общ

Как работят сателитите?

"Човек трябва да се издигне над Земята - в атмосферата и отвъд нея, защото само по този начин ще разбере напълно света, в който живее."

Сократ направи това наблюдение векове преди товахората успешно поставят обекта в земна орбита. Въпреки това древногръцкият философ изглежда е разбрал колко ценна може да бъде гледка от космоса, въпреки че изобщо не знаеше как да постигне това.

Тази концепция е за това как да се приведе обект „доатмосфера и извън нея ”- трябваше да изчака, докато Исак Нютон публикува своя известен мисловен експеримент с оръдие през 1729 година. Изглежда така:

- Представете си, че сте сложили пистолет отгорепланини и стреля от нея хоризонтално. Оръдието ще пътува успоредно на земната повърхност известно време, но в крайна сметка ще се поддаде на гравитацията и ще падне на Земята. А сега си представете, че продължавате да добавяте барут към пистолета. С допълнителни експлозии ядрото ще пътува по-далеч и по-далеч, докато падне. Добавете нужното количество барут и ще дадете на ядрото правилното ускорение и то непрекъснато ще лети около планетата, винаги падайки в гравитационното поле, но никога не достигайки до земята. "

През октомври 1957 г. накрая Съветският съюзпотвърдиха предположенията на Нютон, като пуснаха Sputnik-1, първия изкуствен спътник в орбита на Земята. Това даде началото на космическа надпревара и множество изстрелвания на обекти, които са били предназначени да летят около Земята и други планети на Слънчевата система. След изстрелването на Sputnik някои страни, повечето от САЩ, Русия и Китай, изстреляха в космоса над 3000 сателита. Някои от тези обекти, създадени от човека, като МКС, са големи. Други се вписват идеално в малък сандък. Благодарение на спътниците получаваме прогнози за времето, гледаме телевизия, сърфираме в Интернет и извършваме телефонни разговори. Дори онези спътници, чиято работа не чувстваме и не виждаме, са в полза на военните.

Разбира се, изстрелването и експлоатацията на спътниците доведекъм проблемите. Днес, предвид повече от 1000 работещи спътника на орбита на Земята, най-близкият ни космически регион стана по-оживен от голям град в час пик. Добавете към това неработещо оборудване, изоставени спътници, парчета хардуер и фрагменти от експлозии или сблъсъци, които изпълват небето с полезно оборудване. Този орбитален отломък, за който подробно писахме, се е натрупал през годините и представлява сериозна заплаха за спътниците, които в момента обикалят около Земята, както и за бъдещите пилотирани и безпилотни изстрелвания.

В тази статия попадаме в червата на един обикновенсателит и погледнете в очите му, за да видите гледките на нашата планета, за които Сократ и Нютон дори не можеха да мечтаят. Но първо, нека разгледаме по-подробно как всъщност един сателит е различен от другите небесни обекти.

Съдържанието

  • 1 Какво е сателит?
  • 2 Кога са измислени сателитите?
  • 3 Каква е разликата между сателитни и космически отломки?
  • 4 Какво е вътре в обикновен сателит?
  • 5 Как сателитите изстрелват в орбита?
  • 6 Орбитална скорост и надморска височина
  • 7 Видове спътници
  • 8 известни спътника
  • 9 Колко са сателитите?
  • 10 Бъдещето на спътниците

Какво е сателит?


спътник Всеки обект, който се движи по криваоколо планетата. Луната е естествен спътник на Земята, а до Земята има много спътници, направени от човешки ръце, така да се каже, изкуствени. Пътят, който следва сателит, е орбита, понякога под формата на кръг.

За да разбера защо сателитите се движат такапо този начин, трябва да посетим нашия приятел Нютон. Той предположи, че гравитацията съществува между всеки два обекта във Вселената. Ако тази сила не беше там, спътниците, летящи близо до планетата, щяха да продължат движението си с една скорост и в една посока - по права линия. Тази линия е инерциалният път на спътника, който обаче е балансиран от силно гравитационно привличане, насочено към центъра на планетата.

