Какова орбита нашей планеты?

Высота орбиты и полета спутников

Движение аппаратов осуществляется по заданной орбите. Высота полета спутников зависит, как уже отмечалось, от назначения агрегата и траектории, которая была ему задана. На практике используется несколько разновидностей орбит:

околоземная (низкая) орбита – расположение в этом случае является максимально приближенным и составляет 300-500 км над уровнем моря (именно на такой дистанции летали первые устройства, зондировавшие земную поверхность и атмосферный слой);
полярная орбита находится в области полярных земных полюсов и имеет угол наклона почти в 90 градусов;
геостационарная – высота орбиты спутников в этом случае составляет минимум 35 000 км, расположение – экваториальная плоскость, есть всего две устойчивые точки, поэтому она является наиболее дорогой и важной;
сильноэллиптическая орбита с контуром в виде эллипса, высота полета спутников по ней меняется, в зависимости от точки траектории, имеет большой размер, используется для исследований и обеспечения связи;
круглая (высота является постоянной практически в любой промежуток времени), она применима в системах глобального позиционирования.

Движение искусственного спутника Земли по геостационарной орбите

Так, выбор орбиты и ее точной высоты зависит от поставленной цели и определяется индивидуально.

Когда были изобретены спутники?

Ученые не понимали Кларка — до 4 октября 1957 года. Тогда Советский Союз запустил «Спутник-1», первый искусственный спутник, на орбиту Земли. «Спутник» был 58 сантиметров в диаметре, весил 83 килограмма и был выполнен в форме шарика. Хотя это было замечательное достижение, содержание «Спутника» было скудным по сегодняшним меркам:

• термометр
• батарея
• радиопередатчик
• газообразный азот, который был под давлением внутри спутника

На внешней стороне «Спутника» четыре штыревые антенны передавали на коротковолновой частоте выше и ниже нынешнего стандарта (27 МГц). Станции слежения на Земле поймали радиосигнал и подтвердили, что крошечный спутник пережил запуск и успешно вышел на курс вокруг нашей планеты. Месяцем позже Советский Союз запустил на орбиту «Спутник-2». Внутри капсулы была собака Лайка.

В декабре 1957 года, отчаянно пытаясь идти в ногу со своими противниками по холодной войне, американские ученые попытались вывести спутник на орбиту вместе с планетой Vanguard. К сожалению, ракета разбилась и сгорела еще на стадии взлета. Вскоре после этого, 31 января 1958 года, США повторили успех СССР, приняв план Вернера фон Брауна, который заключался в выводе спутника Explorer-1 с ракетой U.S. Redstone. Explorer-1 нес инструменты для обнаружения космических лучей и обнаружил в ходе эксперимента Джеймса Ван Аллена из Университета Айовы, что космических лучей гораздо меньше, чем ожидалось. Это привело к открытию двух тороидальных зон (в конечном счете названных в честь Ван Аллена), наполненных заряженными частицами, захваченными магнитным полем Земли.

Воодушевленные этими успехами, некоторые компании начали разрабатывать и запускать спутники в 60-х годах. Одной из них была Hughes Aircraft вместе со звездным инженером Гарольдом Розеном. Розен возглавил команду, которая воплотила идею Кларка — спутник связи, размещенный на орбите Земли таким образом, что мог отражать радиоволны из одного места в другое. В 1961 году NASA заключило контракт с Hughes, чтобы построить серию спутников Syncom (синхронная связь). В июле 1963 года Розен и его коллеги увидели, как Syncom-2 взлетел в космос и вышел на грубую геосинхронную орбиту. Президент Кеннеди использовал новую систему, чтобы поговорить с премьер-министром Нигерии в Африке. Вскоре взлетел и Syncom-3, который на самом деле мог транслировать телевизионный сигнал.

Эпоха спутников началась.

Спутниковые разведсистемы Советского Союза

Разрабатывать корабли-спутники для разведки и полета человека в космос СССР решил в мае 1959 года. Для этого создавались пилотируемые космические корабли типа «Восток», а также фоторазведывательные «Зениты». В апреле 1962 года с «Космоса-4» провели первую телевизионную съемку земных облачных покровов. Это стало революцией при дальнейшем прогнозировании погодных условий.

«Зенит-2» был первым советским разведспутником. В марте 1964 года его приняли на вооружение. От американских аналогичных аппаратов, в которых предусматривалось возвращение только пленки, спутники серии «Восток-Д» отличало то, что при возвращении на Землю использовали более крупную капсулу, содержавшую камеры с пленками. С 1962-1968 годы фоторазведкой занимались «Зенит-2, -4».

