Orbite umetnih zemeljskih satelitov. "satelitska fotometrija" Krožna satelitska orbita

05.10.2023 | kemija

Zemeljski satelit je vsak predmet, ki se giblje po ukrivljeni poti okoli planeta. Luna je prvotni, naravni satelit Zemlje in obstaja veliko umetnih satelitov, običajno v orbiti blizu Zemlje. Pot, po kateri sledi satelit, je orbita, ki ima včasih obliko kroga.

Vsebina:

Da bi razumeli, zakaj se sateliti premikajo tako, kot se, se moramo vrniti k našemu prijatelju Newtonu. obstaja med katerima koli objektoma v vesolju. Če ne bi bilo te sile, bi se satelit, ki se giblje v bližini planeta, še naprej gibal z enako hitrostjo in v isti smeri – v ravni liniji. Vendar pa je ta premočrtna inercialna pot satelita uravnotežena z močno gravitacijsko privlačnostjo, usmerjeno proti središču planeta.

Orbite umetnih zemeljskih satelitov

Včasih je orbita satelita videti kot elipsa, zmečkan krog, ki se giblje okoli dveh točk, znanih kot žarišča. Veljajo isti osnovni zakoni gibanja, le da je planet v enem od žarišč. Posledično skupna sila, ki deluje na satelit, ni enakomerna po vsej orbiti in hitrost satelita se nenehno spreminja. Najhitreje se giblje, ko je najbližje Zemlji – točka, znana kot perigej – in najpočasneje, ko je najbolj oddaljena od Zemlje – točka, znana kot apogej.

Obstaja veliko različnih satelitskih orbit Zemlje. Tisti, ki so deležni največ pozornosti, so geostacionarne orbite, saj mirujejo nad določeno točko na Zemlji.

Orbita, izbrana za umetni satelit, je odvisna od njegove uporabe. Na primer, televizijski prenos v živo uporablja geostacionarno orbito. Veliko komunikacijskih satelitov uporablja tudi geostacionarno orbito. Drugi satelitski sistemi, kot so satelitski telefoni, lahko uporabljajo nizke zemeljske orbite.

Podobno satelitski sistemi, ki se uporabljajo za navigacijo, kot sta Navstar ali Global Positioning (GPS), zasedajo relativno nizko Zemljino orbito. Obstaja tudi veliko drugih vrst satelitov. Od vremenskih do raziskovalnih satelitov. Vsak bo imel svojo vrsto orbite, odvisno od njegove uporabe.

Dejanska izbrana orbita zemeljskega satelita bo odvisna od dejavnikov, vključno z njegovo funkcijo in območjem, na katerem naj bi deloval. V nekaterih primerih je lahko orbita zemeljskega satelita velika kot 100 milj (160 km) za nizko zemeljsko orbito LEO, medtem ko lahko drugi dosežejo več kot 22.000 milj (36.000 km), kot v primeru nizke zemeljske orbite GEO.

Prvi umetni zemeljski satelit

Prvi umetni zemeljski satelit je 4. oktobra 1957 izstrelila Sovjetska zveza in je bil prvi umetni satelit v zgodovini.

Sputnik 1 je bil prvi od številnih satelitov, ki jih je Sovjetska zveza izstrelila v programu Sputnik, večina pa je bila uspešna. Satelit 2 je sledil drugemu satelitu v orbiti in tudi prvemu, ki je na krovu nosil žival, psičko Laika. Sputnik 3 je doživel prvo napako.

Prvi zemeljski satelit je imel približno maso 83 kg, imel je dva radijska oddajnika (20,007 in 40,002 MHz) in je krožil okoli Zemlje na razdalji 938 km od njenega apogeja in 214 km v perigeju. Z analizo radijskih signalov so pridobili podatke o koncentraciji elektronov v ionosferi. Temperatura in tlak sta bila kodirana v času trajanja radijskih signalov, ki jih je oddajal, kar kaže, da satelit ni preluknjal meteorit.

Prvi zemeljski satelit je bila aluminijasta krogla s premerom 58 cm, ki je imela štiri dolge in tanke antene dolžine od 2,4 do 2,9 m, ki so bile videti kot dolge brke. Vesoljsko plovilo je prejelo podatke o gostoti zgornje atmosfere in širjenju radijskih valov v ionosferi. Instrumenti in viri električne energije so bili nameščeni v kapsuli, ki je vključevala tudi radijske oddajnike, ki delujejo na 20,007 in 40,002 MHz (približno 15 in 7,5 m valovne dolžine), sevanje pa je potekalo v izmeničnih skupinah po 0,3 s. Zemeljska telemetrija je vključevala podatke o temperaturi znotraj in na površini krogle.

Ker je bila krogla napolnjena z dušikom pod pritiskom, je imel Sputnik 1 prvo priložnost zaznati meteorite, čeprav jih ni. Izguba notranjega tlaka zaradi penetracije zunanje površine se je odražala v podatkih o temperaturi.

Vrste umetnih satelitov

Umetni sateliti so različnih vrst, oblik, velikosti in imajo različne vloge.

Vremenski sateliti pomagajte meteorologom napovedati vreme ali videti, kaj se trenutno dogaja. Dober primer je geostacionarni operativni okoljski satelit (GOES). Ti zemeljski sateliti običajno vsebujejo kamere, ki lahko vrnejo fotografije zemeljskega vremena bodisi s fiksnih geostacionarnih položajev bodisi iz polarnih orbit.
Komunikacijski sateliti omogočajo prenos telefonskih in informacijskih pogovorov preko satelita. Tipični komunikacijski sateliti vključujejo Telstar in Intelsat. Najpomembnejša značilnost komunikacijskega satelita je transponder, radijski sprejemnik, ki zajame pogovor na eni frekvenci in ga nato ojača ter ponovno odda nazaj na Zemljo na drugi frekvenci. Satelit običajno vsebuje na stotine ali tisoče transponderjev. Komunikacijski sateliti so običajno geosinhroni.
Oddajni sateliti prenašajo televizijske signale iz ene točke v drugo (podobno kot komunikacijski sateliti).
Znanstveni sateliti, kot je vesoljski teleskop Hubble, izvajajo vse vrste znanstvenih misij. Gledajo vse od sončnih peg do gama žarkov.
Navigacijski sateliti pomagajte ladjam in letalom pri navigaciji. Najbolj znani so sateliti GPS NAVSTAR.
Reševalni sateliti odzivajo na signale radijskih motenj.
Sateliti za opazovanje zemlje preverjanje planeta glede sprememb v vsem, od temperature, gozdnega pokrova do ledenega pokrova. Najbolj znane so serije Landsat.
Vojaški sateliti Zemlje so v orbiti, vendar večina informacij o dejanskem položaju ostaja tajnih. Sateliti bi lahko vključevali šifrirane komunikacijske releje, jedrski nadzor, nadzor sovražnikovih gibanj, zgodnje opozarjanje na izstrelitve raket, prisluškovanje zemeljskim radijskim povezavam, radarsko slikanje in fotografiranje (z uporabo v bistvu velikih teleskopov, ki fotografirajo vojaško zanimiva območja).

Zemlja z umetnega satelita v realnem času

Slike zemlje z umetnega satelita, ki jih v realnem času oddaja NASA z Mednarodne vesoljske postaje. Slike zajemajo štiri kamere visoke ločljivosti, izolirane od nizkih temperatur, kar nam omogoča, da se počutimo bližje vesolju kot kdaj koli prej.