Понякога орбитата на спътника изглежда като елипса,Изравнен кръг, който върви около две точки, известни като магически трикове. В този случай работят всички еднакви закони на движението, с изключение на това, че планетите са разположени в един от триковете. В резултат нетната сила, приложена към спътника, не преминава равномерно по целия му път и скоростта на спътника непрекъснато се променя. Движи се бързо, когато е най-близо до планетата - в точката на перигей (да не се бърка с перихелион), а по-бавно, когато е по-далеч от планетата - в точката на апогей.

Сателитите се предлагат в най-различни форми и размери и изпълняват голямо разнообразие от задачи.

  • Метеорологичните спътници помагат на метеоролозитеПредскажете времето или вижте какво се случва с нея в момента. Геостационарният оперативен екологичен спътник (GOES) дава добър пример. Тези спътници обикновено включват камери, които показват времето на Земята.
  • Комуникационните спътници позволяват телефонни разговориРеле чрез сателит. Най-важната характеристика на комуникационния сателит е транспондер - радио, което приема разговор на една честота, а след това го усилва и предава обратно на Земята с различна честота. Един сателит обикновено съдържа стотици или хиляди транспондери. Комуникационните спътници обикновено са геосинхронни (повече за това по-късно).
  • Телевизионните спътници предават телевизионни сигнали от една точка до друга (подобно на комуникационните спътници).
  • Научни спътници, като космическия телескоп Хъбъл, изпълняват всякакви научни мисии. Те наблюдават всичко - от слънчеви петна до гама лъчи.
  • Навигационните спътници помагат да летят самолети и плават кораби. GPS сателитите NAVSTAR и GLONASS са изключителни представители.
  • Спасителните сателити реагират на сигнали за бедствие.
  • Земните наблюдателни спътници отбелязват промени - от температура до ледени шапки. Най-известните са поредицата Landsat.

Военните сателити също са в орбита, нопо-голямата част от работата им остава загадка. Те могат да препредават криптирани съобщения, да наблюдават ядрените оръжия, движенията на противника, да предупреждават за изстрелванията на ракети, да слушат наземно радио, да извършват радарни проучвания и картографиране.

Кога са измислени сателитите?


Може би Нютон в своите фантазии е започналсателити, но преди да осъществим действително този подвиг, мина много време. Един от първите визионери беше писателят на научна фантастика Артър Кларк. През 1945 г. Кларк предположи, че спътникът може да бъде поставен в орбита, така че да се движи в същата посока и със същата скорост като Земята. Така наречените геостационарни спътници могат да се използват за комуникация.

Учените не разбраха Кларк - до 4 октомври 1957 г.година. Тогава Съветският съюз изстрелва Sputnik-1, първият изкуствен спътник, в орбита на Земята. Спутникът бил с диаметър 58 сантиметра, тежал 83 килограма и бил направен във формата на топка. Въпреки че това беше забележително постижение, съдържанието на Sputnik беше оскъдно според днешните стандарти:

  • термометър
  • батерия
  • радиопредавател
  • азотен газ, който е бил под налягане вътре в спътника

От външната страна на "Sputnik" четири щифтаантени, предавани с честотна вълна над и под текущия стандарт (27 MHz). Проследяващите станции на Земята уловиха радиосигнала и потвърдиха, че малкият сателит е оцелял при изстрелването и е тръгнал успешно на курс около нашата планета. Месец по-късно Съветският съюз изведе Sputnik-2 в орбита. Вътре в капсулата беше кучето Лайка.

През декември 1957 г. отчаян да продължисъс своите противници в Студената война американски учени се опитаха да изстрелят спътник в орбита с планетата Авангард. За съжаление, ракетата се разби и изгори на етапа на излитане. Малко след това, на 31 януари 1958 г., САЩ повтарят успеха на СССР, като приемат плана на Вернер фон Браун, който трябваше да пусне спътника Explorer-1 със САЩ. Редстоун. Explorer-1 носеше инструменти за откриване на космически лъчи и откри по време на експеримент на Джеймс Ван Алън от университета в Айова, че космическите лъчи са много по-малки от очакваното. Това доведе до откриването на две тороидални зони (в крайна сметка кръстени на Ван Алън), пълни с заредени частици, заловени от магнитното поле на Земята.

