ИСКУССТВЕННЫЕ СПУТНИКИ: ДЛЯ ЧЕГО ОНИ НУЖНЫ, КАК РАБОТАЮТ, ТИПЫ, ВАЖНО - ARTE - 2026

Эти спутники являются транспортные средства или устройства , построенные специально для выбрасываться в пространство без экипажа, чтобы орбиту вокруг Земли или другого небесного тела.

Первые идеи о создании искусственных спутников исходили от авторов-фантастов, например Жюля Верна и Артура Кларка. Последний был офицером-радаром в Королевских военно-воздушных силах и в конце Второй мировой войны задумал использовать три спутника на орбите вокруг Земли для обслуживания телекоммуникационной сети.

Рис. 1. Искусственный спутник на орбите Земли. Источник: Wikimedia Commons.

В то время еще не было средств для вывода спутника на орбиту. Военным США потребовалось еще несколько лет, чтобы создать первую спутниковую связь в начале 1950-х годов.

Космическая гонка между Соединенными Штатами и Советским Союзом дала толчок развитию индустрии искусственных спутников. Первым успешно выведенным на орбиту в 1957 г. был советский спутник "Спутник", который излучал сигналы в диапазоне 20-40 МГц.

После этого Соединенные Штаты запустили Echo I в целях связи. С тех пор обе державы осуществили многочисленные запуски на орбиту, и впоследствии многие страны присоединились к новой технологии.

Для чего нужны искусственные спутники?

-В телекоммуникациях - для ретрансляции сообщений радио, телевидения и сотового телефона.

-В научных и метеорологических исследованиях, включая картографию и астрономические наблюдения.

-Для целей военной разведки.

-Для навигации и определения местоположения используется одна из самых известных систем GPS (Global Positioning System).

-Для наблюдения за земной поверхностью.

-На космических станциях, предназначенных для знакомства с жизнью за пределами Земли.

Как они работают?

В своих принципах Исаак Ньютон (1643-1727) установил, что необходимо для вывода спутника на орбиту, хотя вместо спутника он использовал в качестве примера пушечное ядро, выпущенное с вершины холма.

Выстреливая с определенной горизонтальной скоростью, пуля следует по обычной параболической траектории. С увеличением скорости горизонтальный вылет становится все больше и больше, что было ясно. Но заставит ли пуля с определенной скоростью выйти на орбиту вокруг Земли?

Земля изгибается от линии, касающейся поверхности, со скоростью 4,9 м на каждые 8 ​​км. Любой объект, выпущенный из состояния покоя, упадет на 4,9 м за первую секунду. Следовательно, при горизонтальном выстреле с пика со скоростью 8 км / с пуля упадет на 4,9 м за первую секунду.

Но Земля за это время также опустится на 4,9 м, так как она изгибается под пушечным ядром. Он продолжает движение по горизонтали, покрывая 8 км и оставаясь на той же высоте по отношению к Земле в течение этой секунды.

Естественно, то же самое происходит через следующую секунду и во все последующие секунды, превращая пулю в искусственный спутник, без какой-либо дополнительной тяги, пока нет трения.

Однако трение, вызванное сопротивлением воздуха, неизбежно, поэтому необходима ракета-носитель.

Ракета поднимает спутник на большую высоту, где более тонкая атмосфера оказывает меньшее сопротивление и обеспечивает ему необходимую горизонтальную скорость.

Такая скорость должна быть больше 8 км / с и меньше 11 км / с. Последняя - это убегающая скорость. Спроектированный с такой скоростью, спутник отказался бы от гравитационного воздействия Земли, уходя в космос.

Структура искусственного спутника

Искусственные спутники содержат различные сложные механизмы для выполнения своих функций, которые включают прием, обработку и отправку различных типов сигналов. Они также должны быть легкими и автономными.

Основные конструкции общие для всех искусственных спутников, которые, в свою очередь, имеют несколько подсистем по назначению. Они монтируются в корпусе из металла или других легких составов, который служит опорой и называется шиной.

В автобусе можно найти:

- Центральный модуль управления, содержащий компьютер, с помощью которого обрабатываются данные.

- Приемные и передающие антенны для связи и передачи данных по радиоволнам, а также телескопы, камеры и радары.

- Система солнечных батарей на крыльях, для получения необходимой энергии и аккумуляторов, когда спутник находится в тени. В зависимости от орбиты спутникам требуется около 60 минут солнечного света для подзарядки батарей, если они находятся на низкой орбите. Более далекие спутники проводят гораздо больше времени под воздействием солнечного излучения.

Поскольку спутники долгое время подвергаются воздействию этого излучения, требуется система защиты, чтобы избежать повреждения других систем.