Eksperiment (HDEV) na krovu ISS je bil aktiviran 30. aprila 2014. Nameščen je na zunanji tovorni mehanizem modula Columbus Evropske vesoljske agencije. Ta poskus vključuje več video kamer visoke ločljivosti, ki so zaprte v ohišju.

svetovanje; postavite predvajalnik v HD in cel zaslon. Obstajajo časi, ko bo zaslon črn, to je lahko iz dveh razlogov: postaja potuje skozi orbitalno območje, kjer je ponoči, orbita traja približno 90 minut. Ali pa zaslon potemni, ko se kamere zamenjajo.

Koliko satelitov je v Zemljini orbiti 2018?

Po indeksu predmetov, izstreljenih v vesolje Urada Združenih narodov za vesoljske zadeve (UNOOSA), je trenutno v Zemljini orbiti okoli 4256 satelitov, kar je 4,39 % več kot lani.

Leta 2015 je bilo izstreljenih 221 satelitov, kar je drugi največ v enem letu, čeprav je pod rekordno številko 240, ki so jih izstrelili leta 2014. Povečanje števila satelitov, ki krožijo okoli Zemlje, je manjše od števila izstreljenih lani, saj imajo sateliti omejeno življenjsko dobo. Veliki komunikacijski sateliti trajajo 15 let ali več, medtem ko lahko majhni sateliti, kot je CubeSats, pričakujejo življenjsko dobo le 3-6 mesecev.

Koliko od teh satelitov, ki krožijo okoli Zemlje, deluje?

Zveza znanstvenikov (UCS) pojasnjuje, kateri od teh satelitov v orbiti delujejo in ni tako veliko, kot si mislite! Trenutno je samo 1419 delujočih zemeljskih satelitov – le približno ena tretjina celotnega števila v orbiti. To pomeni, da je na planetu veliko neuporabne kovine! Zato je veliko zanimanja podjetij, ki preučujejo, kako zajemajo in vračajo vesoljske odpadke z uporabo tehnik, kot so vesoljske mreže, frače ali sončna jadra.

Kaj počnejo vsi ti sateliti?

Glede na UCS so glavni cilji operativnih satelitov:

Komunikacije - 713 satelitov
Opazovanje Zemlje/znanost - 374 satelitov
Predstavitev/razvoj tehnologije z uporabo 160 satelitov
Navigacija in GPS - 105 satelitov
Vesoljska znanost - 67 satelitov

Vedeti je treba, da imajo nekateri sateliti več namenov.

Kdo je lastnik zemeljskih satelitov?

Zanimivo je omeniti, da obstajajo štiri glavne vrste uporabnikov v bazi podatkov UCS, čeprav je 17 % satelitov v lasti več uporabnikov.

94 satelitov, ki so jih registrirali civilisti: to so običajno izobraževalne ustanove, čeprav obstajajo tudi druge nacionalne organizacije. 46 % teh satelitov ima namen razvoja tehnologij, kot sta znanost o Zemlji in vesolju. Opazovanja predstavljajo še 43 %.
579 pripadajo komercialnim uporabnikom: komercialnim organizacijam in vladnim organizacijam, ki želijo prodati podatke, ki jih zbirajo. 84 % teh satelitov je osredotočenih na storitve komunikacije in globalnega določanja položaja; od preostalih 12 % so sateliti za opazovanje Zemlje.
401 satelit je v lasti državnih uporabnikov: predvsem nacionalnih vesoljskih organizacij, pa tudi drugih nacionalnih in mednarodnih organov. 40 % jih je komunikacijskih in globalnih satelitov za določanje položaja; nadaljnjih 38 % je osredotočenih na opazovanje Zemlje. Od preostalega predstavlja razvoj vesoljske znanosti in tehnologije 12 % oziroma 10 %.
345 satelitov pripada vojski: spet so v središču komunikacije, opazovanje zemlje in globalni sistemi za določanje položaja, pri čemer ima 89 % satelitov enega od teh treh namenov.

Koliko satelitov imajo države?

Po podatkih UNOOSA je približno 65 držav izstrelilo satelite, čeprav je v podatkovni zbirki UCS le 57 držav zabeleženih, da uporabljajo satelite, nekateri sateliti pa so navedeni pri skupnih/večnacionalnih operaterjih. Največji:

ZDA s 576 sateliti
Kitajska s 181 sateliti
Rusija s 140 sateliti
Združeno kraljestvo ima na seznamu 41 satelitov in sodeluje pri dodatnih 36 satelitih, ki jih upravlja Evropska vesoljska agencija.

Zapomni si, ko pogledaš!
Ko boste naslednjič pogledali nočno nebo, se spomnite, da je med vami in zvezdami približno dva milijona kilogramov kovine, ki obdaja Zemljo!

V vesolju nad Zemljo se sateliti premikajo po določenih tirnicah, imenovanih orbite umetnih zemeljskih satelitov. Orbita je trajektorija gibanja (ali prevedeno iz latinščine "pot, cesta") katerega koli materialnega predmeta (v našem primeru satelita) naprej vzdolž vnaprej določenega sistema prostorskih koordinat, ob upoštevanju konfiguracije polj sile, ki delujejo na to.

Umetni zemeljski sateliti (AES) se gibljejo po treh orbitah: polarni, nagnjeni in ekvatorialni (geostacionarni).

Polarna orbita ima kotni naklon 90° (označeno s črko "i" iz angleške inclination) glede na ekvatorialno ravnino. Tudi ta kot se meri v minutah in sekundah. Polarna orbita je lahko sinhrona ali kvazisinhrona.

Nagnjena orbita se nahaja med polarno in ekvatorialno orbite umetnih zemeljskih satelitov, ki tvori zamaknjen ostri kot.

Glavna in pomembna pomanjkljivost polarne in nagnjene orbite je, da se satelit nenehno giblje po svoji orbiti, zato je treba za sledenje njegovega položaja anteno nenehno prilagajati sprejemanju satelitskega signala. Za samodejno prilagajanje antene položaju satelita obstaja posebna draga oprema, ki jo je zelo težko namestiti in pozneje vzdrževati.

Geostacionarna orbita (imenovana tudi ekvatorialna) ima ničelno odstopanje in se nahaja v ekvatorialni ravnini našega planeta. Satelit, ki se premika vzdolž njega, naredi popolno revolucijo, ki je enaka času, v katerem se Zemlja vrti okoli svoje osi. To pomeni, da se bo takšen satelit na eni točki zdel negiben glede na zemeljskega opazovalca.

1-Geostacionarna orbita (GSO) ali ekvatorialna orbita.

2-Nagnjena orbita.

3-polarna orbita.

Višina geostacionarne orbite nad zemeljsko površino ( GSO) je enak 35876 km, polmer je 42241 km, njegova dolžina (dolžina) pa 265409 km. Te parametre je treba upoštevati pri izstrelitvi satelita GSO in takrat bo mogoče doseči takšno nepremičnost glede na opazovalca, ki se nahaja na Zemlji.

Geostacionarna orbita se uporablja za izstrelitev večine komercialnih satelitov. Satelitska hitrost GSO približno enaka 3000 m/s.

Geostacionarna orbita ima poleg prednosti tudi šibko plat: v cirkumpolarnih območjih Zemlje je kot reliefa zelo majhen, zato postane prenos signala nemogoč – zaradi prenasičenosti geostacionarne orbite, ki nastane zaradi kopičenje več satelitov na kratki razdalji drug od drugega.

Za satelitsko televizijo, sateliti, ki se nahajajo na GSO, zato uporabnikova antena miruje. Bližje kot je zemljepisna širina severu, manj satelitov lahko sprejmete.

