На якій висоті літають супутники, розрахунок орбіти, швидкість і напрямок руху

Подібно до того, як місця в театрі дозволяють по-різному поглянути на уявлення, різні орбіти супутників дають перспективу, кожна з яких має своє призначення. Одні здаються висячими над точкою поверхні, вони забезпечують постійний огляд одного боку Землі, в той час як інші кружляють навколо нашої планети, за день проносячись над безліччю місць.

Типи орбіт

На якій висоті літають супутники? Розрізняють 3 типи навколоземних орбіт: високі, середні і низькі. На високій, найбільш віддаленої від поверхні, як правило, знаходяться багато погодні та деякі супутники зв'язку. Сателіти, що обертаються на середній навколоземній орбіті, включають навігаційні і спеціальні, призначені для моніторингу конкретного регіону. Більшість наукових космічних апаратів, у тому числі флот системи спостереження за поверхнею Землі НАСА, що знаходиться на низькій орбіті.
Від того, на якій висоті літають супутники, залежить швидкість їх руху. По мірі наближення до Землі гравітація стає все сильніше, і рух прискорюється. Наприклад, супутника НАСА Aqua потрібно близько 99 хвилин, щоб облетіти навколо нашої планети на висоті близько 705 км, а метеорологічного апарату, віддаленого на 35786 км від поверхні, для цього буде потрібно 23 години 56 хвилин і 4 секунди. На відстані 384403 км від центру Землі Місяць завершує один оборот за 28 днів.

Аеродинамічний парадокс

Зміна висоти супутника також змінює його швидкість руху по орбіті. Тут спостерігається парадокс. Якщо оператор супутника хоче підвищити його швидкість, він не може просто запустити двигуни для прискорення. Це збільшить орбіту (і висоту), що призведе до зменшення швидкості. Замість цього слід запустити двигуни в напрямку, протилежному напрямку руху супутника, тобто здійснити дію, що на Землі б могло транспортний засіб, що рухається. Така дія перемістить його нижче, що дозволить збільшити швидкість.

Характеристики орбіт

В додаток до висоті, шлях руху супутника характеризується ексцентриситетом і нахилом. Перший відноситься до форми орбіти. Супутник з низьким ексцентриситетом рухається по траєкторії, близькій до кругової. Ексцентрична орбіта має форму еліпса. Відстань від космічного апарата до Землі залежить від його положення. Спосіб – це кут орбіти по відношенню до екватора. Супутник, що обертається безпосередньо над екватором, має нульовий нахил. Якщо космічний апарат проходить над північним і південним полюсами (географічними, а не магнітними), його нахил складає 90°. Всі разом – висота, ексцентриситет і нахил – визначають рух сателіта і те, як з його точки зору буде виглядати Земля.

Висока околоземная

Коли супутник досягає рівне 42164 км від центру Землі (близько 36 тис. км від поверхні), він входить в зону, де його орбіта відповідає обертанню нашої планети. Оскільки апарат рухається з тією ж швидкістю, що і Земля, тобто його період обертання дорівнює 24 год, здається, що він залишається на місці над єдиною довготою, хоча і може дрейфувати з півночі на південь. Ця спеціальна висока орбіта називається геосинхронній.
Супутник рухається по круговій орбіті над екватором (ексцентриситет і нахил рівні нулю) і відносно Землі стоїть на місці. Він завжди розташований над однією і тією ж точкою на її поверхні. Геостаціонарна орбіта надзвичайно цінна для моніторингу погоди, так як супутники на ній забезпечують постійний огляд одного і того ж ділянки поверхні. Кожні кілька хвилин метеорологічні апарати, такі як GOES, надають інформацію про хмарах, водяному парі та вітрах, і цей постійний потік інформації служить основою для моніторингу та прогнозування погоди. Крім того, геостаціонарні апарати можуть бути корисні для комунікації (зв'язку, телебачення, радіо). Супутники GOES забезпечують роботу пошуково-рятувального радіомаяка, використовуваного для допомоги в пошуку кораблів і літаків, що терплять лихо. Нарешті, багато високоорбитальние сателіти Землі займаються моніторингом сонячної активності і відслідковують рівні магнітного поля та радіації.

