они держатся значительно дольше, чем антропогенные спутники, которые вращаются вокруг Земли. Международная космическая станция (МКС), например, обращается вокруг Земли каждые 90 минут, в то время как нашей Луне нужно порядка месяца на это. Даже спутники, которые находятся близко к своим планетами - вроде Ио у Юпитера, приливные силы которого согревают мир и разрывают его вулканическими катастрофами, - стабильно держатся на своих орбитах.
Ио, как ожидается, останется на орбите Юпитера на весь оставшийся срок жизни Солнечной системы, а вот МКС, если не принимать никаких мер, будет на своей орбите меньше 20 лет. Та же участь справедлива практически для всех спутников, присутствующих на низкой околоземной орбите: ко времени, когда нагрянет следующее столетие, почти все нынешние спутники войдут в атмосферу Земли и сгорят. Самые крупные (вроде МКС со своей 431 тонной веса) упадут в виде крупных обломков на сушу и в воду.
Почему так происходит? Почему этим спутникам плевать на законы Эйнштейна, Ньютона и Кеплера и почему они не хотят соблюдать стабильную орбиту постоянно? Оказывается, есть ряд факторов, вызывающих эту орбитальную суматоху.
Это, пожалуй, самый важный эффект, который также является причиной того, почему спутники на низкой околоземной орбите нестабильны. Другие спутники - вроде геостационарных спутников - тоже сходят с орбиты, но не так быстро. Мы привыкли считать «космосом» все, что находится выше 100 километров: выше линии Кармана. Но любое определение границы космоса, где начинается космос и заканчивается атмосфера планеты, будет притянутым за уши. В реальности частицы атмосферы простираются далеко и высоко, просто плотность их становится все меньше и меньше. В конечном счете плотность падает - ниже микрограмма на кубический сантиметр, потом нанограмма, потом пикограмма - и тогда мы все с большей уверенностью можем называть это космосом. Но атомы атмосферы могут присутствовать и на расстоянии тысяч километров, и когда спутники сталкиваются с этими атомами, они теряют импульс и замедляются. Поэтому спутники на низкой околоземной орбиты нестабильны.
Частицы солнечного ветра
Солнце постоянно испускает поток высокоэнергетических частиц, по большей части протонов, но есть также электроны и ядра гелия, которые сталкиваются со всем, что встретят. Эти столкновения, в свою очередь, изменяют импульс спутников, с которыми сталкиваются, и постепенно их замедляют. По прошествии достаточного времени, начинают нарушаться и орбиты. И хотя это не основная причина схода с орбиты спутников на НОО, для спутников подальше это имеет более важное значение, поскольку они приближаются, а вместе с этим растет и атмосферное сопротивление.
Несовершенное гравитационное поле Земли
Если бы у Земли не было атмосферы, как у Меркурия или Луны, смогли бы наши спутники оставаться на орбите всегда? Нет, даже если бы мы убрали солнечный ветер. Это потому, что Земля - как и все планеты - не является точечной массой, а скорее структурой с непостоянным гравитационным полем. Это поле и изменения по мере того, как спутники вращаются вокруг планеты, выливаются в воздействие приливных сил на них. И чем ближе спутник к Земле, тем больше воздействие этих сил.
Гравитационное влияние остальной части Солнечной системы
Очевидно, Земля не является полностью изолированной системой, в которой единственная гравитационная сила, которая влияет на спутники, рождается на самой Земле. Нет, Луна, Солнце и все остальные планеты, кометы, астероиды и другое вносят вклад в виде гравитационных сил, которые расталкивают орбиты. Даже если бы Земля была бы идеальной точкой - скажем, сжалась бы в невращающуюся черную дыру - без атмосферы, а спутники на 100% были бы защищены от солнечного ветра, эти спутники постепенно начали бы падать по спирали в центр Земли. Они оставались бы на орбите дольше, чем существовало бы само Солнце, но и эта система не была бы идеально стабильной; орбиты спутников в конечном счете нарушались бы.