Običajno je satelitski krožnik nastavljen glede na dve koordinati: azimut (odklon samega satelita od smeri proti "severu" in ravnini obzorja, določen v smeri urinega kazalca) in elevacija (kot med ravnino obzorja in smerjo na satelit ).

Pot umetnega satelita imenujemo orbita. Med prostim letom satelita, ko so njegovi vgrajeni reaktivni motorji izklopljeni, se premika pod vplivom gravitacijskih sil in vztrajnosti, pri čemer je glavna sila zemeljska gravitacija.

Če smatramo, da je Zemlja strogo sferična in je delovanje zemeljskega gravitacijskega polja edina sila, ki deluje na satelit, potem gibanje satelita sledi dobro znanim Keplerjevim zakonom: dogaja se v mirujočem (v absolutnem prostoru) ) ravnina, ki poteka skozi središče Zemlje - orbitalna ravnina; orbita ima obliko elipse (slika 3.1) ali kroga (poseben primer elipse).

Ko se satelit premika, ostane skupna mehanska energija (kinetična in potencialna) nespremenjena, zaradi česar se z oddaljevanjem satelita od Zemlje njegova hitrost gibanja zmanjšuje. V primeru eliptične orbite je točka perigeja točka orbite, ki ustreza najmanjši vrednosti vektorja radija r = rп, točka apogeja je točka, ki ustreza največji vrednosti r = ra (slika 3.2).

Zemlja se nahaja v enem od žarišč elipse. Količine, vključene v formulo (3.1), so povezane z razmerji: Razdalja med žarišči in središčem elipse je ae, tj. sorazmerna z ekscentričnostjo. Višina satelita nad zemeljsko površino

Kje R- polmer Zemlje. Linija presečišča orbitalne ravnine z ekvatorialno ravnino (a - a na sliki 3.1) se imenuje črta vozlišč, kot i med orbitalno ravnino in ekvatorialno ravnino je orbitalni naklon. Na podlagi naklona, ekvatorialne (i = 0°), polarne (i = 90°) in nagnjene orbite (0° 90°

Satelitovo orbito označujeta tudi apogejska dolžina d - dolžina podsatelitske točke (točka presečišča vektorja radija z zemeljsko površino) v trenutku, ko satelit prečka apogej in orbitalna doba T (čas med dvema zaporednima prehodoma iste orbitalne točke).

Za komunikacijske in oddajne sisteme je nujno, da je med satelitom in pripadajočimi zemeljskimi postajami jasna linija vidnega polja za dovolj dolgo komunikacijsko sejo. Če seja ni 24-urna, je primerno, da se ponovi vsak dan ob istem času. Zato so prednostne sinhrone orbite z revolucijsko dobo, ki je enaka ali večkratna času, ko se Zemlja vrti okoli svoje osi, to je stranski dan (23 ur 56 minut 4 s).

Visoka eliptična orbita z orbitalno dobo 12 ur je bila široko uporabljena, ko so bili sateliti Molniya uporabljeni za komunikacijske in viseče sisteme (višina perigeja 500 km, višina apogeja 40 tisoč km). Gibanje satelita na visoki nadmorski višini - v območju apogeja - se upočasni in satelit zelo hitro prehaja skozi območje perigeja, ki se nahaja nad južno poloblo Zemlje. Območje vidnosti umetnega satelita v orbiti tipa Molniya je v večjem delu orbite veliko zaradi velike nadmorske višine. Nahaja se na severni polobli in je zato primeren za severne države. Storitev celotnega ozemlja nekdanje ZSSR z enim od satelitov je možna najmanj 8 ur, tako da so bili trije sateliti, ki so se zamenjali, dovolj za 24-urno delovanje. Trenutno je za odpravo motenj v komunikaciji in oddajanju, poenostavitev sistemov za usmerjanje anten zemeljskih postaj na satelitih in drugih operativnih prednosti izveden prehod na uporabo geostacionarnih orbit (GSO) zemeljskih satelitov.

Orbita geostacionarnega satelita je krožna (ekscentričnost e = 0), ekvatorialna (naklon i = 0°), sinhrona orbita z obhodno dobo 24 ur, pri čemer se satelit giblje v smeri vzhoda. Leta 1945 je orbito GSO izračunal in predlagal uporabo za komunikacijske satelite angleški inženir Arthur Clarke, kasneje znan kot pisec znanstvene fantastike. V Angliji in mnogih drugih državah se geostacionarna orbita imenuje "Clarkov pas"

Orbita ima obliko kroga, ki leži v ravnini zemeljskega ekvatorja z višino nad zemeljsko površino 35.786 km. Smer vrtenja satelita sovpada s smerjo dnevnega vrtenja Zemlje. Zato se opazovalcu na zemlji zdi satelit na določeni točki nebesne poloble negiben.

Geostacionarna orbita je edinstvena v tem, da z nobeno drugo kombinacijo parametrov ni mogoče doseči nepremičnosti prosto gibajočega se satelita glede na zemeljskega opazovalca. Opozoriti je treba na nekatere prednosti geostacionarnih satelitov. Komunikacija poteka neprekinjeno, 24 ur na dan, brez prehodov (satelit vstopi v drugega); na antenah zemeljskih postaj so avtomatske satelitske sledilne sisteme poenostavili, na nekaterih celo odpravili; mehanizem za pogon (premikanje) oddajne in sprejemne antene je lahek, poenostavljen in bolj ekonomičen; dosežena je stabilnejša vrednost slabljenja signala na poti Zemlja-Vesolje; območje vidnosti geostacionarnega satelita je približno ena tretjina zemeljske površine; trije geostacionarni sateliti so dovolj za ustvarjanje globalnega komunikacijskega sistema; frekvenčnega premika zaradi Dopplerjevega učinka ni (ali postane zelo majhen).

Dopplerjev učinek je fizikalni pojav, ki vključuje spremembo frekvence visokofrekvenčnih elektromagnetnih nihanj, ko se oddajnik in sprejemnik medsebojno premikata. Dopplerjev učinek je razložen z

razdalja v času. Ta učinek se lahko pojavi tudi, ko se satelit premika v orbiti. Na komunikacijskih linijah prek strogo gestacijskega satelita se Dopplerjev premik ne pojavi, na pravih geostacionarnih satelitih je malo pomemben, na močno raztegnjenih eliptičnih ali nizkih krožnih orbitah pa je lahko pomemben. Učinek se kaže kot nestabilnost nosilne frekvence nihanj, ki jih posreduje satelit, ki je dodana nestabilnosti frekvence strojne opreme, ki se pojavlja v opremi repetitorja in zemeljske postaje. Ta nestabilnost lahko bistveno oteži sprejem signala, kar povzroči zmanjšanje odpornosti na šum pri sprejemu.

Na žalost Dopplerjev učinek prispeva k spremembam frekvence moduliranih nihanj. Tega stiskanja (ali razširitve) spektra oddanega signala ni mogoče nadzorovati s strojnimi metodami, tako da, če frekvenčni premik preseže sprejemljive meje (na primer 2 Hz za nekatere vrste opreme za delitev frekvenc), postane kanal nesprejemljiv.

Na lastnosti komunikacijskih kanalov pomembno vpliva tudi zakasnitev radijskega signala med njegovim širjenjem po liniji Zemlja – satelit – Zemlja.

Pri prenosu enosmernih (enosmernih) sporočil (televizijskih programov, zvočnih oddaj in drugih diskretnih (prekinitvenih) sporočil potrošnik te zakasnitve ne občuti. Pri dupleksni (dvosmerni) komunikaciji pa je že opazna večsekundna zakasnitev. Na primer, elektromagnetno valovanje od Zemlje do GEO in nazaj »potuje« 2...4 s (ob upoštevanju zakasnitve signala v satelitski opremi) in do zemeljske opreme v tem primeru nima smisla oddaja signale točnega časa.

