Як працюють супутники? - 18 Февраля 2014

«Людина повинна піднятися над Землею - в атмосферу і за її межі - бо тільки так він повністю зрозуміє світ, в якому живе».

Сократ зробив це спостереження за століття до того, як люди успішно вивели об'єкт на земну орбіту. І все ж давньогрецький філософ, здається, зрозумів, наскільки цінним може бути вид з космосу, хоча абсолютно не знав, як цього досягти.

Цьому поняттю - про те, як вивести об'єкт «в атмосферу і за її межі» - довелося чекати до тих пір, поки Ісаак Ньютон Неопубліковані свій знаменитий уявний експеримент з гарматним ядром в 1729 році. Виглядає він приблизно так:

«Уявіть, що ви помістили гармату на вершину гори і вистрілили з неї горизонтально. Гарматне ядро ​​буде подорожувати паралельно поверхні Землі деякий час, але в кінцевому рахунку поступиться силі тяжіння і впаде на Землю. Тепер уявіть, що ви продовжуєте додавати порох в пушку. З додатковими вибухами ядро ​​буде подорожувати далі і далі, поки не впаде. Додайте потрібну кількість пороху і надайте ядру правильне прискорення, і воно буде постійно летіти навколо планети, завжди падаючи в гравітаційному полі, але ніколи не досягаючи землі ».

У жовтні 1957 року Радянський Союз нарешті підтвердив здогад Ньютона, запустивши «Супутник-1» - перший штучний супутник на орбіті Землі. Це ініціювало космічну гонку і численні запуски об'єктів, яким призначалась літати навколо Землі та інших планет Сонячної системи. З моменту запуску «Супутника» деякі країни, здебільшого США, Росія і Китай, запустили більше 3000 супутників в космос. Деякі з цих зробленими людьми об'єктів, наприклад МКС, великі. Інші відмінно вміщаються в невеликому скриньці. Завдяки супутникам ми отримуємо прогнози погоди, дивимося телевізор, сидимо в Інтернеті і телефонуємо. Навіть ті супутники, роботу яких ми не відчуваємо і не бачимо, відмінно служать на користь військових.

Звичайно, запуск і експлуатація супутників привели до проблем. Сьогодні, враховуючи понад 1000 робочих супутників на земній орбіті, наш найближчий космічний район став жвавіше, ніж велике місто в годину пік. Приплюсуйте до цього неробочий обладнання, занедбані супутники, частини апаратного забезпечення і фрагменти від вибухів або зіткнень, які наповнюють небеса разом з корисним обладнанням. Цей орбітальний сміття, про який ми детально писали, накопичувався протягом багатьох років і представляє серйозну загрозу для супутників, в даний час кружляють навколо Землі, а також для майбутніх пілотованих і непілотованих запусків.

У цій статті ми заліземо в кишки звичайного супутника і заглянемо в його очі, щоб побачити види нашої планети, про які Сократ і Ньютон не могли і мріяти. Але спочатку давайте докладніше розберемося, чому, власне, супутник відрізняється від інших небесних об'єктів.

Що таке супутник?

Супутник - це будь-який об'єкт, який рухається по кривій навколо планети. Місяць - це природний супутник Землі, також поруч із Землею знаходиться безліч супутників, зроблених руками людини, так би мовити, штучних. Шлях, по якому слід супутник, це орбіта, іноді приймаюча форму кола.

Щоб зрозуміти, чому супутники рухаються таким чином, ми повинні відвідати наш друг Ньютона. Він припустив, що сила гравітації існує між двома будь-якими об'єктами у Всесвіті. Якби цієї сили не було, супутники, які летять поблизу планети, продовжували б свій рух з однією швидкістю і в одному напрямку - по прямій. Ця пряма - інерційний шлях супутника, який, проте, урівноважується сильним гравітаційним тяжінням, спрямованим до центру планети.

