ШТУЧНІ СУПУТНИКИ: ДЛЯ ЧОГО ВОНИ, ЯК ВОНИ ПРАЦЮЮТЬ, ТИПИ, ВАЖЛИВІ - АРТЕ - 2025

Ці супутники є транспортні засоби або пристрої , побудовані спеціально для викидатися в простір без екіпажу, щоб орбіту навколо Землі або іншого небесного тіла.

Перші ідеї щодо побудови штучних супутників з'явилися від авторів наукової фантастики, наприклад Жуля Верна та Артура К. Кларка. Останній був радіолокатором у Королівських ВПС і наприкінці Другої світової війни задумав ідею використання трьох супутників на орбіті навколо Землі для підтримки телекомунікаційної мережі.

Малюнок 1. Штучний супутник, що обертається навколо Землі. Джерело: Wikimedia Commons.

На той час кошти ще не були доступні для розміщення супутника на орбіті. Минуло ще кілька років, щоб військові США створили перші супутникові зв’язки на початку 1950-х.

Космічна гонка між США та Радянським Союзом сприяла розвитку штучної супутникової індустрії. Першим успішно виведеним на орбіту був радянський супутник Sputnik в 1957 році, і він випромінював сигнали в діапазоні 20-40 МГц.

Після цього відбувся запуск Ехо I у США для комунікаційних цілей. З тих пір численні запуски на орбіту вдалися обом державам, і згодом багато країн приєдналися до нової технології.

Для чого штучні супутники?

-У телекомунікаціях, для повторної передачі радіо, телебачення та повідомлень стільникового телефону.

-У наукових та метеорологічних дослідженнях, включаючи картографію та астрономічні спостереження.

-Для військової розвідки.

-Для навігації та використання місцеположення, будучи GPS (глобальною системою позиціонування), є однією з найбільш відомих.

-Що стежити за поверхнею землі.

-У космічних станціях, призначених для досвіду життя поза Землею.

Як вони працюють?

У своєму "Принципії" Ісаак Ньютон (1643-1727) встановив, що потрібно для розміщення супутника на орбіті, хоча замість супутника він використовував як приклад гарматну кулю, вистрілену з вершини пагорба.

Вистрілена з певною горизонтальною швидкістю, куля слідує звичайній параболічній траєкторії. Збільшуючи швидкість, горизонтальна досяжність стає все більшою і більшою, щось зрозуміле. Але чи певна швидкість змусить кулю вийти на орбіту навколо Землі?

Земля кривих від лінії дотичної до поверхні зі швидкістю 4,9 м на кожні 8 км. Будь-який предмет, звільнений від спокою, впаде на 4,9 м протягом першої секунди. Тому при стрільбі з кулі горизонтально з вершини зі швидкістю 8 км / с вона впаде на 4,9 м протягом першої секунди.

Але Земля також спуститься в той час на 4,9 м, коли вона кривиться під гарматним кулею. Це продовжує рухатись горизонтально, охоплюючи 8 км і залишатиметься на тій же висоті щодо Землі протягом цієї секунди.

Природно, те саме відбувається через наступну секунду і за всі наступні секунди, перетворивши кулю на штучний супутник, без будь-якого додаткового руху, доки не буде тертя.

Однак тертя, викликане опором повітря, неминуче, тому необхідна ракета-носій.

Ракета піднімає супутник на велику висоту, де тонша атмосфера надає менший опір і забезпечує йому необхідну горизонтальну швидкість.

Така швидкість повинна бути більше 8 км / с і менше 11 км / с. Останнє - швидкість втечі. Запроектований з такою швидкістю, супутник відмовився б від гравітаційного впливу Землі, виходячи в космос.

Штучна супутникова структура

Штучні супутники містять різні складні механізми для виконання своїх функцій, які передбачають отримання, обробку та передачу сигналів різних типів. Вони також повинні бути легкими і мати самостійність роботи.

Основні структури є загальними для всіх штучних супутників, які, у свою чергу, мають кілька підсистем за призначенням. Вони встановлюються в корпусі, виготовленому з металу або інших легких сполук, який служить опорою і називається шиною.

В автобусі можна знайти:

- Центральний модуль управління, який містить комп'ютер, з яким обробляються дані.

- Прийом та передача антен для зв'язку та передачі даних радіохвилями, а також телескопами, камерами та радарами.

- Система сонячних панелей на крилах для отримання необхідної енергії та акумуляторних батарей, коли супутник знаходиться в тіні. Залежно від орбіти, супутникам потрібно близько 60 хвилин сонячного світла, щоб зарядити свої батареї, якщо вони знаходяться на низькій орбіті. Більш віддалені супутники проводять набагато більше часу, підданого впливу сонячної радіації.

Оскільки супутники тривалий час проводять вплив цього випромінювання, необхідна система захисту, щоб уникнути пошкодження інших систем.