Izstrelitev geostacionarnega satelita v orbito se običajno izvede z večstopenjsko raketo skozi vmesno orbito. Sodobna nosilna raketa je kompleksno vesoljsko plovilo, ki ga poganja reaktivna sila raketnega motorja.

Nosilna raketa je sestavljena iz rakete in glave. Raketna enota je avtonomni del kompozitne rakete s prostorom za gorivo, pogonskim sistemom in elementi sistema za ločevanje stopenj. Glavna enota vključuje tovor in oblogo, ki ščiti strukturo satelita pred močjo in toplotnimi učinki prihajajočega zračnega toka med letom v atmosferi in služi za pritrditev na njegovo notranjo površino elementov, ki sodelujejo pri pripravi za izstrelitev, vendar ne delujejo med letom. Glavni oklep omogoča olajšanje zasnove satelita in je pasivni element, potreba po katerem izgine, ko nosilna raketa zapusti goste plasti atmosfere, kamor se spusti. Koristni tovor vesoljskega plovila je sestavljen iz relejne komunikacijske in oddajne opreme, radijskih telemetričnih sistemov, samega satelitskega telesa z vsemi pomožnimi in podpornimi sistemi.

Načelo delovanja zamenljive večstopenjske nosilne rakete je naslednje: medtem ko prva stopnja deluje, se preostali del skupaj z dejanskim tovorom lahko šteje za tovor prve stopnje. Po njegovi ločitvi začne delovati druga, ki skupaj z naslednjimi stopnjami in dejanskim tovorom tvori novo samostojno raketo. Za drugo stopnjo imajo vse naslednje (če obstajajo) skupaj z dejanskim tovorom vlogo tovora in tako naprej, tj. za njegov let je značilno več stopenj, od katerih je vsaka kot stopnica za posredovanje začetno hitrost do drugih enostopenjskih raket, ki so vključene v njegovo sestavo. V tem primeru je začetna hitrost vsake naslednje enostopenjske rakete enaka končni hitrosti prejšnje. Prva in naslednje stopnje nosilca se zavrnejo po popolnem izgorevanju goriva v pogonskem sistemu.

Pot, ki jo prevozi nosilna raketa pri izstrelitvi umetnega satelita v orbito, imenujemo pot leta. Zanj so značilni aktivni in pasivni deli. Aktivna faza leta je let stopenj nosilne rakete s prižganimi motorji, pasivna faza je let izrabljenih raketnih enot po njihovi ločitvi od nosilne rakete.

Nosilec, ki se začne navpično (odsek 1, ki se nahaja na nadmorski višini 185 ... 250 km), nato vstopi v ukrivljen aktivni odsek 2 v vzhodni smeri. V tem odseku prva stopnja zagotavlja postopno zmanjšanje kota naklona svoje osi glede na lokalni horizont. Odseki 3, 4 so aktivni odseki leta druge oziroma tretje stopnje, 5 je orbita satelita, 6, 7 so odseki pasivnega leta raketnih enot prve in druge stopnje (slika 3.4). Pri izstrelitvi umetnega satelita v ustrezno orbito imata pomembno vlogo čas in kraj izstrelitve nosilne rakete. Izračunano je, da je kozmodrom ugodneje postaviti čim bližje ekvatorju, saj nosilna raketa pri pospeševanju v vzhodni smeri pridobi dodatno hitrost. To hitrost imenujemo obodna hitrost kozmodroma Vk, to je hitrost njegovega gibanja okoli Zemljine osi zaradi dnevne rotacije planeta, tj. To pomeni, da je na ekvatorju 465 m / s, na zemljepisni širini kozmodroma Baikonur pa 316 m / s. V praksi to pomeni, da lahko z isto nosilno raketo izstrelimo težji satelit z ekvatorja.

Končna faza leta nosilne rakete je izstrelitev satelita v orbito, katere obliko določa kinetična energija, ki jo raketa posreduje satelitu, to je končna hitrost nosilca. V primeru, da je satelitu dana dovolj energije za izstrelitev v GEO, ga mora nosilna raketa izstreliti na točko, ki je od Zemlje oddaljena 35.875 km, in mu dati hitrost 3075 m/s.

Orbitalno hitrost geostacionarnega satelita je enostavno izračunati. Višina GSO nad zemeljsko površino je 35.786 km, polmer GSO je za 6366 km večji (povprečni polmer Zemlje), to je 42.241 km. Če pomnožimo vrednost polmera GSO z 2l (6,28), dobimo njegov obseg - 265.409 km. Če jo delimo z dolžino dneva v sekundah (86.400 s), dobimo orbitalno hitrost satelita - v povprečju 3,075 km/s oziroma 3075 m/s.

Običajno se izstrelitev satelita z nosilno raketo izvede v štirih fazah: vstop v začetno orbito; vstop v orbito »čakanja« (orbita parkiranja); vstop v transferno orbito; izhod v končno orbito (slika 3.5). Številke ustrezajo naslednjim stopnjam izstrelitve satelita v GEO: 1 - začetna prenosna orbita; 2 - prva aktivacija apogee motorja za vstop v orbito vmesnega prenosa; 3 - določitev položaja v orbiti; 4 - druga aktivacija apogee motorja za vstop v začetno driftno orbito; 5 - preusmeritev orbitalne ravnine in popravljanje napak; 6 - orientacija pravokotna na orbitalno ravnino in popravljanje napak; 7 - zaustavitev satelitske ploščadi, odpiranje plošč, popolno odklop z raketo; 8 - odpiranje anten, vklop žirostabilizatorja; 9 - stabilizacija položaja: usmeritev anten na želeno točko na Zemlji, usmeritev solarnih panelov proti Soncu, vklop vgrajenega repetitorja in vzpostavitev njegovega nominalnega načina delovanja.

V tem razdelku bomo obravnavali vrste satelitskih orbit. Vsi sateliti se gibljejo po elipsah, pri čemer je Zemlja v enem od žarišč. Posledično so vse vrste orbit eliptične. Glavna delitev orbit je narejena po naklonu "jaz" vrednost orbite in velike pol osi "a". Poleg tega je mogoče ločiti delitev glede na velikost ekscentričnosti "e"- nizko eliptične in visoko eliptične orbite. Podan je vizualni prikaz spremembe videza orbite pri različnih vrednostih ekscentričnosti .

Razvrstitev satelitskih orbit po naklonu

Na splošno je naklon orbite satelita v območju 0° "i" sl. 12). Odvisno od vrednosti naklona in nadmorske višine satelita nad zemeljsko površino imajo položaj območij njegove vidljivosti različne zemljepisne širine, glede na višino nad površino pa različne polmere teh območij. Večji kot je naklon, v severnejših zemljepisnih širinah je lahko viden satelit in višje kot je, širše je območje vidljivosti. Torej nagnjenost "jaz" in glavna os "a" določite gibanje pasu vidnosti satelita nad zemeljsko površino in njegovo širino.

Na splošno se bodo orbitalni parametri razvijali glede na naklon "jaz", velika pol osi "a" in ekscentričnost "e".

Ekvatorialne orbite

Ekvatorialna orbita je skrajni primer orbite, kjer je naklon "jaz"= 0° (glej ). V tem primeru bo precesija in rotacija orbite največja - do 10°/dan oziroma do 20°/dan. Širina pasu vidnosti satelita, ki se nahaja vzdolž ekvatorja, je določena z njegovo višino nad zemeljsko površino. Orbite z nizkim naklonom "jaz" pogosto imenovan "bližnje ekvatorialni".