Релятивистские эффекты
Законы Ньютона - и кеплеровых орбит - это не единственное, что определяет движение небесных тел. Та же сила, которая заставляет орбиту Меркурия прецессировать на лишние 43» в век, приводит к тому, что орбиты нарушаются за счет гравитационных волн. Скорость этого нарушения невероятно мала для слабых гравитационных полей (вроде тех, что мы нашли в Солнечной системе) и для больших расстояний: потребуется 10 150 лет, чтобы Земля по спирали спустилась к Солнцу, а степень нарушения орбит околоземных спутников в сотни тысяч раз меньше этого. Но эта сила присутствует и является неизбежным следствием общей теории относительности, эффективно проявляясь на более близких спутниках планеты.
Все это не просто влияет на созданные нами спутники, но и на естественные спутники, которые мы находим на орбите других миров. Ближайшая к Марсу луна Фобос, например, обречена быть разорванной приливными силами и по спирали спуститься в атмосферу Красной планеты. Несмотря на наличие атмосферы, которая составляет всего 1/140 земной, атмосфера Марса большая и диффузная, и, кроме того, Марс не имеет защиты от солнечного ветра (в отличие от Земли с ее магнитным полем). Поэтому через десятки миллионов лет Фобос всё. Может показаться, что это случится не скоро, но это ведь меньше 1% от того времени, которое Солнечная система уже существует.
Но ближайшим спутником Юпитера не является Ио: это Метис, по мифологии первая жена Зевса. Ближе Ио есть четыре небольших спутника, из которых Метис ближе всего - всего в 0,8 радиуса Юпитера от атмосферы планеты. В случае с Юпитером за нарушение орбит отвечают не атмосферные силы и не солнечный ветер; с орбитальной полуосью в 128 000 километров, Метис испытывает внушительные приливные силы, которые несут ответственность за нисхождение по спирали этой луны к Юпитеру.
В качестве примера того, что бывает, когда преобладают мощные приливные силы, можно отметить комету Шумейкера - Леви 9 и ее столкновение с Юпитером в 1994 году, после того как она была полностью разорвана приливными силами. Такова судьба всех спутников, которые по спирали идут к своему родному миру.
Сочетание всех этих факторов делает любой спутник фундаментально нестабильным. Учитывая достаточное время и отсутствие других стабилизирующих эффектов, нарушаться будут абсолютно все орбиты. В конце концов, все орбиты нестабильны, но некоторые - нестабильнее других.
Подобно тому, как места в театре позволяют по-разному взглянуть на представление, различные орбиты спутников дают перспективу, каждая из которых имеет свое назначение. Одни кажутся висящими над точкой поверхности, они обеспечивают постоянный обзор одной стороны Земли, в то время как другие кружат вокруг нашей планеты, за день проносясь над множеством мест.
Типы орбит
На какой высоте летают спутники? Различают 3 типа околоземных орбит: высокие, средние и низкие. На высокой, наиболее удаленной от поверхности, как правило, находятся многие погодные и некоторые спутники связи. Сателлиты, вращающиеся на средней околоземной орбите, включают навигационные и специальные, предназначенные для мониторинга конкретного региона. Большинство научных космических аппаратов, в том числе флот системы наблюдения за поверхностью Земли НАСА, находится на низкой орбите.
От того, на какой высоте летают спутники, зависит скорость их движения. По мере приближения к Земле гравитация становится все сильнее, и движение ускоряется. Например, спутнику НАСА Aqua требуется около 99 минут, чтобы облететь вокруг нашей планеты на высоте около 705 км, а метеорологическому аппарату, удаленному на 35 786 км от поверхности, для этого потребуется 23 часа, 56 минут и 4 секунды. На расстоянии 384 403 км от центра Земли Луна завершает один оборот за 28 дней.