Іноді орбіта супутника виглядає як еліпс, приплюснутий коло, який проходить навколо двох точок, відомих як фокуси. В цьому випадку працюють всі ті ж закони руху, хіба що планети розташовані в одному з фокусів. В результаті, чиста сила, прикладена до супутника, не проходить рівномірно по всьому його шляху, і швидкість супутника постійно змінюється. Він рухається швидко, коли знаходиться найближче до планети - в точці перигею (не плутати з перигелієм), і повільніше, коли знаходиться далі від планети - в точці апогею.

Супутники бувають самих різних форм і розмірів і виконують найрізноманітніші завдання.

• Метеорологічні супутники допомагають метеорологам прогнозувати погоду або бачити, що відбувається з нею в даний момент. Геостаціонарний експлуатаційний екологічний супутник (GOES) представляє хороший приклад. Ці супутники зазвичай включають камери, які демонструють погоду Землі.
• Супутники зв'язку дозволяють телефонних розмов ретранслюватись через супутник. Найбільш важливою особливістю супутника зв'язку є транспондер - радіо, яке отримує розмову на одній частоті, а після підсилює його і передає назад на Землю на іншій частоті. Супутник зазвичай містить сотні або тисячі транспондерів. Супутники зв'язку, як правило, геосинхронной (про це пізніше).
• Телевізійні супутники передають телевізійні сигнали з однієї точки в іншу (за аналогією з супутниками зв'язку).
• Наукові супутники, як колись космічний телескоп Хаббла, виконують всі види наукових місій. Вони спостерігають за всім - від сонячних плям до гамма-променів.
• Навігаційні супутники допомагають літати літакам і плавати кораблям. GPS NAVSTAR і супутники ГЛОНАСС - яскраві представники.
• Рятувальні супутники реагують на сигнали лиха.
• Супутники спостереження за Землею відзначають зміни - від температури до крижаних шапок. Найбільш відомі - серія Landsat.

Військові супутники також знаходяться на орбіті, але більша частина їх роботи залишається таємницею. Вони можуть ретранслювати зашифровані повідомлення, здійснювати спостереження за ядерною зброєю, пересуваннями противника, попереджати про запуски ракет, прослуховувати сухопутне радіо, здійснювати радіолокаційну зйомку і картографування.

Коли були винайдені супутники?

Можливо, Ньютон в своїх фантазіях і запускав супутники, але перш ніж ми насправді вчинили цей подвиг, пройшло чимало часу. Одним з перших візіонерів був письменник-фантаст Артур Кларк. У 1945 році Кларк припустив, що супутник може бути розміщений на орбіті так, що буде рухатися в тому ж напрямку і з тією ж швидкістю, що і Земля. Так звані геостаціонарні супутники можна було б використовувати для зв'язку.

Вчені не розуміли Кларка - до 4 жовтня 1957 року. Тоді Радянський Союз запустив «Супутник-1», перший штучний супутник, на орбіту Землі. «Супутник» був 58 сантиметрів в діаметрі, важив 83 кілограмів і був виконаний у формі кульки. Хоча це було чудове досягнення, утримання «Супутника» було мізерним за сьогоднішніми мірками:

• термометр
• батарея
• радіопередавач
• газоподібний азот, який був під тиском всередині супутника

На зовнішній стороні «Супутника» чотири штирові антени передавали на короткохвильового частоті вище і нижче нинішнього стандарту (27 МГц). Станції спостереження на Землі зловили радіосигнал і підтвердили, що крихітний супутник пережив запуск і успішно вийшов на курс навколо нашої планети. Місяцем пізніше Радянський Союз запустив на орбіту «Супутник-2». Усередині капсули була собака Лайка.