Оголені частини дуже нагріваються, тоді як в тіні вони досягають надзвичайно низьких температур, оскільки недостатньо атмосфери для регулювання змін. З цієї причини радіатори вимагають усунення тепла та алюмінієвих кришок для збереження тепла при необхідності.

Типи штучних супутників

Залежно від їх траєкторії штучні супутники можуть бути еліптичними або круговими. Звичайно, кожен супутник має відведену орбіту, яка, як правило, у тому ж напрямку, що обертається Земля, називається асинхронною орбітою. Якщо з якоїсь причини супутник рухається в зворотному напрямку, то він має ретроградну орбіту.

Під силою тяжіння предмети рухаються еліптичними шляхами за законами Кеплера. Штучні супутники цього не уникають, проте деякі еліптичні орбіти мають настільки малий ексцентриситет, що їх можна вважати круговими.

Орбіти також можна нахилити відносно екватора Землі. При нахилі до 0º вони є екваторіальними орбітами, якщо вони 90 °, вони є полярними орбітами.

Висота супутника також є важливим параметром, оскільки між 1500 - 3000 км висотою є перший пояс Ван Аллена, регіон, якого слід уникати через високу швидкість випромінювання.

Малюнок 2. Орбіти, висоти та швидкості штучних супутників. Знешкоджені супутники переходять на орбіту кладовища, хоча на всіх орбітах є залишки. Джерело: Wikimedia Commons.

Супутникові орбіти

Орбіта супутника вибирається відповідно до місії, яку він має, оскільки є більш-менш сприятливі висоти для різних операцій. Відповідно до цього критерію, супутники класифікуються як:

- LEO (низька орбіта Землі) , вони мають висоту від 500 до 900 км і описують кругову стежку, з періодами приблизно 1 годину-півтори та нахилом 90º. Вони використовуються для мобільних телефонів, факсів, персональних пейджерів, для транспортних засобів та для човнів.

- МЕО (Середня земна орбіта) , вони знаходяться на висоті між 5000-12000 км, нахилом 50º і періодом приблизно 6 годин. Вони також зайняті в мобільних телефонах.

- ГЕО (геосинхронна орбіта Землі) , або геостаціонарна орбіта, хоча між двома членами є невелика різниця. Перші можуть мати різний нахил, тоді як останні завжди знаходяться на 0º.

У будь-якому випадку вони знаходяться на великій висоті -36 000 км більше або менше-. Вони проходять кругові орбіти періодами в 1 день. Завдяки їм, серед інших послуг, доступний факс, міжміська телефонія та супутникове телебачення.

Малюнок 3. Діаграма орбіт штучних супутників. 1) Земля. 2) ЛЕО. 3) МЕО, 4) Геосинхронні орбіти. Джерело: Wikimedia Commons.

Геостаціонарні супутники

На початку супутники зв'язку мали різні періоди, ніж обертання Землі, але це ускладнило позиціонування антен і зв’язок був втрачений. Рішенням було встановити супутник на такій висоті, щоб його період співпадав із періодом обертання Землі.

Таким чином супутник орбітує разом із Землею і, здається, фіксується відносно неї. Висота, необхідна для розміщення супутника на геосинхронній орбіті, становить 35786,04 км і відома як пояс Кларка.

Висоту орбіти можна обчислити, встановивши період, використовуючи наступний вираз, отриманий із Закону про загальне тяжіння Ньютона та законів Кеплера:

Де P - період, а - довжина напівмагістральної осі еліптичної орбіти, G - універсальна константа тяжіння і M - маса Землі.

Оскільки таким чином орієнтація супутника щодо Землі не змінюється, це гарантує, що він завжди матиме з нею контакт.

Найважливіші штучні супутники Землі

Sputnik

Малюнок 4. Репліка Sputnik, першого штучного супутника в орбіті в історії. Джерело: Wikimedia Commons.

Це був перший штучний супутник в історії людства, виведений на орбіту колишнім Радянським Союзом у жовтні 1957 р. За цим супутником пройшли ще 3, як частина програми Sputnik.

Перший Sputnik був зовсім невеликим і легким: в основному 83 кг алюмінію. Він був здатний випромінювати частоти між 20 і 40 МГц, перебував на орбіті три тижні, після чого впав на Землю.

Репліки Sputnik сьогодні можна побачити у багатьох музеях Російської Федерації, Європи та навіть Америки.

Космічний човник

Ще однією відомою пілотованою місією була космічна транспортна система STS або Space Shuttle, яка діяла з 1981 по 2011 рік і брала участь, серед інших важливих місій, у запуску космічного телескопа Хаббла та Міжнародної космічної станції, крім місій ремонт інших супутників.