Первое поколение спутников запускали с помощью все тех же ракетоносителей и на те же орбиты, что и пилотируемые «Востоки». Длительность полетов доходила в основном восемь суток, а запуски к 1964 году возросли до девяти в течение года. Первое происшествие по этому проекту произошло в 1964 году. Тогда на борту «Космоса-50» по окончании восьмисуточного полета произошел взрыв. В январе 1968 года с космодрома Плесецк запустили разведспутник «Космос-200». «Зениты» оснащались на тот момент самой совершенной аппаратурой.

Позднее приступили к разработке новых аппаратов «Янтарь», вслед за принятием их на вооружение они стали именоваться «Фениксом» (разработка ЦСКБ «Прогресс» Самара). Это был прототип серии спутников для оптической разведки:

• «Янтарь-1» — обзорная фоторазведка;
• «Янтарь-2» — детальная фоторазведка.

Военно-разведывательные спутники последних поколений в СССР

Позднее в 1978 году «Янтарь-2К» («Феникс») был принят на вооружение. Его технические характеристики не уступали американским многокапсульным спутникам типа «Большая птица». В 1974-1983 годы произвели 30 запусков ракетоносителей «Союз-У» с космическим аппаратом «Янтарь-2К».

Дважды отказывали ракетоносители и столько же раз КА подрывали на орбите, находя в них серьезные технические неисправности. Далее на основе «Янтаря» создали «Неман», спутники оптикоэлектронной разведки. Они уже могли преобразовывать фотоснимки в цифровые сигналы и передавали их по радиоканалам для наземных пунктов.

С 1980 года на «Арсенале» выпустили серию «Кобальтов» (модификацию «Янтаря-2К») — космических аппаратов для наблюдения и детальной фотосъемки поверхности земли. Их сменили «Кобальты-М» с возвращаемыми на Землю капсулами с пленками. По штату срок существования их на орбите в активной фазе составлял до 120 суток. В апреле 2010 года в Плесецке успешно запустили ракету-носитель «Союз-У» с КА «Космос-2462». На его борту был спутник оптической разведки «Кобальт-М».

В 1994 году на Байконуре запустили «Енисей», космический аппарат с новым оптикоэлектронным разведывательным спутником, который мог работать на орбите приблизительно год. Это уже был цифровой фоторазведывательный спутник пятого поколения, который мог передавать информацию в режиме близкому реальному времени. Это была более долгоживущая модификация «Дона», на борту которого было 22 спускаемые капсулы.

Недостатки геостационарных спутников[править]

В полярных широтах из-за формы Земли возможно ухудшение качества сигнала вплоть до невозможности приёма и передачи.

Ещё одним недостатком является ограниченное пространство на геостационарной орбите. Спутники могут снабжаться системами увода с орбиты, после отработки определённого срока они возвращаются на Землю и сгорают в её атмосфере. Подсчитано, что даже если на геостационарную орбиту вывести 18 000 спутников, вероятность их столкновения не превысит 1 раза в 40 000 лет. Другой проблемой является занятие свободных радиочастот и их распределение. В общей полосе частот могут работать не более 100‒180 спутников.

Из-за большой высоты орбиты сигнал идёт с задержкой. С высоты примерно 36 000 км сигнал доходит до Земли за 240 миллисекунд. В реальности запаздывания составляют 500 миллисекунд и более, это связано с искажениями в ионосфере. В голосовой связи запаздывание ощущается в виде эха. Для нормализации связи применяются эхозаградители, которые защищают каналы и подавляют помехи. Также возможно использование синхронизаторов, они выравнивают время задержки сигнала.

Однако в радионавигационных системах задержка сигнала не вредит, напротив, её вычисление позволяет узнать расстояние от спутника до навигационного приёмника.

Реальный спутник, в отличие от идеального, находится не постоянно над одной и той же точкой поверхности Земли, а совершает колебательные движения. Из-за этого проявляется эффект Доплера и сдвиг частоты, не более 10−8. Это не вносит особых искажений в передачу, например, программ телевидения или сигналов телефонии, однако сказывается при передаче некоторых особых узкополосных сигналов.