Polarne orbite

Polarna orbita je drugi skrajni primer orbite, ko je naklon "jaz"= 90° (glej ). V tem primeru ni precesije orbite, rotacija orbite pa poteka v nasprotni smeri od rotacije satelita in ne presega 5°/dan. Podoben polarni satelit zaporedno prehaja čez vsa področja zemeljske površine. Širina pasu vidnosti satelita je določena z njegovo višino nad zemeljsko površino, vendar je satelit prej ali slej mogoče videti s katere koli točke. Orbite z naklonom "jaz", blizu 90°, se imenujejo "subpolarne".

Sonce-sinhrone orbite

Sonce-sinhrona orbita ( MTR) je posebna vrsta orbite, ki jo pogosto uporabljajo sateliti, ki fotografirajo zemeljsko površje. To je orbita s takšnimi parametri, da satelit preleti katero koli točko na zemeljskem površju ob približno istem lokalnem sončnem času. Gibanje takšnega satelita je sinhronizirano z gibanjem terminatorske črte vzdolž površine Zemlje - zaradi tega lahko satelit vedno leti čez mejo osvetljenega in neosvetljenega območja ali vedno v osvetljenem območju ali obratno - vedno ponoči, svetlobni pogoji pri letenju nad istimi točkami Zemlje pa so vedno enaki. Da bi dosegli ta učinek, mora orbita precesirati v nasprotni smeri vrtenja Zemlje (tj. proti vzhodu) za 360° na leto, da kompenzira vrtenje Zemlje okoli Sonca. Takšni pogoji so izpolnjeni le za določen razpon orbitalnih višin in naklonov - praviloma so to višine 600-800 km in naklon "jaz" mora biti približno 98°, tj. AES v sončno-sinhronih orbitah imajo obratno gibanje (glej. riž. 15). Z večanjem višine leta satelita bi se moral povečevati naklon, zato ne bo letel nad polarnimi območji. Sončevo sinhrone orbite so praviloma blizu krožnim, lahko pa so tudi opazno eliptične.

Na splošno je naklon, potreben za sončno sinhrono orbito jaz ss se lahko izračuna po formuli:

kjer je "e" ekscentričnost orbite satelita, "a" je velika polos orbite satelita v kilometrih (a = h + R W, "h" je razdalja v perigeju do zemeljske površine, "R W" = 6371 km je polmer Zemlje).

Vklopljeno riž. 16 prikazuje graf potrebnega naklona orbite satelita, da je le-ta sončno-sinhrona - za različne vrednosti ekscentričnosti "e" in višine perigeja "h" satelita nad zemeljsko površino.

Zaradi vpliva motenj satelit postopoma zapusti način sinhronizacije, zato mora občasno popraviti svojo orbito z motorji.

Razvrstitev satelitskih orbit po veliki pol osi

Druga razvrstitev temelji na velikosti velike pol osi, natančneje na višini nad zemeljsko površino.

Sateliti v nizki zemeljski orbiti (LEO).

Sateliti v nizki orbiti ( NOS(ruščina) riž. 17, a poslušajte)) se običajno štejejo za satelite z nadmorsko višino med 160 km in 2000 km nad zemeljsko površino. Takšne orbite (in satelite) v angleški literaturi imenujemo LEO (iz angleščine " L oj E art O rbit"). Orbite LEO so podvržene največjim motnjam gravitacijskega polja Zemlje in njene zgornje atmosfere. Kotna hitrost satelitov LEO je največja - od 0,2°/s do 2,8°/s, orbitalne dobe od 87,6 minut do 127 minut .

Srednjeorbitalni sateliti (MEO)

Sateliti v srednji orbiti ( SOS(rusko), oz "MEO"- iz angleščine " M edium E art O rbit") običajno veljajo za satelite z višinami od 2000 km do 35786 km nad zemeljsko površino ( riž. 17, b). Spodnjo mejo določa meja LEO, zgornjo pa orbita geostacionarnih satelitov (glej spodaj). To območje je v glavnem "naseljeno" z navigacijskimi sateliti (sateliti NAVSTAR sistema GPS letijo na nadmorski višini 20.200 km, sateliti sistema GLONASS - na višini 19.100 km) in komunikacijami, ki pokrivajo zemeljske pole. Čas obtoka je od 127 minut do 24 ur. Kotna hitrost - enote in deli ločnih minut na sekundo.

Geostacionarne in geosinhrone satelitske orbite

Geostacionarni sateliti ( GSS(rusko), oz "GSO"- iz angleščine " G eo s sinhrono O rbit") se štejejo za satelite, ki imajo čas revolucije okoli Zemlje, ki je enak zvezdnemu (zvezdnemu) dnevu - 23 ur 56 m 4,09 s. Če je naklon "jaz" orbite enake nič, potem se takšne orbite imenujejo geostacionarne (glej. riž. 18, a). Geostacionarni sateliti letijo na višini 35.786 km nad površjem Zemlje. Ker Ker njihovo obdobje vrtenja sovpada z obdobjem vrtenja Zemlje okoli svoje osi, takšni sateliti "visijo" na nebu na enem mestu (glej sliko 2). riž. 19). Če je nagnjenost "jaz" ni enaka nič, potem se takšni sateliti imenujejo geosinhroni (glej. riž. 18, b). V resnici imajo številni geostacionarni sateliti rahel naklon in so podvrženi motnjam Lune in Sonca, zaradi česar opisujejo figure na nebu v obliki "osmic", podolgovatih v smeri sever-jug.

riž. 18. Geostacionarni (a) in geosinhroni (b) satelit.

riž. Slika 19. Slika GEO, ki miruje na ozadju rotacije neba: 1 - Eutelsat W4 (NORAD št. 26369), 2 - Eutelsat W7 (NORAD št. 36101). Udarci so sledi zvezd. Posneto 6.6.2010 z opazovalnice R.S. na objektivu Jupiter 36B in fotoaparatu DSLR Canon 30D je bilo zloženih 12 sličic s hitrostjo zaklopa 30 s. © V. Povalishev, V. Mechinsky.

Če govorimo o vrsti trajektorije GSS, je ta določena z vrednostjo naklona naklona "i", ekscentričnosti "e" in argumenta perigeja "W p satelitske orbite (glej. ). Če sta ekscentričnost in naklon orbite enaka nič, potem je podsatelitska točka negibna in je projicirana na določeno točko na zemeljskem površju. Z neničelno ekscentričnostjo in ničelnim naklonom GSS "nariše" segment na površini, ki se premika od vzhoda proti zahodu in nazaj, pri čemer se premakne iz ničelne lege za največ ΔL max = 114,6 ° e, tj. pri ekscentričnosti e=0,01 premik ne bo večji od 1,2°. Če naklon ni nič in je ekscentričnost nič, potem GSS "nariše" klasične "osmice" - kotna višina 2Θ figure je enaka dvakratni vrednosti naklona i orbite, največja širina ΔL max se izračuna po formuli 0,044 i 2 (naklon "i" je podan v stopinjah). V najsplošnejšem primeru, z različnima "i" in "e", je GSS tir na zemeljski površini "nagnjena osmica", kotna višina 2Θ = i, največja širina ΔL max = 114,6° e in "Osmica" se dobi samo v primeru, če je argument perigeja "W p" orbite enak 0° in 180°, v drugih primerih pa dobimo bolj zapleteno figuro - nekaj med ovalom in osmico.