Окуражени от тези успехи, някои компаниизапочва да разработва и изстрелва спътници през 60-те години. Един от тях беше Хюс Самолет със звезден инженер Харолд Росен. Росен ръководи екипа, който въплъщава идеята на Кларк - комуникационен спътник, поставен в орбитата на Земята по такъв начин, че да може да отразява радиовълни от едно място на друго. През 1961 г. НАСА подписва договор с Хюз за изграждане на серия спътници Syncom (синхронни комуникации). През юли 1963 г. Росен и неговите колеги виждат как Syncom-2 излита в космоса и влиза в груба геосинхронна орбита. Президентът Кенеди използва новата система, за да разговаря с премиера на Нигерия в Африка. Скоро излетя и Syncom-3, който всъщност можеше да излъчи телевизионен сигнал.

Епохата на спътниците е започнала.

Каква е разликата между сателитни и космически отломки?


Технически сателит е всеки обект, койтовърти се около планета или по-малко небесно тяло. Астрономите класифицират луните като естествени спътници и през годините са съставили списък от стотици такива обекти, обикалящи около орбитите на планетите и планетите джуджета на нашата Слънчева система. Например, те преброиха 67 луни на Юпитер. И все още продължават да намират нови луни.

Изработени от човека обекти, като Sputnik и Explorer,също могат да бъдат класифицирани като спътници, тъй като те, подобно на луните, се въртят около планетата. За съжаление човешката дейност доведе до огромно количество боклук в земната орбита. Всички тези парчета и отломки се държат като големи ракети - те се въртят около планетата с висока скорост по кръгова или елиптична пътека. При строго тълкуване на дефиницията всеки такъв обект може да бъде определен като спътник. Но астрономите по правило считат за спътници онези обекти, които изпълняват полезна функция. Отломките и други боклуци попадат в категорията на орбиталните отломки.

Орбиталните отломки идват от много източници:

  • Ракетната експлозия, която произвежда най-много боклук.
  • Астронавтът отпусна ръката си - ако космонавтътпоправя нещо в космоса и пропуска гаечен ключ, че човек се губи завинаги. Ключът излиза в орбита и лети със скорост около 10 км / сек. Ако удари човек или сателит, резултатите могат да бъдат катастрофални. Големи предмети, като МКС, са голяма цел за космическите отломки.
  • Изхвърлени елементи. Части от контейнери за изстрелване, капачки на обективи на камерата и т.н.

НАСА пусна специален спътник, нареченLDEF за изследване на дългосрочните ефекти от сблъсък с космически отломки. За шест години сателитните инструменти регистрират около 20 000 сблъсъка, някои от които са причинени от микрометеорити, а други - от орбитални отломки. Учените от НАСА продължават да анализират данните на LDEF. Но в Япония вече планират да разположат гигантска мрежа за улавяне на космически отломки.

Какво има вътре в обикновен сателит?


Сателитите се предлагат в различни форми и размери иизпълняват много различни функции, но всички по принцип са сходни. Всички те имат метална или композитна рамка и тяло, което англоезичните инженери наричат ​​автобуса, а руснаците - космическата платформа. Космическата платформа обединява всичко и осигурява достатъчно мерки за инструментите, за да оцелеят при изстрелването.

Всички спътници имат източник на енергия (обикновенослънчеви панели) и батерии. Масивите от слънчеви панели ви позволяват да зареждате батерии. По-новите сателити включват горивни клетки. Сателитната енергия е много скъпа и изключително ограничена. Ядрените батерии обикновено се използват за изпращане на космически сонди до други планети.

Всички спътници имат бордови компютър законтрол и мониторинг на различни системи. Всеки има радио и антена. Поне повечето спътници имат радиопредавател и радиоприемник, така че екипажът на наземния екипаж може да поиска информация за състоянието на спътника и да го наблюдава. Много спътници позволяват много различни неща: от промяна на орбитата до препрограмиране на компютърна система.

Както се очаква, сглобете всички тези системисглобяването му не е лесна задача. Отнема години. Всичко започва с определяне целта на мисията. Определянето на неговите параметри позволява на инженерите да сглобят необходимите инструменти и да ги инсталират в правилния ред. След като спецификацията бъде одобрена (и бюджет), започва сглобяването на сателит. Той се провежда в чиста стая, в стерилна среда, което ви позволява да поддържате желаната температура и влажност и да защитавате сателита по време на разработка и монтаж.