Открытые части сильно нагреваются, в то время как в тени они достигают крайне низких температур, потому что атмосферы недостаточно для регулирования изменений. По этой причине радиаторы необходимы для устранения тепла и алюминиевые крышки для сохранения тепла, когда это необходимо.

Типы искусственных спутников

В зависимости от траектории искусственные спутники могут быть эллиптическими или круглыми. Конечно, каждому спутнику назначена орбита, которая обычно совпадает с направлением вращения Земли и называется асинхронной орбитой. Если по какой-то причине спутник движется в обратном направлении, то он имеет ретроградную орбиту.

Под действием силы тяжести объекты движутся по эллиптическим траекториям в соответствии с законами Кеплера. Искусственные спутники этого не избегают, однако некоторые эллиптические орбиты имеют такой небольшой эксцентриситет, что их можно считать круговыми.

Орбиты также могут быть наклонены по отношению к экватору Земли. При наклоне 0 ° они являются экваториальными орбитами, если 90 ° - полярными.

Высота спутника также является важным параметром, поскольку между высотой 1500–3000 км находится первый пояс Ван Аллена, региона, которого следует избегать из-за его высокой радиации.

Рисунок 2. Орбиты, высота и скорость искусственных спутников. Вышедшие из употребления спутники выходят на орбиту кладбища, хотя на всех орбитах есть остатки. Источник: Wikimedia Commons.

Спутниковые орбиты

Орбита спутника выбирается в соответствии с его миссией, поскольку есть более или менее благоприятные высоты для различных операций. По этому критерию спутники классифицируются как:

- НОО (низкая околоземная орбита) , они имеют высоту от 500 до 900 км и описывают круговую траекторию с периодами приблизительно 1,5 часа с наклонением 90º. Они используются для мобильных телефонов, факсов, персональных пейджеров, автомобилей и лодок.

- MEO (Средняя околоземная орбита) , они находятся на высоте 5000-12000 км, наклонении 50º и периоде примерно 6 часов. Они также используются в сотовых телефонах.

- GEO (Geosynchronous Earth Orbit) или геостационарная орбита, хотя между двумя терминами есть небольшая разница. Первые могут иметь переменный наклон, а вторые всегда под углом 0 °.

Во всяком случае, они на большой высоте -36000 км более-менее-. Они перемещаются по круговым орбитам за 1 день. Благодаря им, помимо других услуг, доступны факс, междугородняя телефония и спутниковое телевидение.

Рисунок 3. Схема орбит искусственных спутников. 1) Земля. 2) ЛЕВ. 3) MEO, 4) Геостационарные орбиты. Источник: Wikimedia Commons.

Геостационарные спутники

Вначале спутники связи имели периоды, отличные от периода вращения Земли, но это затрудняло размещение антенн, и связь была потеряна. Решением было разместить спутник на такой высоте, чтобы его период совпадал с периодом вращения Земли.

Таким образом, спутник вращается вместе с Землей и кажется фиксированным по отношению к ней. Высота, необходимая для вывода спутника на геосинхронную орбиту, составляет 35786,04 км и известна как пояс Кларка.

Высоту орбиты можно рассчитать, установив период, используя следующее выражение, полученное из закона всемирного тяготения Ньютона и законов Кеплера:

Где P - период, a - длина большой полуоси эллиптической орбиты, G - универсальная гравитационная постоянная, а M - масса Земли.

Так как таким образом ориентация спутника по отношению к Земле не изменяется, это гарантирует, что он всегда будет контактировать с ней.

Важнейшие искусственные спутники Земли

Спутник

Рис. 4. Копия спутника "Спутник", первого в истории искусственного спутника Земли на орбите. Источник: Wikimedia Commons.

Это был первый в истории человечества искусственный спутник, выведенный на орбиту бывшим Советским Союзом в октябре 1957 года. За этим спутником последовали еще 3 спутника в рамках программы «Спутник».

Первый спутник был довольно маленьким и легким: в основном это было 83 кг алюминия. Он был способен излучать частоты от 20 до 40 МГц. Он находился на орбите в течение трех недель, после чего упал на Землю.

Реплики Спутника сегодня можно увидеть во многих музеях Российской Федерации, Европы и даже Америки.

Космический шаттл

Другой хорошо известной пилотируемой миссией была космическая транспортная система STS или космический шаттл, которая находилась в эксплуатации с 1981 по 2011 год и участвовала, среди других важных миссий, в запуске космического телескопа Хаббл и Международной космической станции, в дополнение к миссиям ремонт других спутников.