Kot že postaja jasno, v nasprotju s splošnim prepričanjem GSS ne "visi" na nebu na točno eni točki - naklon, ekscentričnost in perigejski argument orbite satelita določajo vrsto in velikost precej zapletenih figur poti GSS v nebo. Še več, če satelit ni aktiven, tj. ne prilagodi svoje orbite, se začne premikati proti ozadju zvezd s precej veliko hitrostjo. Naj citiramo: »Potreba po korektivnem pogonskem sistemu na krovu stacionarnih satelitov je posledica nalog vstavljanja v stacionarno orbito in dejstva, da je v njej nenehno podvržen številnim motnjam vključujejo motnje zaradi nehomogenosti gravitacijskega polja Zemlje, moteče delovanje gravitacijskih polj Lune in Sonca in celo pritisk svetlobe Na primer, pritisk svetlobe povzroči dolgoperiodična gibanja IS3 vzdolž orbite do 100 km in v višino do nekaj deset kilometrov za razmeroma lahek, a velik IS3 (večja kot je masa IS3 in manjše kot so njegove dimenzije, manjši je vpliv svetlobnega pritiska na njegovo orbito). Zemlja na polih povzroči, da se IS3 premika vzdolž stacionarne orbite do skoraj 9,8 o na leto, kar vodi do periodičnih motenj nadmorske višine in naklona z amplitudo do 3 km ter do sprememb drugih orbitalnih parametrov kot posledica odstopanj. zemeljski ekvator iz idealnega kroga ( glej sliko spodaj - Lupus ) stacionarni IS3 se premakne za približno 3,3° vzdolž orbite v samo 2 mesecih, njegova višinska lega pa niha za več kot 8 km. Poleg tega je največja motnja zaradi ekvatorialne kompresije dosežena blizu "stoječih" točk 30° in 20°. d., 60 o in 150 o š. d. In obratno, najbolj stabilne točke »stojanja« stacionarnega IS3 so 75 o na severu in 105 o na zahodu. itd. (za več podrobnosti o stojiščih glejte spodaj).

Slika 21. Oblika zemeljskega geoida po podatkih satelita GOCE.

In z istega mesta: »Številne sekularne motnje položaja IS3 v stacionarni orbiti je mogoče odpraviti s popravkom, ki se izvede po izstrelitvi IS3 v orbito. Na primer, sekularne motnje položaja v orbitalni ravnini. posledica vpliva polarne kompresije, se lahko kompenzira s povečanjem orbitalne višine in temu primernim povečanjem hitrosti. Nerazrešen pa ostaja vpliv drugih motečih dejavnikov (zlasti zaradi ekvatorialne kompresije Zemlje), ki so zlasti , skoraj vedno vodi do spremembe dolžine stacionarne IS3. Zato je potrebna epizodna korekcija gibanja stacionarne IS3, pri čemer je potrebno popraviti njegovo orbito V splošnem primeru, če dopustni premik IS3 ne sme presegati 1 o -4 o, je potrebno izvesti do 6 popravkov na leto na točkah stabilnega položaja IS3 letno."

Izkazalo se je, da brez obvezne korekcije orbite GSS ne bo mogel ostati v geostacionarni orbiti - potrebna je periodična korekcija. Zato ima vsak GSS rezervo goriva za popravek, in ko se konča, se GSS prenese v orbito za odlaganje in izklopi (glej spodaj), da se sprosti bližnja orbita za nov satelit in ne ustvariti nevarnost trčenja z obstoječo GSS med zanašanjem.

Trenutno je katalogiziranih več kot 16.000 vesoljskih objektov umetnega izvora v blizuzemeljskih in geostacionarnih orbitah. Od tega jih je le okoli 6 % »aktivnih«, tj. delovanje. GSO je najbolj privlačen in koristen za reševanje številnih znanstvenih, gospodarskih, vojaških, navigacijskih, komercialnih in drugih problemov. Približno 80 % aktivnih, delujočih satelitov je nameščenih v geostacionarni orbiti. Na splošno je to posebna orbita, v kateri bo kateri koli satelit nenehno visel nad eno točko na površini Zemlje.

Z vidika fizike in nebesne mehanike lahko prisotnost GEO razložimo z dvema razlogoma:

Rezultanta vseh sil, ki delujejo na nebesno telo (v našem primeru GSS), je enaka nič.
Kotni hitrosti vrtenja Zemlje in satelita sta enaki.

Ko se satelit giblje okoli nebesnega telesa, nanj delujeta dve glavni sili: gravitacijska sila F g in centrifugalna sila -F c . Na določeni razdalji od Zemlje se ti dve sili uravnotežita: F g = F c. Ko je rezultanta vseh sil, ki delujejo na telo, enaka nič, nastanejo pogoji za stabilno orbitalno gibanje. Za izračun te razdalje lahko uporabite preproste metode klasične mehanike, znane iz šole. Velikost gravitacijske sile, ki deluje na satelit, je mogoče določiti z Newtonovim zakonom univerzalne gravitacije:

, (**)

kjer je m satelit masa satelita, M ⊕ masa Zemlje, G je gravitacijska konstanta in r je razdalja od satelita do središča Zemlje ali polmer orbite. Velikost centrifugalne sile je enaka:

. (***)

Iz enačb (**) in (***) lahko določimo hitrost satelita v krožni orbiti:

Ko sta kotni hitrosti vrtenja Zemlje in satelita enaki, se pojavi območje z edinstvenimi lastnostmi. Takšna enakost je mogoča le v ravnini nebesnega ekvatorja. Ko se satelit ne vrti v ekvatorialni ravnini, je nemogoče zagotoviti sinhronizacijo vrtenja Zemlje in satelita. Orbitalna doba satelita okoli Zemlje T je enaka orbitalni dolžini 2πr, deljeni s hitrostjo satelita v:

Ko je obhodna doba satelita T enaka obdobju vrtenja Zemlje okoli lastne osi (23 h 56 m 04 s), bo satelit "visel" nad istim območjem Zemlje, krožna orbita pa bo ležala v tem območju se imenuje geostacionarni.

Geostacionarna orbita je po velikosti omejena in leži v ravnini zemeljskega ekvatorja. Njegov polmer je 42164 km od središča Zemlje. Nebesne koordinate geostacionarnega satelita v geostacionarni orbiti bodo teoretično konstantne. Glavni razlogi, ki izkrivljajo Keplerjevo gibanje pasivnega geostacionarnega satelita, so gravitacijske motnje (nesferični geopotencial, lunarno-sončne motnje), za GSS z velikim razmerjem med površino in maso pa tudi negravitacijske (svetlobni tlak). ) faktor. Zaradi delovanja motečih sil se pojavi drift satelita, ki spremeni obdobje vrtenja okoli Zemlje. Razlika med rotacijsko dobo GSS in teoretično vodi do dejstva, da se povprečna zemljepisna dolžina GSS spreminja s časom: satelit se počasi premika od zahoda proti vzhodu, če je njegova revolucijska doba okoli Zemlje krajša od zvezdnega dne. , drugače pa od vzhoda proti zahodu. Razlika med ekscentričnostjo "e" in nič vodi tudi do tega, da se spreminja podsatelitska dolžina GSS. Obstaja majhna sprememba zemljepisne dolžine (s periodo približno 12 ur in amplitudo, ki je sorazmerna s kvadratom orbitalnega naklonskega kota) in širine (s periodo 24 ur in amplitudo, ki je enaka samemu naklonu "i"). Kot rezultat, podsatelitska točka opisuje dobro znano "osmico" na zemeljskem površju (glej sl. ).

riž. 22. Dnevna tirnica GSS "RAGUGA 22" (SCN: 19596).

