Геостационарна орбита. Изкуствени спътници на Земята
Какво е геостационарна орбита? Това е кръгово поле, което се намира над екватора на Земята, чрез него се привлича изкуствен спътник ъгловата скорост въртене на планетата около оста. Тя не променя посоката си в хоризонталната координатна система, а се движи неподвижно в небето. Геостационарна земна орбита (GSO) Това е един вид геосинхронно поле и се използва за поставяне на комуникационни, телевизионни и други спътници.
Идеята за използване на изкуствени устройства
Концепцията за геостационарна орбита е инициирана от руския изобретател К. Е. Циолковски. В творбите си той предлага да колонизира пространство с орбитални станции. Чуждестранни учени също описват работата на космическите полета, например, G. Obert. Лицето, което е разработило концепцията за използване на орбита, за да общува, е Артър Кларк. През 1945 г. той поставя статия в списанието “Wireless World”, където описва предимствата на работата на геостационарното поле. За активна работа в тази област в чест на орбита учен получи второто си име - "колана на Кларк". Над проблема за осъществяването на качествена комуникация, мислят много теоретици. Така през 1928 г. Херман Поточник предложи как да се използват геостационарни спътници.
Кларк пояс
За да бъде наречена орбита геостационарна, тя трябва да отговаря на няколко параметъра:
1. Геосинхрония. Тази характеристика включва областта, която има период, съответстващ на периода на Земната революция. Геосинхронният сателит завършва революция около планетата в един звезден ден, който е 23 часа 56 минути и 4 секунди. Същото време е необходимо, за да може Земята да извърши един оборот във фиксирано пространство.
2. За да се поддържа сателит в определена точка, геостационарната орбита трябва да бъде кръгла, с нулев наклон. Елиптичното поле ще доведе до изместване или на изток, или на запад, тъй като апаратът се движи по определени места в орбитата по различни начини.
3. “Точката на зависване” на космическия механизъм трябва да бъде на екватора.
4. Разположението на спътниците в геостационарната орбита следва да бъде такова, че малък брой честоти, предназначени за комуникация, да не води до налагане на честоти на различни устройства по време на приемане и предаване, както и да предотврати сблъскването им.
5. Достатъчно гориво, за да се поддържа позицията на космическия механизъм.
Геостационарната спътникова орбита е уникална, тъй като само с комбинация от нейните параметри превозното средство може да бъде неподвижно. Друга особеност е способността да се види Земята под ъгъл от седемнадесет градуса от сателитите, разположени на космическото поле. Всяко устройство грабва около една трета от орбиталната повърхност, така че три механизма могат да покрият почти цялата планета.
Изкуствени спътници
самолет се върти около Земята по геоцентричен начин. За да го изведете, използвайте многостепенна ракета. Това е космически механизъм, който управлява реактивната сила на двигателя. За да се движат в орбита, изкуствените спътници на Земята трябва да имат начална скорост, която съответства на първото пространство. Полетите им се извършват на височина не по-малко от няколкостотин километра. Периодът на циркулация на апарата може да бъде няколко години. Изкуствени спътници на Земята могат да бъдат изстреляни от дъските на други устройства, например орбитални станции и кораби. БЛА имат маса до два десетки тона и размер до няколко десетки метра. Двадесет и първи век е белязан от раждането на устройства с изключително ниско тегло - до няколко килограма.
Сателитите бяха пуснати от много страни и компании. Първият изкуствен апарат в света е създаден в СССР и излетя в космоса на 4 октомври 1957 година. Той носи името "Спутник-1". През 1958 г. Съединените щати лансираха втория блок - Explorer 1. Първият сателит, стартиран от НАСА през 1964 г., е наречен Syncom-3. Изкуствените устройства са предимно невъзвръщаеми, но има и такива, които се връщат частично или изцяло. Те се използват за провеждане на изследвания и решаване на различни проблеми. Така че има военни, изследователски, навигационни спътници и други. Също така се пускат устройства, създадени от университетски персонал или радиолюбители.
"Точка на стояне"
Геостационарните сателити се намират на надморска височина от 35786 километра. Тази височина осигурява период на революция, който съответства на периода на циркулацията на Земята по отношение на звездите. Изкуственият апарат е неподвижен, поради което неговото разположение в геостационарната орбита се нарича „стояща точка“. Hangup осигурява постоянна дългосрочна комуникация, след като ориентираната антена винаги ще бъде насочена към желания спътник.
движение
Сателитите могат да се прехвърлят от орбита с ниска надморска височина към геостационарна, използвайки гео-преходни полета. Последните са елипсовиден път с точка на ниска надморска височина и връх на височина, близка до геостационарния кръг. Сателитът, който е станал неподходящ за по-нататъшна работа, се изпраща на погребална орбита, разположена на 200-300 километра над ГСО.
Височина на геостационарната орбита
Сателитът в това поле се държи на определено разстояние от Земята, без да се приближава или да се отдалечава. Той винаги е разположен над всяка екваториална точка. Въз основа на тези характеристики следва, че гравитационните сили и центробежната сила се балансират. Височината на геостационарната орбита се изчислява по методи, базирани на класическата механика. Това взема под внимание съответствието на гравитационните и центробежните сили. Стойността на първото количество се определя от закона на света Нютон. Индексът на центробежната сила се изчислява чрез изчисляване на масата на спътника центростремително ускорение. Резултатът от равенството на гравитационната и инерционна маса е заключението, че височината на орбитата не зависи от масата на спътника. Следователно геостационарната орбита се определя само от височината, при която центробежната сила е равна по величина и обратна на посоката на гравитационната сила, създадена от привличането на Земята на дадена височина.