Обчислення висоти ДСО

На супутник діє доцентрова сила F ц =(M 1 v 2 )/R і сила тяжіння F т =(GM 1 M 2 )/R 2 . Так як ці сили однакові, можна прирівняти праві частини і скоротити їх на масу M 1 . В результаті вийде рівність v 2 =(GM 2 )/R. Звідси швидкість руху v=((GM 2 )/R) 1/2 Так як геостаціонарна орбіта являє собою коло довжиною 2?r, орбітальна швидкість дорівнює v=2?R/T. Звідси R 3 =T 2 GM/(4? 2 ). Так як T=864x10 4 з, G=6673x10 -11 Н·м 2 /кг 2 , M=598x10 24 кг, R=423x10 7 м. Якщо відняти з R радіус Землі, рівний 638x10 6 м, можна дізнатися, на якій висоті літають супутники, що висять над однією точкою поверхні – 359x10 7 м.

Точки Лагранжа

Іншими чудовими орбітами є точки Лагранжа, де сила тяжіння Землі компенсується силою тяжіння Сонця. Все, що там знаходиться, в рівній мірі притягується до цих небесних тіл і обертається з нашою планетою навколо світила. З п'яти точок Лагранжа у системі Сонце-Земля тільки дві останніх, званих L4 і L5 є стабільними. В інших супутник подібний м'ячу, балансуючого на вершині крутого пагорба: будь-яка незначна обурення буде виштовхувати його. Щоб залишатися в збалансованому стані, космічні апарати тут потребують постійного коригування. В останніх двох точках Лагранжа супутники уподібнюються кулі в кулі: навіть після сильного обурення вони повернуться назад.
L1 розташована між Землею і Сонцем, дозволяє сателітам, які знаходяться в ній, мати постійний огляд нашого світила. Сонячна обсерваторія SOHO, супутник НАСА і Європейського космічного агентства стежать за Сонцем з першої точки Лагранжа, в 15 млн км від нашої планети. L2 розташована на тій же відстані від Землі, але знаходиться позаду неї. Супутникам в цьому місці потрібно тільки один тепловий екран, щоб захиститися від світла і тепла Сонця. Це гарне місце для космічних телескопів, які використовуються для вивчення природи Всесвіту шляхом спостереження фону мікрохвильового випромінювання. Третя точка Лагранжа розташована навпроти Землі з іншого боку Сонця, так що світило завжди знаходиться між ним і нашою планетою. Супутник у цьому положенні не буде мати можливість спілкуватися з Землею. Надзвичайно стабільні четверта і п'ята точки Лагранжа в орбітальній траєкторії нашої планети до 60° попереду і позаду Землі.

Середня околоземная орбіта

Перебуваючи ближче до Землі, супутники рухаються швидше. Розрізняють дві середні навколоземні орбіти: полусинхронную і «Блискавку». На якій висоті літають супутники, що знаходяться на полусинхронной орбіті? Вона майже кругла (низький ексцентриситет) і віддалена на відстань 26560 км від центру Землі (близько 20200 км над поверхнею). Сателіт на цій висоті робить повний оборот за 12 год. У міру його руху Земля обертається під ним. Через 24 год він перетинає 2 однакові точки на екваторі. Ця орбіта послідовна і вельми передбачувана. Використовується системою глобального позиціонування GPS. Орбіта «Блискавка» (спосіб 634°) використовується для спостереження в високих широтах. Геостаціонарні супутники прив'язані до екватора, тому вони не підходять для далеких північних чи південних регіонів. Ця орбіта досить ексцентрична: космічний апарат рухається по витягнутому еліпсу з Землею, розташованої близько до одного краю. Так як супутник прискорюється під дією сили тяжіння, він рухається дуже швидко, коли знаходиться близько до нашої планети. При видаленні його швидкість сповільнюється, тому він більше часу проводить на вершині орбіти в найдальшому від краю Землі, відстань до якого може досягати 40 тис. км. Період обертання становить 12 год, але близько двох третин цього часу супутник проводить над однією півкулею. Подібно полусинхронной орбіті сателіт проходить по одному і тому ж шляху через кожні 24 год. Використовується для зв'язку на крайньому півночі чи півдні.

Низька околоземная

Більшість наукових супутників, багато метеорологічні та космічна станція знаходяться на майже кругової низькій навколоземній орбіті. Їх нахил залежить від того, моніторингом чого вони займаються. TRMM був запущений для моніторингу опадів в тропіках, тому має відносно низький стан (35°), залишаючись поблизу екватора. Багато з супутників системи спостереження НАСА мають майже полярну високонаклонную орбіту. Космічний апарат рухається навколо Землі від полюса до полюса з періодом 99 хв. Половину часу він проходить над денною стороною нашої планети, а на полюсі переходить на нічну. По мірі руху супутника під ним обертається Земля. До того часу, коли апарат переходить на освітлену ділянку, він знаходиться над областю, прилеглої до зони проходження своєї останньої орбіти. За 24-годинний період полярні супутники покривають більшу частину Землі двічі: один раз вдень і один раз уночі.