Resonančni vpliv longitudinalnih členov pri širjenju zemeljskega geopotenciala (heterogenost zemeljskega gravitacijskega polja) vodi do dejstva, da v geostacionarni orbiti sta dve stabilni legi (točki) ravnovesja z zemljepisno dolžino 75° vzhodno. (točka libracije L 1 ) in 255°E. (točka libracijeL 2 ) . In dve nestabilni, oddaljeni približno 90° od stabilnih točk. Teh libracijskih točk na GEO ne bi smeli identificirati z libracijskimi točkami v nebesni mehaniki pri reševanju problema "n" telesa.

Okoli Zemlje obstaja samo ena geostacionarna orbita. Izstrelitve satelitov v GEO so se začele leta 1963. Na začetku 21. stoletja ima več kot 40 držav na planetu svoje geostacionarne satelite. Vsako leto se v GEO izstreli na desetine satelitov, orbita pa se postopoma polni tudi z izrabljenimi sateliti. Na GSO nenehno prihaja do eksplozij izrabljenih vozil in njihovih nosilnih raket. Te eksplozije ustvarijo na desetine ali stotine vesoljskih fragmentov, ki lahko onesposobijo delovanje naprav. Kontaminacija te orbite z vesoljskimi odpadki lahko povzroči nepopravljive posledice - nezmožnost stabilnega delovanja satelitov. Vesoljski odpadki v GEO se lahko, za razliko od bližnjih Zemljinih orbit, vrtijo okoli Zemlje tisočletja in grozijo, da bodo trčili v delujoča vesoljska plovila. Od konca 20. stoletja je problem onesnaževanja GSO postal planetarni okoljski problem velikega obsega.

V skladu z Mednarodno konvencijo o miroljubni uporabi vesolja pri ZN in zahtevami Mednarodnega radijskega komiteja (da bi se izognili radijskim motnjam s sosednjimi GSS) kotna razdalja med GSS ne sme biti manjša od 0,5°. Tako teoretično število GSS, ki se nahajajo na varni razdalji na GSO, ne sme biti večje od 720 kosov. V zadnjem desetletju se ta razdalja med GSS ni ohranjala. Od leta 2011 je število katalogiziranih GSS preseglo že več kot 1500.

Geostacionarni sateliti so običajno razvrščeni kot sateliti s periodami od 22 ur do 26 ur, ekscentričnostjo "e" največ 0,3 in naklonom orbitalne ravnine na ekvatorialno ravnino "i" do 15°, vendar v nekaterih virih najdete podrobnejšo klasifikacijo in bolj toge meje.

Razvrstitev GSS se lahko izvede po več merilih: po stopnji "aktivnosti", po funkcionalnem namenu, po orbitalnem gibanju. Glede na prvi znak lahko vse GSS razdelimo v 2 razreda:

"Aktiven" - ima vir energije in ga nadzirajo ukazi z Zemlje.
»Pasivni« so umetni objekti, ki jih ni mogoče nadzorovati z Zemlje, ki so izčrpali raketno gorivo in so razvrščeni kot vesoljski odpadki. To so nosilne rakete, delci stopenj, ki postavljajo satelite v orbito, številni deli, ki spremljajo izstrelitev, delci satelitov, ki nastanejo po eksplozijah naprave v orbiti ali trkih med seboj ali z meteoroidnimi telesi.

Po funkcionalnem namenu:

Znanstveno.
Geodetski.
meteorološki.
Navigacijski.
Vojaške namene, ki se delijo na več podrazredov (optično, radijsko, radarsko izvidovanje, opozarjanje pred napadom jedrskih raket – sistem zgodnjega opozarjanja).
Radiotelekomunikacijski sateliti (tudi komercialni).
Inženiring.

Funkcionalno lahko številne satelite uvrstimo med satelite z dvojno rabo, ki predstavljajo 70–80 % skupnega števila aktivnih satelitov. To so navigacijski, meteorološki, komunikacijski sateliti in sateliti za daljinsko zaznavanje Zemlje (ERS).

Sateliti visoke zemeljske orbite (HEO).

Sateliti v visoki orbiti ( VOS(rusko), oz "HEO"- iz angleščine " H igh E art O rbit") se štejejo za satelite, ki dosežejo višino več kot 35.786 km nad zemeljsko površino, tj. letijo nad geostacionarnimi sateliti (glej. Slika 23). Orbite imajo lahko znatno ekscentričnost (na primer sateliti serije Meridian in Molniya) - v tem primeru se imenujejo zelo eliptične ( WPP), in biti skoraj okrogel (na primer satelit Vela (isti sateliti, na katerih so bili odkriti izbruhi sevanja gama v poznih 60. letih dvajsetega stoletja)).

riž. 23. Orbita vetrne elektrarne.

Za vsak satelit GSS se pogrebna orbita izračuna ločeno, najmanjši perigej ΔH pa je enak:

, (1)

Kje "C R " - koeficient svetlobnega tlaka), "S"- satelitsko območje, "m"- njegova masa.

Nizkoorbitalni sateliti z jedrskimi reaktorji na krovu imajo višino zakopane orbite okoli 1000 km, kamor se sredica jedrskega reaktorja prenese po končanem delovanju.

Od izstrelitve prvega umetnega satelita Zemlje (AES) leta 1957 se je človeško življenje zelo spremenilo. Človeštvo dolguje številne dosežke tehnološkega napredka (mednarodne satelitske komunikacije, natančne vremenske napovedi, internet) satelitom, ki letijo v orbiti v vesolju blizu Zemlje. Danes obstaja več deset tisoč takšnih satelitov, ki opravljajo povsem drugačne naloge. Njihove velikosti segajo od ogromnih (približno 100 metrov) do zelo majhnih (dobesedno nekaj centimetrov). Vsak od njih ima svojo nalogo in svojo orbito. V katerih orbitah letijo sateliti? Katere vrste orbit obstajajo in kaj sploh je?

Malo zgodovine

Ljudje že dolgo opazijo, da se ogromna vesoljska telesa, naj bodo kometi, planeti ali zvezde, premikajo po nebu in ohranjajo določeno periodičnost. Tisti posebej radovedni so zapisali svoja opažanja, ki so vsaki novi generaciji dajala vedno več znanja o gibanju v vesolju.

Johannes Kepler, nemški astronom iz 16. stoletja, je na primer med preučevanjem del danskega astronoma Tycha Braheja ugotovil, da se vsa vesoljska telesa gibljejo po določenih zakonitostih. Še posebej je Kepler predlagal, da se Mars (za ta planet je Brahe dolgo opazoval) sploh ne giblje okoli Sonca v krogu. Kepler je v svojem delu »Nova astronomija, predstavljena v raziskavah o gibanju zvezdnega Marsa« pokazal, da se Mars vrti okoli Sonca po elipsi. Kasneje je Kepler oblikoval še več zaključkov, ki jih je združil v tri definicije. Danes so nam te definicije (zdaj jih imenujemo zakoni) znane pod njegovim imenom.

Ne spuščajmo se v vse podrobnosti v zgodovino. Poglejmo si bolje, kaj je človeštvo doseglo in kakšne zaključke je naredilo z uporabo Keplerjevih zakonov. Začnimo z določitvijo orbite.