У грудні 1957 року, відчайдушно намагаючись йти в ногу зі своїми противниками по холодній війні, американські вчені спробували вивести супутник на орбіту разом з планетою Vanguard. На жаль, ракета розбилася і згоріла ще на стадії зльоту. Незабаром після цього, 31 січня 1958 року народження, США повторили успіх СРСР, прийнявши план Вернера фон Брауна, який полягав у виведенні супутника Explorer-1 з ракетою US Redstone. Explorer-1 ніс інструменти для виявлення космічних променів і виявив в ході експерименту Джеймса Ван Аллена з Університету Айови, що космічних променів набагато менше, ніж очікувалося. Це призвело до відкриття двох тороїдальних зон (в кінцевому рахунку названих в честь Ван Аллена), наповнених зарядженими частинками, захопленими магнітним полем Землі.

Натхнені цими успіхами, деякі компанії почали розробляти і запускати супутники в 60-х роках. Однією з них була Hughes Aircraft разом із зоряним інженером Гарольдом Розеном. Розен очолив команду, яка втілила ідею Кларка - супутник зв'язку, розміщений на орбіті Землі таким чином, що міг відбивати радіохвилі з одного місця в інше. У 1961 році NASA уклало контракт з Hughes, щоб побудувати серію супутників Syncom (синхронна зв'язок). У 1963 року Розен і його колеги побачили, як Syncom-2 злетів у космос і вийшов на грубу геосинхронну орбіту. Президент Кеннеді використовував нову систему, щоб поговорити з прем'єр-міністром Нігерії в Африці. Незабаром злетів і Syncom-3, який насправді міг транслювати телевізійний сигнал.

Епоха супутників почалася.

Яка різниця між супутником і космічним сміттям?

Технічно, супутник це будь-який об'єкт, який обертається навколо планети або меншого небесного тіла. Астрономи класифікують місяця як природні супутники, і протягом багатьох років вони склали список з сотень таких об'єктів, які обертаються навколо планет і карликових планет нашої Сонячної системи. Наприклад, нарахували 67 місяців Юпітера. І досі продовжують знаходити нові місяця .

Техногенні об'єкти, на кшталт «Супутника» і Explorer, також можна класифікувати як супутники, оскільки вони, як і місяця, обертаються навколо планети. На жаль, людська активність призвела до того, що на орбіті Землі опинилася величезна кількість сміття. Всі ці шматки і уламки поводяться як і великі ракети - обертаються навколо планети на високій швидкості по круговому або еліптичному шляху. У строгому тлумаченні визначення можна кожен такий об'єкт визначити як супутник. Але астрономи, як правило, вважають супутниками ті об'єкти, які виконують корисну функцію. Уламки металу і інший непотріб потрапляють в категорію орбітального сміття.

Орбітальний сміття надходить з багатьох джерел:

• Вибух ракети, який виробляє найбільше непотребу.
• Астронавт розслабив руку - якщо астронавт ремонтує щось в космосі і упускає гайковий ключ, той втрачений назавжди. Ключ виходить на орбіту і летить зі швидкістю близько 10 км / с. Якщо він потрапить в людини або в супутник, результати можуть бути катастрофічними. Великі об'єкти, на кшталт МКС, являють собою велику мету для космічного сміття.
• Викинуті предмети. Частини пускових контейнерів, шапки об'єктивів камер і так далі.

NASA вивело спеціальний супутник під назвою LDEF для вивчення довгострокових ефектів від зіткнення з космічним сміттям. За шість років інструменти супутника зареєстрували близько 20 000 зіткнень, деякі з яких були викликані мікрометеоритами, а інші орбітальним сміттям. Вчені NASA продовжують аналізувати дані LDEF. А ось в Японії вже планують розгорнути гігантську мережу для вилову космічного сміття.

Що всередині звичайного супутника?

Супутники бувають різних форм і розмірів і виконують безліч різних функцій, проте все, в принципі, схожі. Всі вони мають металевий або композитний каркас і тіло, яке англомовні інженери називають bus, а російські - космічної платформою. Космічна платформа збирає все разом і забезпечує достатньо заходів, щоб інструменти пережили запуск.

У всіх супутників є істочнÐ