Обикновено се произвеждат изкуствени спътницида поръчам. Някои компании са разработили модулни спътници, тоест дизайни, сглобяването на които позволява инсталирането на допълнителни елементи според спецификацията. Например спътниците на Boeing 601 имаха два основни модула - шаси за транспортиране на подсистемата на двигателя, електроника и батерии; и комплект рафтове за клетки за съхранение на оборудване. Тази модулност позволява на инженерите да сглобяват сателити не от нулата, а от детайла.

Как се пускат в орбита спътниците?


Днес всички спътници са изстреляни в орбита на ракета. Мнозина ги транспортират в товарния отдел.

На повечето сателитни изстрелвания, ракетиотивайки право нагоре, това ви позволява бързо да го прекарате през дебел слой от атмосферата и да сведете до минимум разхода на гориво. След излитането на ракетата механизмът за управление на ракетата използва инерционна система за насочване, за да изчисли необходимите корекции на дюзата на ракетата, за да осигури желания наклон.

След като ракетата оскъдивъздух, на височина около 193 километра, навигационната система произвежда малки ракети, което е достатъчно, за да завърти ракетата до хоризонтално положение. След това се освобождава сателит. Малки ракети се изстрелват отново и осигуряват разлика в разстоянието между ракетата и сателита.

Орбитална скорост и височина

Ракетата трябва да набере скорост от 40 320километри в час, за да избягате напълно от земната гравитация и да летите в космоса. Космическата скорост е много по-голяма от необходимата на сателита в орбита. Те не избягват гравитацията на Земята, но са в състояние на равновесие. Орбиталната скорост е скоростта, необходима за поддържане на баланс между гравитационното привличане и инерционното движение на спътник. Това е приблизително 27 359 километра в час на надморска височина от 242 километра. Без гравитация инерцията би пренесла сателита в космоса. Дори при гравитация, ако спътникът се движи твърде бързо, той ще бъде пренесен в космоса. Ако спътникът се движи твърде бавно, гравитацията ще го издърпа обратно към Земята.

Орбиталната скорост на спътника зависи от неговатависочини над Земята. Колкото по-близо е до Земята, толкова по-бърза е скоростта. На надморска височина от 200 километра орбиталната скорост е 27 400 километра в час. За да поддържа орбитата на височина 35 876 ​​километра, спътникът трябва да циркулира със скорост 11 300 километра в час. Тази орбитална скорост позволява на спътника да лети в един кръг за 24 часа. Тъй като Земята също се върти 24 часа, спътникът на височина 35 876 ​​километра е във фиксирано положение спрямо повърхността на Земята. Тази позиция се нарича геостационарна. Геостационарната орбита е идеална за метеорологични и комуникационни спътници.

Като цяло, колкото по-висока е орбитата, толкова по-дълъг е спътникътможе да остане на него. На малка надморска височина спътникът е в земната атмосфера, което създава съпротива. На голяма надморска височина практически няма съпротива и спътник, подобно на Луната, може да бъде в орбита от векове.

Видове сателити


На земята всички сателити изглеждат - лъскавикутии или цилиндри, украсени с крила от слънчеви панели. Но в космоса тези тромави машини се държат много различно в зависимост от траекторията на полета, височината и ориентацията. В резултат класификацията на спътниците се превръща в сложна материя. Един от подходите е да се определи орбитата на апарат спрямо планетата (обикновено Земята). Спомнете си, че има две основни орбити: кръгова и елиптична. Някои спътници започват в елипса и след това влизат в кръгова орбита. Други се движат по елиптична пътека, известна като орбита на мълния. Тези обекти, като правило, обикалят от север на юг през полюсите на Земята и изпълняват пълен летеж за 12 часа.

Полярните орбитни спътници също преминават презстълбове с всяка революция, въпреки че орбитите им са по-малко елиптични. Полярните орбити остават фиксирани в пространството, докато Земята се върти. В резултат на това по-голямата част от Земята преминава под сателит в полярна орбита. Тъй като полярните орбити осигуряват отлично покритие на планетата, те се използват за картографиране и фотография. Синоптиците разчитат и на глобална мрежа от полярни спътници, които летят около земното ни кълбо за 12 часа.