Kakšna je orbita satelita

Orbita satelita je pravzaprav tirnica njegovega gibanja. Gibanje po orbiti poteka po vztrajnosti (z ugasnjenimi motorji), hkrati pa na satelit (lahko je umetni satelit ali planet) vpliva samo gravitacija (predvsem seveda Zemlja). Satelitske orbite Imajo eliptično obliko in se gibljejo po namišljeni ravnini, ki poteka skozi središče Zemlje. Ta ravnina in s tem orbita ni simetrična, temveč precej podolgovata, to pomeni, da ni konstantna, ves čas se spreminja, včasih se povečuje in včasih zmanjšuje vzdolž poti. V znanstvenem smislu se najvišja točka orbite (največja oddaljenost od Zemlje) imenuje apogej, najnižja točka (najmanjša oddaljenost od Zemlje) pa perigej. Nahajajo se na južni in severni polobli Zemlje.

Po drugem Keplerjevem zakonu planet (v našem primeru satelit), ki se giblje v ravnini, prečka (opiše) enaka območja v enakih časovnih obdobjih. Iz tega lahko sklepamo, da se sateliti gibljejo neenakomerno. Bližje kot je satelit Zemlji (perigej), večja je njegova linearna hitrost, dlje ko je od Zemlje (apogej), manjša je njegova hitrost. Ta pojav je znanstvenikom omogočil domnevo in nato izračun različnih satelitske orbite, optimalen za določen namen.

Kakšne so orbite?

Odvisno od dane začetne hitrosti satelit, izstreljen v vesolje, zasede določeno orbito (ali najprej eno, nato drugo). Lastnosti orbite satelita omogočajo optimizacijo oddajne in sprejemne opreme za optimalno izvajanje dodeljenih nalog. Orbite se razlikujejo po naklonu, velikosti velike pol osi (oziroma višini nad zemeljsko površino) in po hitrosti kroženja satelita okoli Zemlje. Razmislimo o vrstah satelitskih orbit podrobneje.

Orbite z danim naklonom

Ta klasifikacija prikazuje, kako se orbite razlikujejo po naklonu. Večji kot je naklon orbite, bolj viden bo satelit na severnih zemljepisnih širinah. In višje kot je satelit, širše postane vidno polje. Obstajajo ekvatorialne (orbita vzdolž zemeljskega ekvatorja), polarne (orbita pravokotna na ekvator) in sonce-sinhrone orbite. Slednja orbita se najpogosteje uporablja za postavitev satelitov, namenjenih foto in video snemanju zemeljskega površja.

Orbite različnih višin (velika pol os)

Glede na višino orbite se izstreljeni satelit imenuje nizkoorbitalni oziroma srednjeorbitalni.

Sateliti v nizki zemeljski orbiti letijo nad zemeljsko površino na višini od 160 kilometrov do 2000 kilometrov. Njihovo najpogostejše ime v znanstveni literaturi je LEO (iz angleščine Low Earth Orbit).

Takšni nizkoorbitalni sateliti se najpogosteje uporabljajo za zagotavljanje osebnih radiotelefonskih komunikacij. To je razloženo z neprekinjenim stikom zemeljskih terminalov s satelitskimi repetitorji, pa tudi z močjo oddajnega in sprejemnega signala. Ta vidik pa je bil uporabljen na področju množičnih telekomunikacij relativno nedavno. Tako je v državah z razvito infrastrukturo delež storitev nizkoorbitalnih satelitov le okoli 35 %. Glavnino predstavljajo sateliti, ki letijo v geostacionarni orbiti.

Sateliti srednje orbite se imenujejo sateliti, ki letijo nad zemeljsko površino na višini od 2000 kilometrov do 35786 kilometrov. Imenujejo se MEO (iz angleščine "Medium Earth Orbit").

Prav te orbitalne višine uporabljajo globalni navigacijski sistemi (GPS, GLONASS). To je povsem pošteno, saj podana višina srednje orbitalnih satelitov omogoča najbolj natančno izmenjavo podatkov s sprejemniki (navigatorji).

Geostacionarna orbita

Ta klasifikacija prikazuje hitrost vrtenja satelita okoli Zemlje, ki se nahaja v določeni orbiti. Orbitalna hitrost takšnega satelita je 23 ur 56 minut in 4,09 sekunde. Zlahka je razumeti, da je ta številka enaka zemeljskemu dnevu. Posledično se zdi, da satelit v takšni orbiti "visi" na nebu na enem mestu.

Geostacionarna orbita se nahaja na razdalji 35.786 kilometrov od Zemljine površine. Orbita poteka v ekvatorialni ravnini Zemlje. Njegov polmer je 42164 kilometrov. To je približno 6-krat večje od polmera našega planeta (6378 kilometrov). Nebesne koordinate takega satelita v geostacionarni orbiti ostanejo konstantne. To omogoča njihovo uporabo za satelitsko televizijo. Signal, ki prihaja s takih satelitov, je jasen in neprekinjen.

Ohranjanje konstantne točke pozicioniranja ("visenje" na enem mestu) ni absolutno, saj je satelit pod stalnim vplivom najbližjega naravnega satelita Zemlje, Lune. Luna povzroča gravitacijske motnje v orbiti satelita in ga vleče k sebi. Položaj satelita se prilagaja z motorji, s katerimi je opremljen.

"Clarkov pas"

Angleški inženir Arthur Clarke je prvič v zgodovini izračunal geostacionarno orbito. To se je zgodilo v že daljnem letu 1945. Clark je predlagal uporabo te orbite za komunikacijske satelite. Ta ideja je bila na presenečenje Clarka samega uresničena in to zelo kmalu! Skoraj vsi globalni komunikacijski sistemi dolgujejo svoj obstoj tej osebi. V širšem smislu so vsi ljudje, ki danes uporabljajo internet, neprecenljivo dolžni Arthurju C. Clarku. V Angliji in večini drugih držav, zlasti evropskih, se geostacionarna orbita imenuje "Clarkov pas".

Postavljanje satelitov v orbito

Postopek pošiljanja satelita in njegovega izstrelitve na določeno višino (orbito) je niz znanstvenih in praktičnih dejanj, ki temeljijo na jasnih matematičnih in fizikalnih izračunih. Neposredno dostavo satelita izvede večstopenjska raketa z uporabo vmesne orbite.

Za kaj je

Obravnava tako zapletenih, a zanimivih tem, kot so sateliti v orbiti, definicija in klasifikacija orbit in druge, povsem logično odpira številna vprašanja. Kakšna je uporaba tega? Zakaj morate vedeti vse to?

Kot smo že omenili na začetku članka, se je s pojavom krožečih umetnih Zemljinih satelitov in človeškim raziskovanjem okolice Zemlje marsikaj spremenilo v življenju sodobnega človeštva. Na primer, povprečni stroški mednarodnih telefonskih klicev so se znatno znižali. Postalo je mogoče uporabljati vire globalnega satelitskega navigacijskega sistema. Natančna vremenska napoved, izračun podnebnih sprememb v določenih predelih planeta, napovedovanje geoklimatskih sprememb v planetarnem merilu, raziskovanje morskega dna in nahajališč mineralov, dostop do svetovnega spleta kjerkoli na planetu, raziskovanje vesolja, na koncu - vse to so omogočili sateliti v orbiti.

Na žalost je danes zemeljska orbita prenasičena z različnimi "vesoljskimi odpadki". Ocenjuje se, da je več kot 1100 letečih predmetov s premerom, večjim od pol metra, v neposredni bližini Zemljine geostacionarne orbite, v kateri je običajno komunikacijska oprema. Vendar je samo 300 teh objektov delujočih satelitov. Med nevarnimi objekti, ki so bili po nepotrebnem zapuščeni v vesolju na različnih višinah, je 32 že davno odsluženih jedrskih reaktorjev. Vse to govori o nehvaležnosti posameznih »uporabnikov« orbite do tistih, ki so nam nekoč dali neprecenljivo znanje o zakonitostih gibanja teles v vesolju.