Космический мусор

Среда НОО сильно загрязнена космическим мусором — останками отслуживших спутников и частей ракет-носителей, из-за высокой популярности запусков на эти высоты, а также фрагментами, образующимися при взрывах спутников и их столкновениях. При соударении объектов размером более нескольких сантиметров, движущихся с орбитальными скоростями под углом друг к другу происходит их значительное разрушение.
Начиная с 2000-х — 2010-х годов спутников и космического мусора, согласно отдельным моделям, на НОО стало достаточно, чтобы столкновение между различными объектами порождало множество осколков, еще больше засоряя эту область (Принцип домино или цепная реакция). Подобный эффект роста количества мусора называется синдромом Кесслера, и он потенциально может привести в будущем к полной невозможности использования космического пространства при запусках с Земли.

Несколько организаций США, России отслеживают орбиты более 15 тысяч объектов на НОО. При этом обычно надежно отслеживаются лишь космические аппараты и фрагменты мусора крупнее 10 см. Объекты с размерами от 1 до 10 см практически не отслеживаются, однако представляют опасность для космических аппаратов. Имеется возможность защиты спутников от негативных последствий столкновения с меньшими объектами.

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.

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.

Какая разница между спутником и космическим мусором?

продолжают находить новые луны

Техногенные объекты, вроде «Спутника» и Explorer, также можно классифицировать как спутники, поскольку они, как и луны, вращаются вокруг планеты. К сожалению, человеческая активность привела к тому, что на орбите Земли оказалось огромное количество мусора. Все эти куски и обломки ведут себя как и крупные ракеты — вращаются вокруг планеты на высокой скорости по круговому или эллиптическому пути. В строгом толковании определения можно каждый такой объект определить как спутник. Но астрономы, как правило, считают спутниками те объекты, которые выполняют полезную функцию. Обломки металла и другой хлам попадают в категорию орбитального мусора.

Орбитальный мусор поступает из многих источников:

• Взрыв ракеты, который производит больше всего хлама.
• Астронавт расслабил руку — если астронавт ремонтирует что-то в космосе и упускает гаечный ключ, тот потерян навсегда. Ключ выходит на орбиту и летит со скоростью около 10 км/с. Если он попадет в человека или в спутник, результаты могут быть катастрофическими. Крупные объекты, вроде МКС, представляют собой большую мишень для космического мусора.
• Выброшенные предметы. Части пусковых контейнеров, шапки объективов камер и так далее.

NASA вывело специальный спутник под названием LDEF для изучения долгосрочных эффектов от столкновения с космическим мусором. За шесть лет инструменты спутника зарегистрировали около 20 000 столкновений, некоторые из которых были вызваны микрометеоритами, а другие орбитальным мусором. Ученые NASA продолжают анализировать данные LDEF. А вот в Японии уже планируют развернуть гигантскую сеть для отлова космического мусора.

Орбитальная скорость и высота

Ракета должна набрать скорость в 40 320 километров в час, чтобы полностью сбежать от земной гравитации и улететь в космос. Космическая скорость куда больше, чем нужно спутнику на орбите. Они не избегают земной гравитации, а находятся в состоянии баланса. Орбитальная скорость — это скорость, необходимая для поддержания баланса между гравитационным притяжением и инерциальным движением спутника. Это примерно 27 359 километров в час на высоте 242 километра. Без гравитации инерция унесла бы спутник в космос. Даже с гравитацией, если спутник будет двигаться слишком быстро, его унесет в космос. Если спутник будет двигаться слишком медленно, гравитация притянет его обратно к Земле.

Орбитальная скорость спутника зависит от его высоты над Землей. Чем ближе к Земле, тем быстрее скорость. На высоте в 200 километров орбитальная скорость составляет 27 400 километров в час. Для поддержания орбиты на высоте 35 786 километров спутник должен обращаться со скорость 11 300 километров в час. Эта орбитальная скорость позволяет спутнику делать один облет в 24 часа. Поскольку Земля также вращается 24 часа, спутник на высоте в 35 786 километров находится в фиксированной позиции относительно поверхности Земли. Эта позиция называется геостационарной. Геостационарная орбита идеально подходит для метеорологических спутников и спутников связи.

В целом, чем выше орбита, тем дольше спутник может оставаться на ней. На низкой высоте спутник находится в земной атмосфере, которая создает сопротивление. На большой высоте нет практически никакого сопротивления, и спутник, как луна, может находиться на орбите веками.

«Обитаемый пояс» – 200–500 км

Высота орбиты Международной космической станции – 413–418 км, станции «Мир» – 354?374 км. Первая в мире пилотируемая орбитальная станция «Салют-1» 19 апреля 1971 года была выведена на орбиту 200–222 км.

Все орбиты в пределах 200–500 км.Такой выбор не случаен. Выше поднимать пилотируемую орбитальную станцию нельзя, так как это опасно для космонавтов. Начиная с высоты 500 километров повышается уровень радиации.