От формулата за изчисляване на центростремителното ускорение може да се намери ъгловата скорост. Радиусът на геостационарната орбита също се определя от тази формула или чрез разделяне на геоцентричната гравитационна константа на квадрата на ъгловата скорост. Това е 42164 километра. Като се има предвид екваториалния радиус на Земята, ние получаваме височина, равна на 35786 километра.
Изчисленията могат да се извършат по различен начин, въз основа на твърдението, че височината на орбитата, представляваща разстоянието от центъра на Земята, с ъгловата скорост на спътника, която съвпада с движението на въртенето на планетата, води до линейна скорост, равна на първата космическа скорост на дадена височина.
Скорост в геостационарна орбита. дължина
Този индикатор се изчислява чрез умножаване на ъгловата скорост по радиуса на полето. Стойността на скоростта в орбита е 3,07 километра в секунда, което е много по-малко от първата космическа скорост по близката земна пътека. За да се намали скоростта, е необходимо да се увеличи радиусът на орбитата с повече от шест пъти. Дължината се изчислява чрез умножаване на числото на пи по радиуса, умножен по два. Това е 264924 километра. Индикаторът се взема предвид при изчисляването на „точките на застоя“ на спътниците.
Влияние на силите
Параметрите на орбитата, по която се прави изкуственият механизъм, могат да се променят под влияние на гравитационните лунно-слънчеви смущения, хетерогенността на земното поле и елиптичността на екватора. Полевата трансформация се изразява в такива явления като:
- Преместването на спътника от неговата позиция по орбитата към точките на стабилно равновесие, които се наричат потенциални ями на геостационарната орбита.
- Ъгълът на наклона на полето до екватора нараства с определена скорост и достига 15 градуса веднъж за 26 години и 5 месеца.
За да запазите спътника в желаната "точка на стояне", той е оборудван с двигателна система, която включва няколко пъти в рамките на 10-15 дни. Така, за да компенсира растежа на орбиталния наклон, се използва корекцията север-юг и за да се компенсира дрейфът по полето, се използва корекцията запад-изток. За да се регулира трасето на сателита през целия период на експлоатация, на борда се изисква голямо количество гориво.
Задвижващи системи
Изборът на адаптация се определя от индивидуалните технически характеристики на спътника. Например, химичният ракетен двигател има заместващо гориво и работи с дълго съхранявани висококипящи компоненти (диазотен тетроксид, асиметричен диметил хидразин). Плазмените устройства имат значително по-малък апетит, но за сметка на продължителна работа, която се измерва в десетки минути за едно движение, може значително да намали количеството гориво, консумирано на борда. Този тип система за задвижване се използва за маневриране на прехвърлянето на спътник в различна орбитална позиция. Основният ограничаващ фактор за живота на устройството е запасът от гориво в геостационарната орбита.
Недостатъците на изкуствено поле
Съществен дефект във взаимодействието с геостационарни спътници е голямото забавяне на разпространението на сигнала. Така при скорост на светлината от 300 хиляди километра в секунда и височина на орбита от 35786 километра, движението на лъча "Земя-спътник" отнема около 0,12 секунди, а "Земя-сателит - Земя" - 0,24 секунди. Като се има предвид забавянето на сигнала в оборудването и кабелните системи на трансмисиите за наземно обслужване, общото забавяне на сигнала на източника-сателит-приемник достига приблизително 2-4 секунди. Тази цифра значително усложнява използването на устройства в орбита в телефония и прави невъзможно използването на спътникови комуникации в системи в реално време.
Друг недостатък е невидимостта на геостационарната орбита от високите географски ширини, която пречи на проводимостта на комуникациите и телевизионните предавания в районите на Арктика и Антарктика. В ситуации, когато слънцето и сателитният предавател са в съответствие с приемащата антена, има намаление, а понякога и пълна липса на сигнал. В геостационарните орбити поради неподвижността на спътника това явление се проявява най-ясно.
Доплеров ефект
Това явление е промяната в честотата на електромагнитните вибрации с взаимното развитие на предавателя и приемника. Явлението се изразява в промяна във времето, както и с движението на изкуствени превозни средства в орбита. Ефектът се проявява като нестабилност на носещата честота на спътниковите колебания, която се добавя към инструменталната нестабилност на честотата на бордовия ретранслатор и земната станция, което усложнява приемането на сигнали. Доплеровият ефект допринася за промяна на честотата на модулиращите вибрации, което е невъзможно да се контролира. В случаите, когато в орбита се използват комуникационни спътници и сателити за директно телевизионно излъчване, това явление практически се елиминира, т.е. няма промени в нивото на сигнала в приемателната точка.
Отношение в света към геостационарни полета
Космическата орбита на нейното раждане е създала много въпроси и международни правни проблеми. Те се разглеждат от редица комисии, по-специално Обединените нации. Някои страни, разположени на екватора, твърдят, че разширяват суверенитета си върху част от космическото поле, разположено над тяхната територия. Държавите твърдят, че геостационарната орбита е физически фактор, който е свързан със съществуването на планетата и зависи от гравитационното поле на Земята, поради което полевите сегменти са продължение на територията на техните страни. Но тези твърдения бяха отхвърлени, тъй като светът има принцип на неприсвояване на космическото пространство. Всички проблеми, свързани с експлоатацията на орбитите и спътниците, се решават на световно ниво.