На якой вышыні лётаюць спадарожнікі, разлік арбіты, хуткасць і кірунак руху

Падобна таму, як месца ў тэатры дазваляюць па-рознаму зірнуць на прадстаўленне, розныя арбіты спадарожнікаў даюць перспектыву, кожная з якіх мае сваё прызначэнне. Адны здаюцца віслымі над кропкай паверхні, яны забяспечваюць пастаянны агляд аднаго боку Зямлі, у той час як іншыя кружаць вакол нашай планеты, за дзень праносячыся над мноствам месцаў.

тыпы арбіт

На якой вышыні лётаюць спадарожнікі? Адрозніваюць 3 тыпу калязямных арбіт: высокія, сярэднія і нізкія. На высокай, найбольш выдаленай ад паверхні, як правіла, знаходзяцца многія ўмовы і некаторыя спадарожнікі сувязі. Сатэліты, якія верцяцца на сярэдняй калязямной арбіце, ўключаюць навігацыйныя і спецыяльныя, прызначаныя для маніторынгу канкрэтнага рэгіёну. Большасць навуковых касмічных апаратаў, у тым ліку флот сістэмы назірання за паверхняй Зямлі НАСА, знаходзіцца на нізкай арбіце.

Ад таго, на якой вышыні лётаюць спадарожнікі, залежыць хуткасць іх руху. Па меры набліжэння да Зямлі гравітацыя становіцца ўсё мацней, і рух паскараецца. Напрыклад, спадарожніку НАСА Aqua патрабуецца каля 99 хвілін, каб абляцець вакол нашай планеты на вышыні каля 705 км, а метэаралагічнаму апарату, выдаленага на 35 786 км ад паверхні, для гэтага спатрэбіцца 23 гадзіны, 56 хвілін і 4 секунды. На адлегласці 384 403 км ад цэнтра Зямлі Месяц завяршае адзін абарот за 28 дзён.

аэрадынамічнае парадокс

Змяненне вышыні спадарожніка таксама змяняе яго хуткасць руху па арбіце. Тут назіраецца парадокс. Калі аператар спадарожніка хоча павысіць яго хуткасць, ён не можа проста запусціць рухавікі для паскарэння. Гэта павялічыць арбіту (і вышыню), што прывядзе да памяншэння хуткасці. Замест гэтага варта запусціць рухавікі ў кірунку, процілеглым кірунку руху спадарожніка, т. Е. Здзейсніць дзеянне, якое на Зямлі б замарудзіла якое рухаецца транспартны сродак. Такое дзеянне перамесціць яго ніжэй, што дазволіць павялічыць хуткасць.

характарыстыкі арбіт

У дадатак да вышыні, шлях руху спадарожніка характарызуецца эксцэнтрысітэтам і ладам. Першы ставіцца да формы арбіты. Спадарожнік з нізкім эксцэнтрысітэтам рухаецца па траекторыі, блізкай да кругавой. Эксцэнтрычная арбіта мае форму эліпса. Адлегласць ад касмічнага апарата да Зямлі залежыць ад яго становішча.

Лад - гэта кут арбіты ў адносінах да экватара. Спадарожнік, які круціцца непасрэдна над экватарам, мае нулявы нахіл. Калі касмічны апарат праходзіць над паўночным і паўднёвым полюсамі (геаграфічнымі, а не магнітнымі), яго нахіл складае 90 °.

Усе разам - вышыня, эксцэнтрысытэт і лад - вызначаюць рух сатэліта і тое, як з яго пункту гледжання будзе выглядаць Зямля.

высокая калязямную

Калі спадарожнік дасягае роўна 42.164 км ад цэнтра Зямлі (каля 36 тыс. Км ад паверхні), ён уваходзіць у зону, дзе яго арбіта адпавядае кручэнню нашай планеты. Паколькі апарат рухаецца з той жа хуткасцю, што і Зямля, т. Е. Яго перыяд звароту роўны 24 ч, здаецца, што ён застаецца на месцы над адзінай даўгаты, хоць і можа дрэйфаваць з поўначы на поўдзень. Гэтая спецыяльная высокая арбіта называецца геасінхроннай.

Спадарожнік рухаецца па кругавой арбіце прама над экватарам (эксцэнтрысытэт і лад роўныя нулю) і адносна Зямлі стаіць на месцы. Ён заўсёды размешчаны над адной і той жа кропкай на яе паверхні.