Можете също да класифицирате спътниците по тяхната височина над земната повърхност. Въз основа на тази схема има три категории:

  • Ниска земна орбита (DOE) - DOE спътницизаемат площ от 180 до 2000 километра над Земята. Сателитите, които се движат близо до земната повърхност, са идеални за наблюдение, за военни цели и за събиране на информация за времето.
  • Средна земна орбита (COO) - тези спътници летят от 2 000 до 36 000 км над Земята. GPS навигационните спътници работят добре на тази височина. Приблизителна орбитална скорост - 13 900 км / ч.
  • Геостационарна (геосинхронна) орбита -геостационарните спътници се движат около земята на височина над 36 000 км и със същата скорост на въртене като планетата. Следователно спътниците в тази орбита винаги са разположени на едно и също място на Земята. Много геостационарни спътници летят около екватора, което създаде много „задръствания“ в този космос. Няколкостотин телевизионни, комуникационни и метеорологични спътници използват геостационарна орбита.

И накрая, можете да помислите за спътниците в товасмисъл, където те "търсят". Повечето от обектите, изпратени в космоса през последните няколко десетилетия, гледат Земята. Тези спътници имат камери и оборудване, които могат да видят нашия свят с различна дължина на вълната на светлината, което ви позволява да се насладите на зрелищна гледка в ултравиолетовите и инфрачервените цветове на нашата планета. По-малко сателити насочват погледа си към пространство, където наблюдават звезди, планети и галактики, а също така сканират обекти като астероиди и комети, които могат да се сблъскат със Земята.

Известни сателити


Доскоро сателитите останахаекзотични и строго секретни устройства, които се използват главно за военни цели за навигация и шпионаж. Сега те станаха неразделна част от нашето ежедневие. Благодарение на тях ще разберем прогнозата за времето (макар че синоптиците колко често грешат). Гледаме телевизия и работим с Интернет също благодарение на спътници. GPS в нашите автомобили и смартфони ви позволява да стигнете до правилното място. Заслужава ли да се говори за безценния принос на телескопа Хъбъл и работата на астронавтите на МКС?

Има обаче истински герои от орбитата. Нека се запознаем с тях.

  • Сателитите Landsat правят снимки на земята от самото начало1970 г. и по отношение на наблюденията на земната повърхност те са шампиони. Landsat-1, известен по едно време като ERTS (Earth Resources Technology Satellite), е пуснат на 23 юли 1972 г. Той носеше два основни инструмента: камера и многоспектрален скенер, създаден от Hughes Aircraft Company и способен да записва данни в зелено, червено и два инфрачервени спектъра. Сателитът направи толкова великолепни изображения и се смяташе за толкова успешен, че последва цяла серия. НАСА пусна последния Landsat-8 през февруари 2013 г. На това устройство летяха два сензора, които наблюдават Земята, Оперативен Land Imager и Термичен инфрачервен сензор, които събират многоспектрални изображения на крайбрежните райони, полярния лед, островите и континентите.
  • Геостационарна експлоатационна средаспътници (GOES) обикалят над Земята в геостационарна орбита, всеки отговорен за фиксирана част от земното кълбо. Това позволява на спътниците да наблюдават отблизо атмосферата и да откриват промени във метеорологичните условия, които могат да доведат до торнадо, урагани, наводнения и гръмотевични бури. Сателитите също се използват за оценка на количеството на валежите и натрупването на сняг, измерване на степента на снежната покривка и проследяване на движенията на морския и езерен лед. От 1974 г. в орбита са пуснати 15 спътника GOES, но само два спътника GOES „Запад” и GOES „Изток” следят времето.
  • Jason-1 и Jason-2 изиграха ключова роля вдългосрочен анализ на земните океани. НАСА стартира Jason-1 през декември 2001 г., за да замени спътника NASA / CNES Topex / Poseidon, който работи на Земята от 1992 г. От близо тринадесет години Джейсън-1 измерва морското равнище, скоростта на вятъра и височината на вълната над 95% от безледените земни океани. НАСА официално се оттегли от Джейсън-1 на 3 юли 2013 г. През 2008 г. Джейсън-2 влезе в орбита. Той носел високоточни инструменти, за да измерва разстоянието от спътника до повърхността на океана с точност от няколко сантиметра. Тези данни, освен ценни за океанолозите, предоставят обширен поглед върху поведението на глобалните климатични модели.
  • Колко са сателитите?