Сонячно-синхронна орбіта

Подібно до того як геосинхронние супутники повинні знаходитися над екватором, що дозволяє їм залишатися над однією точкою, полярно-орбітальних мають здатність залишатися в одному часі. Їх орбіта є сонячно-синхронної – при перетині космічним апаратом екватора місцевий сонячний час завжди одне і те ж. Наприклад, супутник Terra перетинає його над Бразилією завжди в 10:30 ранку. Таке перетинання 99 хв над Еквадором або Колумбією відбувається також в 10:30 за місцевим часом. Сонячно-синхронна орбіта необхідна для науки, так як дозволяє зберігати кут падіння сонячного світла на поверхню Землі, хоча він буде змінюватися в залежності від сезону. Така постійність означає, що вчені можуть порівнювати зображення нашої планети однієї пори року протягом декількох років, не турбуючись про занадто великих перегонах у висвітленні, які можуть створити ілюзію змін. Без сонячно-синхронної орбіти було б складно відстежувати їх з плином часу і збирати інформацію, необхідну для вивчення змін клімату. Шлях супутника тут дуже обмежений. Якщо він знаходиться на висоті 100 км, орбіта повинна мати нахил 96°. Будь-яке відхилення буде неприпустимим. Оскільки опір атмосфери і сила тяжіння Сонця і Місяця змінюють орбіту апарату, її необхідно регулярно коригувати.

Виведення на орбіту: запуск

Запуск супутника вимагає енергії, кількість якої залежить від розташування місця старту, висоти і нахилу майбутньої траєкторії його руху. Щоб дістатися до віддаленої орбіти, потрібно затратити більше енергії. Супутники зі значним нахилом (наприклад, полярні) більш енергозатратні, ніж ті, які кружляють над екватором. Виведення на орбіту з низьким нахилом допомагає обертання Землі. Міжнародна космічна станція рухається під кутом 516397°. Це необхідно для того, щоб космічних човників російським ракетам було легше дістатися до неї. Висота МКС – 337-430 км. Полярні супутники, з іншого боку, від імпульсу Землі допомоги не отримують, тому їм потрібно більше енергії, щоб піднятися на таку ж відстань.

Коригування

Після запуску супутника необхідно докласти зусиль, щоб утримати його на певній орбіті. Оскільки Земля не є ідеальною сферою, її гравітація в деяких місцях сильніше. Ця нерівномірність, поряд з притяганням Сонця, Місяця та Юпітера (масивної планети Сонячної системи), змінює нахил орбіти. Протягом усього свого терміну служби положення супутників GOES коригувалося три або чотири рази. Низькоорбітальні апарати НАСА повинні регулювати свій нахил щорічно. Крім того, на навколоземні супутники впливає атмосфера. Самі верхні шари, хоча і досить разрежени, надають досить сильний опір, щоб притягувати їх ближче до Землі. Дія сили тяжіння призводить до прискорення супутників. З часом вони згорають, по спіралі опускаючись все нижче і швидше в атмосферу, або падають на Землю. Атмосферний опір сильніше, коли Сонце активно. Так само, як повітря у повітряній кулі розширюється і піднімається при нагріванні, атмосфера піднімається і розширюється, коли Сонце дає їй додаткову енергію. Розріджені шари атмосфери піднімаються, а їхнє місце займають більш щільні. Тому супутники на орбіті Землі повинні змінювати своє положення приблизно чотири рази на рік, щоб компенсувати опір атмосфери. Коли сонячна активність максимальна, положення апарата доводиться коригувати кожні 2-3 тижні.

Космічний сміття

Третя причина, що змушує змінювати орбіту космічний сміття. Один з комунікаційних супутників Iridium зіткнувся з нефункционирующим російським космічним апаратом. Вони розбилися, утворивши хмара сміття, що складається з більш ніж 2500 частин. Кожен елемент був доданий в базу даних, яка сьогодні налічує понад 18000 об'єктів техногенного походження. НАСА ретельно відслідковує все, що може виявитися на шляху супутників, оскільки із-за космічного сміття вже кілька разів доводилося змінювати орбіти. Інженери центру управління польотами відстежують положення космічного сміття і сателітів, які можуть перешкодити руху і по мірі необхідності ретельно планують маневри ухилення. Ця ж команда планує і виконує маневри з регулювання нахилу і висоти супутника.