Ниже тоже нельзя. Космическая станция будет «цепляться» за атмосферу, которая хоть и разреженная, но все же оказывает аэродинамическое сопротивление космическим аппаратам на низких орбитах.

Ежедневно высота орбиты МКС, вследствие сопротивления атмосферы и под воздействием силы притяжения Земли, уменьшается на 150–200 метров. Не случайно каждый раз при посещении станции пилотируемыми и грузовыми кораблями ее орбиту поднимают выше.

Кроме того, более высокие орбиты были бы невыгодны по экономическим причинам, так как доставка грузов в этом случае обходилась бы дороже.

Van Allen Probes / NASA

Что такое спутник?

Спутник

Чтобы понять, почему спутники движутся таким образом, мы должны навестить нашего друга Ньютона. Он предположил, что сила гравитации существует между двумя любыми объектами во Вселенной. Если бы этой силы не было, спутники, летящие вблизи планеты, продолжали бы свое движение с одной скоростью и в одном направлении — по прямой. Эта прямая — инерционный путь спутника, который, однако, уравновешивается сильным гравитационным притяжением, направленным к центру планеты.

Иногда орбита спутника выглядит как эллипс, приплюснутый круг, который проходит вокруг двух точек, известных как фокусы. В этом случае работают все те же законы движения, разве что планеты расположены в одном из фокусов. В результате, чистая сила, приложенная к спутнику, не проходит равномерно по всему его пути, и скорость спутника постоянно меняется. Он движется быстро, когда находится ближе всего к планете — в точке перигея (не путать с перигелием), и медленнее, когда находится дальше от планеты — в точке апогея.

Спутники бывают самых разных форм и размеров и выполняют самые разнообразные задачи.

Метеорологические спутники помогают метеорологам прогнозировать погоду или видеть, что происходит с ней в данный момент. Геостационарный эксплуатационный экологический спутник (GOES) представляет хороший пример. Эти спутники обычно включают камеры, которые демонстрируют погоду Земли.
Спутники связи позволяют телефонным разговорам ретранслироваться через спутник

Наиболее важной особенностью спутника связи является транспондер — радио, которое получает разговор на одной частоте, а после усиливает его и передает обратно на Землю на другой частоте. Спутник обычно содержит сотни или тысячи транспондеров

Спутники связи, как правило, геосинхронные (об этом позже).
Телевизионные спутники передают телевизионные сигналы из одной точки в другую (по аналогии со спутниками связи).
Научные спутники, как некогда космический телескоп Хаббла, выполняют все виды научных миссий. Они наблюдают за всем — от солнечных пятен до гамма-лучей.
Навигационные спутники помогают летать самолетам и плавать кораблям. GPS NAVSTAR и спутники ГЛОНАСС — яркие представители.
Спасательные спутники реагируют на сигналы бедствия.
Спутники наблюдения за Землей отмечают изменения — от температуры до ледяных шапок. Наиболее известные — серия Landsat.

Военные спутники также находятся на орбите, но большая часть их работы остается тайной. Они могут ретранслировать зашифрованные сообщения, осуществлять наблюдение за ядерным оружием, передвижениями противника, предупреждать о запусках ракет, прослушивать сухопутное радио, осуществлять радиолокационную съемку и картографирование.

Орбиты Луны и планет.

На примере Луны покажем, как описывается орбита (рис. 3). Это относительная орбита, плоскость которой наклонена примерно на 5° к эклиптике. Этот угол называют «наклонением» лунной орбиты. Плоскость лунной орбиты пересекает эклиптику по «линии узлов». Тот из них, где Луна проходит с юга на север, называют «восходящим узлом», а другой – «нисходящим».

Если бы Земля и Луна были изолированы от гравитационного влияния других тел, узлы лунной орбиты всегда имели бы неизменное положение на небе. Но из-за влияния Солнца на движение Луны происходит обратное движение узлов, т.е. они перемещаются по эклиптике на запад, совершая полный оборот за 18,6 лет. Подобно этому, узлы орбит искусственных спутников перемещаются из-за возмущающего влияния экваториального вздутия Земли.