Аэродинамический парадокс
Изменение высоты спутника также изменяет его скорость движения по орбите. Здесь наблюдается парадокс. Если оператор спутника хочет повысить его скорость, он не может просто запустить двигатели для ускорения. Это увеличит орбиту (и высоту), что приведет к уменьшению скорости. Вместо этого следует запустить двигатели в направлении, противоположном направлению движения спутника, т. е. совершить действие, которое на Земле бы замедлило движущееся транспортное средство. Такое действие переместит его ниже, что позволит увеличить скорость.
Характеристики орбит
В дополнение к высоте, путь движения спутника характеризуется эксцентриситетом и наклонением. Первый относится к форме орбиты. Спутник с низким эксцентриситетом движется по траектории, близкой к круговой. Эксцентричная орбита имеет форму эллипса. Расстояние от космического аппарата до Земли зависит от его положения.
Наклонение - это угол орбиты по отношению к экватору. Спутник, который вращается непосредственно над экватором, имеет нулевой наклон. Если космический аппарат проходит над северным и южным полюсами (географическими, а не магнитными), его наклон составляет 90°.
Все вместе - высота, эксцентриситет и наклонение - определяют движение сателлита и то, как с его точки зрения будет выглядеть Земля.
Высокая околоземная
Когда спутник достигает ровно 42164 км от центра Земли (около 36 тыс. км от поверхности), он входит в зону, где его орбита соответствует вращению нашей планеты. Поскольку аппарат движется с той же скоростью, что и Земля, т. е. его период обращения равен 24 ч, кажется, что он остается на месте над единственной долготой, хотя и может дрейфовать с севера на юг. Эта специальная высокая орбита называется геосинхронной.
Спутник движется по круговой орбите прямо над экватором (эксцентриситет и наклонение равны нулю) и относительно Земли стоит на месте. Он всегда расположен над одной и той же точкой на ее поверхности.
Орбита «Молния» (наклонение 63,4°) используется для наблюдения в высоких широтах. Геостационарные спутники привязаны к экватору, поэтому они не подходят для дальних северных или южных регионов. Эта орбита весьма эксцентрична: космический аппарат движется по вытянутому эллипсу с Землей, расположенной близко к одному краю. Так как спутник ускоряется под действием силы тяжести, он движется очень быстро, когда находится близко к нашей планете. При удалении его скорость замедляется, поэтому он больше времени проводит на вершине орбиты в самом дальнем от Земли краю, расстояние до которого может достигать 40 тыс. км. Период обращения составляет 12 ч, но около двух третей этого времени спутник проводит над одним полушарием. Подобно полусинхронной орбите сателлит проходит по одному и тому же пути через каждые 24 ч. Используется для связи на крайнем севере или юге.
Низкая околоземная
Большинство научных спутников, многие метеорологические и космическая станция находятся на почти круговой низкой околоземной орбите. Их наклон зависит от того, мониторингом чего они занимаются. TRMM был запущен для мониторинга осадков в тропиках, поэтому имеет относительно низкое наклонение (35°), оставаясь вблизи экватора.
Многие из спутников системы наблюдения НАСА имеют почти полярную высоконаклонную орбиту. Космический аппарат движется вокруг Земли от полюса до полюса с периодом 99 мин. Половину времени он проходит над дневной стороной нашей планеты, а на полюсе переходит на ночную.
По мере движения спутника под ним вращается Земля. К тому времени, когда аппарат переходит на освещенный участок, он находится над областью, прилегающей к зоне прохождения своей последней орбиты. За 24-часовой период полярные спутники покрывают большую часть Земли дважды: один раз днем и один раз ночью.
Солнечно-синхронная орбита
Подобно тому как геосинхронные спутники должны находиться над экватором, что позволяет им оставаться над одной точкой, полярно-орбитальные имеют способность оставаться в одном времени. Их орбита является солнечно-синхронной - при пересечении космическим аппаратом экватора местное солнечное время всегда одно и то же. Например, спутник Terra пересекает его над Бразилией всегда в 10:30 утра. Следующее пересечение через 99 мин над Эквадором или Колумбией происходит также в 10:30 по местному времени.