Геастацыянарнай арбіту надзвычай каштоўная для маніторынгу надвор'я, так як спадарожнікі на ёй забяспечваюць пастаянны агляд аднаго і таго ж ўчастка паверхні. Кожныя некалькі хвілін метэаралагічныя апараты, такія як GOES, падаюць інфармацыю аб аблоках, вадзяніку пары і вятрах, і гэты пастаянны паток інфармацыі служыць асновай для маніторынгу і прагназавання надвор'я.

Акрамя таго, геастацыянарнай апараты могуць быць карысныя для камунікацыі (тэлефаніі, тэлебачання, радыё). Спадарожнікі GOES забяспечваюць працу пошукава-выратавальнага радыёмаяка, якая выкарыстоўваецца для дапамогі ў пошуку караблёў і самалётаў, якія церпяць бедства.

Нарэшце, многія высокоорбитальные сатэліты Зямлі займаюцца маніторынгам сонечнай актыўнасці і адсочваюць ўзроўні магнітнага поля і радыяцыі.

Вылічэнне вышыні ГСО

На спадарожнік дзейнічае цэнтраімклівых сіла F _ц = (M ₁ v ²⁾ / R і сіла цяжару F _т = (GM ₁ M ₂₎ / R ^2. Бо гэтыя сілы аднолькавыя, можна зраўнаваць правыя часткі і скараціць іх на масу M _1. У выніку атрымаецца роўнасць v ² = (GM ²⁾ / R. Адсюль хуткасць руху v = ((GM ₂₎ / R) ^1/2

Так як геастацыянарнай арбіту ўяўляе сабой акружнасць даўжынёй 2πr, арбітальная хуткасць роўная v = 2πR / T.

Адсюль R ³ = T ² GM / (4π ^2).

Так як T = 8,64x10 ⁴ з, G = 6,673x10 ^-11 Н · м ² / кг ^2, M = 5,98x10 ²⁴ кг, то R = 4,23x10 ⁷ м. Калі адняць з R радыус Зямлі, роўны 6,38x10 ⁶ м, можна даведацца, на якой вышыні лётаюць спадарожнікі, віслыя над адной кропкай паверхні - 3,59x10 ⁷ м.

пункту Лагранжа

Іншымі выдатнымі арбітамі з'яўляюцца пункту Лагранжа, дзе сіла прыцягнення Зямлі кампенсуецца сілай цяжару Сонца. Усё, што там знаходзіцца, у роўнай ступені прыцягваецца да гэтых нябесным целам і круціцца з нашай планетай вакол свяціла.

З пяці кропак Лагранжа ў сістэме Сонца-Зямля толькі дзве апошніх, званых L4 і L5, з'яўляюцца стабільнымі. У астатніх спадарожнік падобны мячы, балансуе на вяршыні стромкага ўзгорка: любое нязначнае абурэнне будзе выштурхоўваць яго. Каб заставацца ў збалансаваным стане, касмічныя апараты тут маюць патрэбу ў пастаяннай карэкціроўцы. У апошніх двух кропках Лагранжа спадарожнікі прыпадабняюцца шару ў шары: нават пасля моцнага абурэння яны вернуцца назад.

L1 размешчана паміж Зямлёй і Сонцам, дазваляе сатэлітам, якія знаходзяцца ў ёй, мець пастаянны агляд нашага свяціла. Сонечная абсерваторыя SOHO, спадарожнік НАСА і Еўрапейскага касмічнага агенцтва сочаць за Сонцам з першай кропкі Лагранжа, у 1,5 млн км ад нашай планеты.

L2 размешчана на тым жа адлегласці ад Зямлі, але знаходзіцца ззаду яе. Спадарожнікам ў гэтым месцы патрабуецца толькі адзін цеплавой экран, каб абараніцца ад святла і цяпла Сонца. Гэта добрае месца для касмічных тэлескопаў, якія выкарыстоўваюцца для вывучэння прыроды Сусвету шляхам назірання фону мікрахвалевага выпраменьвання.

Трэцяя кропка Лагранжа размешчана насупраць Зямлі з другога боку Сонца, так што свяціла заўсёды знаходзіцца паміж ім і нашай планетай. Спадарожнік у гэтым становішчы не будзе мець магчымасць мець зносіны з Зямлёй.

Надзвычай стабільныя чацвёртая і пятая пункту Лагранжа ў арбітальнай траекторыі нашай планеты ў 60 ° наперадзе і ззаду Зямлі.