Земля расположена не в центре лунной орбиты, а в одном из ее фокусов. Поэтому в некоторой точке орбиты Луна ближе всего к Земле; это «перигей». В противоположной точке она дальше всего от Земли; это «апогей». (Соответствующие термины для Солнца – «перигелий» и «афелий».) Полусумму расстояний в перигее и апогее называют средним расстоянием; оно равно половине наибольшего диаметра (большой оси) орбиты, поэтому его называют «большой полуосью». Перигей и апогей называют «апсидами», а соединяющую их линию – большую ось – «линией апсид». Если бы не возмущения от Солнца и планет, линия апсид имела бы фиксированное направление в пространстве. Но из-за возмущений линия апсид лунной орбиты движется к востоку с периодом 8,85 лет. То же происходит с линиями апсид искусственных спутников под влиянием экваториального вздутия Земли. У планет линии апсид (между перигелием и афелием) движутся вперед под влиянием других планет. См. также КОНИЧЕСКИЕ СЕЧЕНИЯ.

Размер орбиты определяется длиной большой полуоси, а ее форма – величиной, называемой «эксцентриситетом». Эксцентриситет лунной орбиты вычисляется по формуле:

(Расстояние в апогее – Среднее расстояние) / Среднее расстояние

либо по формуле

(Среднее расстояние – Расстояние в перигее) / Среднее расстояние

Для планет апогей и перигей в этих формулах заменяют на афелий и перигелий. Эксцентриситет круговой орбиты равен нулю; у всех эллиптических орбит он меньше 1,0; у параболической орбиты он в точности равен 1,0; у гиперболических орбит он больше 1,0.

Орбита полностью определена, если указаны ее размер (среднее расстояние), форма (эксцентриситет), наклонение, положение восходящего узла и положение перигея (для Луны) или перигелия (для планет). Эти величины называют «элементами» орбиты. Элементы орбиты искусственного спутника задаются так же, как для Луны, но обычно по отношению не к эклиптике, а к плоскости земного экватора.

Луна обращается вокруг Земли за время, называемое «сидерическим периодом» (27,32 сут); по истечении его она возвращается на исходное место относительно звезд; это ее истинный орбитальный период. Но за это время Солнце перемещается по эклиптике, и Луне требуется еще двое суток, чтобы оказаться в исходной фазе, т.е. в прежнем положении относительно Солнца. Этот промежуток времени называют «синодическим периодом» Луны (ок. 29,5 сут). Так же и планеты обращаются вокруг Солнца за сидерический период, а проходят полный цикл конфигураций – от «вечерней звезды» до «утренней звезды» и обратно – за синодический период. Некоторые элементы орбит планет указаны в таблице. См. также СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА.

Известные спутники

Однако есть настоящие герои орбиты. Давайте с ними познакомимся.

1. Спутники Landsat фотографируют Землю с начала 1970-х годов, и по части наблюдений за поверхностью Земли они рекордсмены. Landsat-1, известный в свое время как ERTS (Earth Resources Technology Satellite) был запущен 23 июля 1972 года. Он нес два основных инструмента: камеру и многоспектральный сканер, созданный Hughes Aircraft Company и способный записывать данные в зеленом, красном и двух инфракрасных спектрах. Спутник делал настолько шикарные изображения и считался настолько успешным, что за ним последовала целая серия. NASA запустило последний Landsat-8 в феврале 2013 года. На этом аппарате полетели два наблюдающих за Землей датчика, Operational Land Imager и Thermal Infrared Sensor, собирающие многоспектральные изображения прибрежных регионов, полярных льдов, островов и континентов.
2. Геостационарные эксплуатационные экологические спутники (GOES) кружат над Землей на геостационарной орбите, каждый отвечает за фиксированную часть земного шара. Это позволяет спутникам внимательно наблюдать за атмосферой и выявлять изменения погодных условий, которые могут привести к торнадо, ураганам, паводкам и грозовым штормам. Также спутники используются для оценки сумм осадков и накопления снегов, измерения степени снежного покрова и отслеживания передвижений морского и озерного льда. С 1974 года на орбиту было выведено 15 спутников GOES, но одновременно за погодой наблюдают только два спутника GOES «Запад» и GOES «Восток».
3. Jason-1 и Jason-2 сыграли ключевую роль в долгосрочном анализе океанов Земли. NASA запустило Jason-1 в декабре 2001 года, чтобы заменить им спутник NASA/CNES Topex/Poseidon, который работал над Землей с 1992 года. На протяжении почти тринадцати лет Jason-1 измерял уровень моря, скорость ветра и высоту волн более 95 % свободных от льда земных океанов. NASA официально списало Jason-1 3 июля 2013 года. В 2008 году на орбиту вышел Jason-2. Он нес высокоточные инструменты, позволяющие измерять дистанцию от спутника до поверхности океана с точностью в несколько сантиметров. Эти данные, помимо ценности для океанологов, предоставляют обширный взгляд на поведение мировых климатических паттернов.