Космічний човник мав асинхронну орбіту і був багаторазовим, оскільки міг приїхати і виїхати на Землю. З п'яти поромів два були випадково знищені разом з екіпажами: «Челленджер» та «Колумбія».

GPS супутники

Глобальна система позиціонування широко відома тим, що точно розміщує людей та предмети в будь-якій точці земної кулі. Мережа GPS складається щонайменше з 24 супутників висоти, з яких завжди є 4 супутники, видимі з Землі.

Вони перебувають на орбіті на висоті 20000 км, а їх період - 12 годин. GPS використовує математичний метод, подібний до тріангуляції, для оцінки положення об'єктів, який називається трилатерацією.

GPS не обмежується розміщенням людей або транспортних засобів, він також корисний для картографії, зйомки, геодезії, рятувальних робіт та спортивних практик, серед інших важливих застосувань.

Космічний телескоп Хаббл

Це штучний супутник, який пропонує незрівнянні ніколи раніше не бачені зображення Сонячної системи, зірок, галактик та далекого Всесвіту, без атмосфери Землі чи світлового забруднення, що блокує чи спотворює далеке світло.

Малюнок 5. Вид космічного телескопа Хаббла. Джерело: NASA через Wikimedia Commons.

Отже, його запуск у 1990 році був найвидатнішим успіхом в астрономії останнім часом. Величезний 11-тонний циліндр Хаббла сидить на висоті (548 км), яка обертається навколо Землі круговим рухом, з періодом 96 хвилин.

Очікується, що він буде деактивований між 2020 та 2025 роками, його замінить космічний телескоп Джеймса Вебба.

Міжнародна космічна станція

Відома як МКС (Міжнародна космічна станція), це орбітальна дослідницька лабораторія, якою керують п'ять космічних агентств у всьому світі. Поки що це найбільший штучний супутник, що існує.

На відміну від решти супутників, у космічній станції на борту є люди. Окрім постійного екіпажу щонайменше двох космонавтів, станцію навіть відвідували туристи.

Призначення станції - насамперед наукове. Він має 4 лабораторії, в яких досліджується вплив нульової сили тяжіння, проводяться астрономічні, космологічні та кліматичні спостереження, а також різні експерименти з біології, хімії та впливу випромінювання на різні системи.

Чандра

Цей штучний супутник - це обсерваторія для виявлення рентгенівських променів, які поглинаються земною атмосферою і тому не можуть бути вивчені з поверхні. НАСА вивело його на орбіту в 1999 році через космічний човник Колумбія.

Супутники зв'язку Iridium

Вони складають мережу з 66 супутників на висоті 780 км на орбітах типу LEO, з періодом 100 хвилин. Вони були розроблені телефонною компанією Motorola для забезпечення телефонного зв’язку в важкодоступних місцях. Однак це дуже висока вартість послуги.

Супутникова система Galileo

Це система позиціонування, розроблена Європейським Союзом, еквівалентна GPS та для цивільного використання. На даний момент працює 22 супутники, але він ще будується. Він може знаходити людину або предмет з точністю на 1 метр у відкритій версії і сумісний із супутниками системи GPS.

Серія Landsat

Це супутники, спеціально розроблені для спостереження за земною поверхнею. Вони розпочали свою роботу в 1972 р. Крім усього іншого, вони займаються картою місцевості, записом інформації про рух льоду на стовпах та розмірами лісів, а також розвідуванням гірничих робіт.

Система Glonass

Це геолокаційна система Російської Федерації, рівнозначна GPS та мережі Galileo.

Спостереження за штучними супутниками

Штучні супутники можуть бачити з Землі любителі, оскільки вони відбивають сонячне світло і можуть розглядатися як точки світла, навіть якщо Сонце зайшло.

Щоб знайти їх, доцільно встановити на телефон одне із програм супутникового пошуку або звернутися до Інтернет-сайтів, які відстежують супутники.

Наприклад, космічний телескоп Хаббла можна побачити неозброєним оком, а ще краще - хорошим біноклем, якщо ви знаєте, де шукати.

Підготовка до спостереження за супутниками така ж, як і для спостереження за метеорними зливами. Найкращі результати отримують у дуже темні та ясні ночі, без хмар і без місяця, або з місяцем низько на горизонті. Чим далі від легкого забруднення, тим краще, вам також доведеться принести теплий одяг та гарячі напої.

Список літератури

1. Європейське космічне агентство. Супутники. Відновлено з: esa.int.
2. Джанколі, Д. 2006. Фізика: принципи застосування. 6-й. Ед Прентіс Холл.
3. Маран, С. Астрономія для манекенів.
4. POT. Про космічний телескоп Хаббл. Відновлено з: nasa.gov.
5. Що таке штучні супутники і як вони працюють? Відновлено з: youbioit.com
6. Віківерситет. Штучні супутники. Відновлено: es.wikiversity.org.