Солнечно-синхронная орбита необходима для науки, так как позволяет сохранять солнечного света на поверхность Земли, хотя он будет меняться в зависимости от сезона. Такое постоянство означает, что ученые могут сравнивать изображения нашей планеты одного времени года в течение нескольких лет, не беспокоясь о слишком больших скачках в освещении, которые могут создать иллюзию изменений. Без солнечно-синхронной орбиты было бы сложно отслеживать их с течением времени и собирать информацию, необходимую для изучения изменений климата.
Путь спутника здесь очень ограничен. Если он находится на высоте 100 км, орбита должна иметь наклон 96°. Любое отклонение будет недопустимым. Поскольку сопротивление атмосферы и сила притяжения Солнца и Луны изменяют орбиту аппарата, ее необходимо регулярно корректировать.
Выведение на орбиту: запуск
Запуск спутника требует энергии, количество которой зависит от расположения места старта, высоты и наклона будущей траектории его движения. Чтобы добраться до удаленной орбиты, требуется затратить больше энергии. Спутники со значительным наклоном (например, полярные) более энергозатратны, чем те, которые кружат над экватором. Выведению на орбиту с низким наклоном помогает вращение Земли. движется под углом 51,6397°. Это необходимо для того, чтобы космическим челнокам и российским ракетам было легче добраться до нее. Высота МКС - 337-430 км. Полярные спутники, с другой стороны, от импульса Земли помощи не получают, поэтому им требуется больше энергии, чтобы подняться на такое же расстояние.
Корректировка
После запуска спутника необходимо приложить усилия, чтобы удержать его на определенной орбите. Поскольку Земля не является идеальной сферой, ее гравитация в некоторых местах сильнее. Эта неравномерность, наряду с притяжением Солнца, Луны и Юпитера (самой массивной планеты Солнечной системы), изменяет наклон орбиты. На протяжении всего своего срока службы положение спутников GOES корректировалось три или четыре раза. Низкоорбитальные аппараты НАСА должны регулировать свой наклон ежегодно.
Кроме того, на околоземные спутники оказывает воздействие атмосфера. Самые верхние слои, хотя и достаточно разрежены, оказывают достаточно сильное сопротивление, чтобы притягивать их ближе к Земле. Действие силы тяжести приводит к ускорению спутников. Со временем они сгорают, по спирали опускаясь все ниже и быстрее в атмосферу, или падают на Землю.
Атмосферное сопротивление сильнее, когда Солнце активно. Так же, как воздух в воздушном шаре расширяется и поднимается при нагревании, атмосфера поднимается и расширяется, когда Солнце дает ей дополнительную энергию. Разреженные слои атмосферы поднимаются, а их место занимают более плотные. Поэтому спутники на орбите Земли должны изменять свое положение примерно четыре раза в год, чтобы компенсировать сопротивление атмосферы. Когда солнечная активность максимальна, положение аппарата приходится корректировать каждые 2-3 недели.
Космический мусор
Третья причина, вынуждающая менять орбиту - космический мусор. Один из коммуникационных спутников Iridium столкнулся с нефункционирующим российским космическим аппаратом. Они разбились, образовав облако мусора, состоящее из более чем 2500 частей. Каждый элемент был добавлен в базу данных, которая сегодня насчитывает свыше 18000 объектов техногенного происхождения.
НАСА тщательно отслеживает все, что может оказаться на пути спутников, т. к. из-за космического мусора уже несколько раз приходилось менять орбиты.
Инженеры отслеживают положение космического мусора и сателлитов, которые могут помешать движению и по мере необходимости тщательно планируют маневры уклонения. Эта же команда планирует и выполняет маневры по регулировке наклона и высоты спутника.