Космический шаттл имел асинхронную орбиту и был многоразовым, так как мог приходить и уходить на Землю. Из пяти паромов два были случайно уничтожены вместе со своими экипажами: Challenger и Columbia.

Спутники GPS

Система глобального позиционирования широко известна тем, что позволяет точно определять местоположение людей и объектов в любой точке земного шара. Сеть GPS состоит как минимум из 24 высотных спутников, из которых всегда есть 4 спутника, видимых с Земли.

Они находятся на орбите на высоте 20 000 км, их период - 12 часов. GPS использует математический метод, аналогичный триангуляции, для оценки положения объектов, называемый трилатерацией.

GPS не ограничивается поиском людей или транспортных средств, он также полезен для картографии, геодезии, геодезии, спасательных операций и занятий спортом, среди других важных приложений.

Космический телескоп Хаббла

Это искусственный спутник, который предлагает несравненные невиданные ранее изображения Солнечной системы, звезд, галактик и далекой Вселенной без атмосферы Земли или светового загрязнения, блокирующих или искажающих далекий свет.

Рис. 5. Вид космического телескопа Хаббла. Источник: НАСА через Wikimedia Commons.

Таким образом, его запуск в 1990 году стал самым заметным достижением астрономии за последнее время. Огромный 11-тонный цилиндр Хаббла находится на высоте 340 миль (548 км), совершая круговое движение вокруг Земли с периодом 96 минут.

Ожидается, что он будет деактивирован между 2020 и 2025 годами и заменен космическим телескопом Джеймса Уэбба.

Международная космическая станция

Известная как МКС (Международная космическая станция), это орбитальная исследовательская лаборатория, управляемая пятью космическими агентствами по всему миру. Пока это самый большой из существующих искусственных спутников.

В отличие от остальных спутников, на космической станции находятся люди. Помимо фиксированного экипажа как минимум из двух космонавтов, станцию ​​посещали даже туристы.

Назначение станции в первую очередь научное. Он имеет 4 лаборатории, в которых исследуются эффекты невесомости и проводятся астрономические, космологические и климатические наблюдения, а также различные эксперименты в области биологии, химии и влияния излучения на различные системы.

Чандра

Этот искусственный спутник представляет собой обсерваторию для обнаружения рентгеновских лучей, которые поглощаются атмосферой Земли и поэтому не могут быть изучены с поверхности. НАСА вывело его на орбиту в 1999 году с помощью космического корабля "Колумбия".

Спутники связи Иридиум

Они составляют сеть из 66 спутников на высоте 780 км на орбитах типа LEO с периодом действия 100 минут. Они были разработаны телефонной компанией Motorola для обеспечения телефонной связи в труднодоступных местах. Однако это очень дорогая услуга.

Спутниковая система Галилео

Это система определения местоположения, разработанная Европейским Союзом, эквивалентная GPS и предназначенная для гражданского использования. В настоящее время у него работает 22 спутника, но он все еще строится. Он способен определять местонахождение человека или объекта с точностью до 1 метра в открытой версии и взаимодействует со спутниками системы GPS.

Серия Landsat

Это спутники, специально разработанные для наблюдения за земной поверхностью. Они начали свою работу в 1972 году. Помимо прочего, они отвечают за картографирование местности, запись информации о движении льда на полюсах и протяженности лесов, а также за ведение горных работ.

Система Глонасс

Это система геолокации Российской Федерации, эквивалентная GPS и сети Galileo.

Наблюдение за искусственными спутниками

Искусственные спутники могут быть замечены с Земли любителями, поскольку они отражают солнечный свет и могут рассматриваться как точки света, даже если Солнце село.

Чтобы найти их, рекомендуется установить на телефон одно из приложений спутникового поиска или обратиться к интернет-сайтам, отслеживающим спутники.

Например, космический телескоп Хаббла можно увидеть невооруженным глазом или, что еще лучше, в хороший бинокль, если вы знаете, где искать.

Подготовка к наблюдению за спутниками такая же, как и к наблюдению за метеорным потоком. Наилучшие результаты получаются очень темными и ясными ночами, без облаков и без луны, или с луной низко над горизонтом. Чем дальше от светового загрязнения, тем лучше, вам также придется брать с собой теплую одежду и горячие напитки.

Ссылки

1. Европейское космическое агентство. Спутники. Получено с: esa.int.
2. Джанколи, Д. 2006. Физика: принципы с приложениями. 6-е. Эд Прентис Холл.
3. Маран, С. Астрономия для чайников.
4. ГОРШОК. О космическом телескопе Хаббл. Получено с: nasa.gov.
5. Что такое искусственные спутники и как они работают? Получено с: youbioit.com
6. Викиверситет. Искусственные спутники. Получено с: es.wikiversity.org.