    След Satellite и Explorer сателитите станахапо-големи и по-твърди. Вземете например TerreStar-1, търговски спътник, който трябваше да осигурява мобилно предаване на данни в Северна Америка за смартфони и подобни устройства. Стартиран през 2009 г., TerreStar-1 тежи 6910 килограма. И напълно разгърнат, той разкри 18-метрова антена и масивни соларни панели с размах на крилата 32 метра.

    Изграждането на такава сложна машина изисква масаресурси, така че исторически само правителствени ведомства и корпорации с дълбоки джобове могат да влязат в сателитния бизнес. По-голямата част от цената на сателита лежи в оборудването - транспондери, компютри и камери. Един обикновен метеорологичен спътник струва около 290 милиона долара. Шпионският сателит ще струва 100 милиона долара повече. Към това добавете и разходите за поддръжка и ремонт на спътници. Компаниите трябва да плащат за сателитна честотна лента по същия начин, по който собствениците на телефони плащат за клетъчните комуникации. Понякога това струва повече от 1,5 милиона долара годишно.

    Друг важен фактор е цената на старта. Изстрелването на един спътник в космоса може да струва от 10 до 400 милиона долара, в зависимост от устройството. Ракетата Pegasus XL може да вдигне 443 килограма в ниска земна орбита за 13,5 милиона долара. Стартирането на тежък сателит ще изисква повече повдигане. Ракетата Ariane 5G може да изстреля сателит с ниска орбита от 18 000 килограма за 165 милиона долара.

    Въпреки разходите и рисковете, свързани сПостроявайки, пускайки и експлоатирайки сателити, някои компании успяха да построят цял ​​бизнес на това. Например Boeing. През 2012 г. компанията достави в космоса около 10 спътника и получи поръчки за повече от седем години, което му донесе почти 32 милиарда долара приходи.

    Бъдещето на спътниците


    Почти петдесет години след стартаСпутник, сателитите, като бюджетите, се разрастват и засилват. САЩ например са похарчили близо 200 милиарда долара от началото на военната сателитна програма и сега, въпреки всичко това, разполага с парк от застаряващи превозни средства, които чакат да бъдат заменени. Много експерти се опасяват, че изграждането и разполагането на големи спътници просто не могат да съществуват с пари на данъкоплатците. Частните компании като SpaceX, Virgin Galactic и други, които очевидно не са в бюрократична стагнация на НАСА, NRO и NOAA, са оставени с решение, което може да обърне всичко наопаки.

    Друго решение е да се намалят размерите и сложността.сателити. От 1999 г. учени от Калтех и Станфордския университет работят върху нов тип спътник CubeSat, който се основава на строителни блокове с фасетка 10 сантиметра. Всеки куб съдържа сглобяеми компоненти и може да се комбинира с други кубчета за повишаване на ефективността и намаляване на натоварването. Чрез стандартизиране на дизайна и намаляване на разходите за създаване на всеки сателит от нулата, един CubeSat може да струва едва 100 000 долара.

    През април 2013 г. НАСА реши да тества товапрост принцип и пуснаха три търговски смартфона, базирани на CubeSat. Целта беше да изведем микросателитите в орбита за кратко време и да направим няколко снимки на телефоните. Сега агенцията планира да разгърне широка мрежа от такива спътници.

    Да бъдеш голям или малък, спътници на бъдещетоследва да може да комуникира ефективно със наземните станции. В исторически план НАСА разчита на радиочестотни комуникации, но RF е достигнал своя лимит, тъй като е възникнало търсене на по-голяма мощност. За да преодолеят това препятствие, учените от НАСА разработват двупосочна комуникационна система, базирана на лазери, вместо радиовълни. На 18 октомври 2013 г. учените за първи път пуснаха лазерен лъч за предаване на данни от Луната до Земята (на разстояние 384 633 километра) и получиха рекордна скорост на предаване от 622 мегабита в секунда.