Для вывода спутника на околоземную орбиту надо придать ему начальную скорость, равную первой космической скорости или несколько превышающую последнюю. Это происходит не сразу, а постепенно. Несущая спутник многоступенчатая ракета плавно набирает скорость. Когда скорость ее полета достигнет расчетного значения, спутник отделяется от ракеты и начинает свое свободное движение по орбите. От приданной ему начальной скорости и ее направления зависит форма орбиты: ее размеры и эксцентриситет.
Если бы не было сопротивления среды и возмущающих притяжений Луны и Солнца, а Земля имела бы шаровую форму, то орбита спутника не претерпевала бы никаких измений, а сам спутник двигался бы по ней вечно. Однако в действительности орбита каждого спутника изменяется под действием различных причин.
Главная сила, изменяющая орбиту спутника,- это торможение, возникающее вследствие сопротивления разреженной среды, сквозь которую пролетает спутник. Посмотрим, как она влияет на его движение. Так как орбита спутника обычно эллиптическая, то его расстояние от Земли периодически изменяется. Он снижается к перигею и достигает максимального удаления в апогее. Плотность земной атмосферы быстро уменьшается по мере увеличения высоты, и потому спутник встречает наибольшее сопротивление вблизи перигея. Затратив часть кинетической энергии на преодоление этого, хотя и небольшого, сопротивления, спутник уже не может подняться на прежнюю высоту, и его апогей постепенно снижается. Снижение перигея тоже происходит, но гораздо медленнее, чем снижение апогея. Таким образом, постепенно уменьшаются размеры орбиты и ее эксцентриситет: эллиптическая орбита приближается к круговой. Спутник движется вокруг Земли по медленно свертывающейся спирали и в конце концов заканчивает свое существование в плотных слоях земной атмосферы, разогреваясь и испаряясь подобно метеорному телу. При больших размерах он может долететь и до поверхности Земли.
Интересно отметить, что торможение спутника не уменьшает его скорости, а наоборот, увеличивает ее. Сделаем простые вычисления.
Из третьего закона Кеплера следует, что
где С - постоянная, М - масса Земли, m - масса спутника, Р - период его обращения и а - большая полуось орбиты. Пренебре-
гая массой спутника в сравнении с массой Земли получим
Примем для простоты расчетов орбиту спутника за круговую. Двигаясь с постоянной скоростью υ, спутник за полный оборот проходит по орбите расстояние υ Р = 2 πа, откуда Р = 2πa/υ. Подставив это значение Р в формулу (9.1) и выполнив преобразования, найдем
Итак, с уменьшением размеров орбиты а скорость спутника v возрастает: кинетическая энергия спутника растет за счет быстрого уменьшения потенциальной энергии.
Вторая сила, изменяющая форму орбиты спутника,- это давление солнечного излучения, т. е. света и корпускулярных потоков (солнечного ветра). На спутники малых размеров эта сила практически не влияет, но для таких спутников, как «Пагеос», она очень существенна. При запуске «Пагеос» имел круговую орбиту, а через два года она стала очень вытянутой эллиптической.
На движение спутника влияет также и магнитное поле Земли, так как спутник может приобрести некоторый электрический заряд и при его движении в магнитном поле должны возникнуть изменения в траектории.
Однако все эти силы являются возмущающими. Главная же сила, удерживающая спутник на его орбите,- сила земного притяжения. И тут мы встречаемся с некоторыми особенностями. Мы знаем, что в результате осевого вращения фигура Земли отличается от шаровой и что земное притяжение не направлено точно к центру Земли. На очень далеких объектах это не сказывается, но находящийся поблизости от Земли спутник реагирует на наличие у Земли «экваториальных вздутий». Плоскость его орбиты медленно, но вполне регулярно поворачивается вокруг оси вращения Земли. Такое явление хорошо заметно из наблюдений, проведенных на протяжении одной недели. Все эти изменения орбит представляют большой научный интерес, и потому за движением искусственных спутников проводятся систематические наблюдения.