Сярэдняя калязямную арбіту

Знаходзячыся бліжэй да Зямлі, спадарожнікі рухаюцца хутчэй. Адрозніваюць дзве сярэднія калязямныя арбіты: полусинхронную і «Маланку».

На якой вышыні лётаюць спадарожнікі, якія знаходзяцца на полусинхронной арбіце? Яна амаль круглая (нізкі эксцэнтрысытэт) і выдаленая на адлегласць 26560 км ад цэнтра Зямлі (каля 20200 км над паверхняй). Сатэліт на гэтай вышыні здзяйсняе поўны абарот за 12 ч. Па меры яго руху Зямля круціцца пад ім. За 24 ч ён перасякае 2 аднолькавыя кропкі на экватары. Гэтая арбіта паслядоўная і вельмі прадказальная. Выкарыстоўваецца сістэмай глабальнага пазіцыянавання GPS.

Арбіта «Маланка» (лад 63,4 °) выкарыстоўваецца для назірання ў высокіх шыротах. Геастацыянарнай спадарожнікі прывязаныя да экватара, таму яны не падыходзяць для далёкіх паўночных ці паўднёвых рэгіёнаў. Гэтая арбіта вельмі эксцэнтрычная: касмічны апарат рухаецца па выцягнутай эліпсе з Зямлёй, размешчанай блізка да аднаго краі. Так як спадарожнік паскараецца пад дзеяннем сілы цяжару, ён рухаецца вельмі хутка, калі знаходзіцца блізка да нашай планеты. Пры выдаленні яго хуткасць запавольваецца, таму ён больш часу праводзіць на вяршыні арбіты ў самым далёкім ад Зямлі краі, адлегласць да якога можа дасягаць 40 тыс. Км. Перыяд звароту складае 12 ч, але амаль дзве трэці гэтага часу спадарожнік праводзіць над адным паўшар'ем. Падобна полусинхронной арбіце сатэліт праходзіць па адным і тым жа шляху праз кожныя 24 ч. Выкарыстоўваецца для сувязі на крайнім поўначы або поўдні.

нізкай калязямной

Большасць навуковых спадарожнікаў, многія метэаралагічныя і касмічная станцыя знаходзяцца на амаль кругавой нізкай калязямной арбіце. Іх нахіл залежыць ад таго, маніторынгам чаго яны займаюцца. TRMM быў запушчаны для маніторынгу ападкаў у тропіках, таму мае адносна нізкае лад (35 °), застаючыся паблізу экватара.

Многія з спадарожнікаў сістэмы назірання НАСА маюць амаль палярную высоконаклонную арбіту. Касмічны апарат рухаецца вакол Зямлі ад полюса да полюса з перыядам 99 мін. Палову часу ён праходзіць над дзённай бокам нашай планеты, а на полюсе пераходзіць на начную.

Па меры руху спадарожніка пад ім круціцца Зямля. Да таго часу, калі апарат пераходзіць на асветлены ўчастак, ён знаходзіцца над вобласцю, прылеглай да зоны праходжання сваёй апошняй арбіты. За 24-гадзінны перыяд палярныя спадарожнікі пакрываюць большую частку Зямлі двойчы: адзін раз днём і адзін раз уначы.

Сонечна-сінхронная арбіта

Падобна таму як геасінхронную спадарожнікі павінны знаходзіцца над экватарам, што дазваляе ім заставацца над адной кропкай, палярна-арбітальныя маюць здольнасць заставацца ў адным часу. Іх арбіта з'яўляецца сонечна-сінхроннай - пры перасячэнні касмічным апаратам экватара мясцовае сонечнае час заўсёды адно і тое ж. Напрыклад, спадарожнік Terra перасякае яго над Бразіліяй заўсёды ў 10:30 раніцы. Наступнае скрыжаванне праз 99 мін над Эквадорам або Калумбіяй адбываецца таксама ў 10:30 па мясцовым часе.

Сонечна-сінхронная арбіта неабходная для навукі, так як дазваляе захоўваць кут падзення сонечнага святла на паверхню Зямлі, хоць ён будзе мяняцца ў залежнасці ад сезону. Такое сталасць азначае, што навукоўцы могуць параўноўваць выявы нашай планеты аднаго часу года на працягу некалькіх гадоў, не турбуючыся аб занадта вялікіх скачках у асвятленні, якія могуць стварыць ілюзію зменаў. Без сонечна-сінхроннай арбіты было б складана адсочваць іх з цягам часу і збіраць інфармацыю, неабходную для вывучэння змен клімату.

Шлях спадарожніка тут вельмі абмежаваны. Калі ён знаходзіцца на вышыні 100 км, арбіта павінна мець нахіл 96 °. Любое адхіленне будзе недапушчальным. Паколькі супраціў атмасферы і сіла прыцягнення Сонца і Месяца змяняюць арбіту апарата, яе неабходна рэгулярна карэктаваць.

Вывядзенне на арбіту: запуск

Запуск спадарожніка патрабуе энергіі, колькасць якой залежыць ад размяшчэння месца старту, вышыні і нахілу будучай траекторыі яго руху. Каб дабрацца да выдаленай арбіты, патрабуецца выдаткаваць больш энергіі. Спадарожнікі са значным нахілам (напрыклад, палярныя) больш энергазатратных, чым тыя, якія кружаць над экватарам. Вывядзенні на арбіту з нізкім нахілам дапамагае кручэнне Зямлі. Міжнародная касмічная станцыя рухаецца пад вуглом 51,6397 °. Гэта неабходна для таго, каб касмічным чоўнам і расійскім ракетам было лягчэй дабрацца да яе. Вышыня МКС - 337-430 км. Палярныя спадарожнікі, з другога боку, ад імпульсу Зямлі дапамогі не атрымліваюць, таму ім патрабуецца больш энергіі, каб падняцца на такое ж адлегласць.

карэкціроўка

Пасля запуску спадарожніка неабходна прыкласці намаганні, каб утрымаць яго на пэўнай арбіце. Паколькі Зямля не з'яўляецца ідэальнай сферай, яе гравітацыя ў некаторых месцах мацней. Гэтая нераўнамернасць, нароўні з прыцягненнем Сонца, Месяца і Юпітэра (самай масіўнай планеты Сонечнай сістэмы), змяняе нахіл арбіты. На працягу ўсяго свайго тэрміну службы становішча спадарожнікаў GOES карэктаваць тры ці чатыры разы. Нізкаарбітальных апараты НАСА павінны рэгуляваць свой нахіл штогод.

Акрамя таго, на калязямныя спадарожнікі аказвае ўздзеянне атмасфера. Самыя верхнія пласты, хоць і досыць разрэжу, аказваюць досыць моцны супраціў, каб прыцягваць іх бліжэй да Зямлі. Дзеянне сілы цяжару прыводзіць да паскарэння спадарожнікаў. З часам яны згараюць, па спіралі апускаючыся ўсё ніжэй і хутчэй у атмасферу, ці падаюць на Зямлю.

Атмасферны супраціў мацней, калі Сонца актыўна. Гэтак жа, як паветра ў паветраным шары пашыраецца і паднімаецца пры награванні, атмасфера падымаецца і пашыраецца, калі Сонца дае ёй дадатковую энергію. Разрэджаныя слаі атмасферы падымаюцца, а іх месца займаюць больш шчыльныя. Таму спадарожнікі на арбіце Зямлі павінны змяняць сваё становішча прыкладна чатыры разы на год, каб кампенсаваць супраціў атмасферы. Калі сонечная актыўнасць максімальная, становішча апарата даводзіцца карэктаваць кожныя 2-3 тыдні.

касмічны смецце

Трэцяя прычына, вымушаюць мяняць арбіту - касмічны смецце. Адзін з камунікацыйных спадарожнікаў Iridium сутыкнуўся з нефункцыянуючага расійскім касмічным апаратам. Яны разбіліся, утварыўшы воблака смецця, якое складаецца з больш чым 2500 частак. Кожны элемент быў дададзены ў базу дадзеных, якая сёння налічвае звыш 18000 аб'ектаў тэхнагеннага паходжання.

НАСА старанна адсочвае ўсе, што можа апынуцца на шляху спадарожнікаў, т. К. З-за касмічнага смецця ўжо некалькі разоў даводзілася мяняць арбіты.

Інжынеры цэнтра кіравання палётамі адсочваюць становішча касмічнага смецця і сатэлітаў, якія могуць перашкодзіць руху і па меры неабходнасці старанна плануюць манеўры ўхілення. Гэтая ж каманда плануе і выконвае манеўры па рэгулёўцы нахілу і вышыні спадарожніка.