Что такое спутники земли
В широком смысле спутник – это попутчик или товарищ, тот, кто сопровождает кого-то в пути. Но спутники есть не только у людей. Планеты тоже имеют своих «попутчиков». Какие они бывают? Когда впервые появился искусственный спутник?
Возникновение спутников
В астрономии понятие «спутник» впервые появилось благодаря ученому Иоганну Кеплеру. Он употребил его ещё в 1611 году в своей работе Narratio de Iovis Satellitibus. В обычном понимании планетные спутники – это космические тела, которые вращаются вокруг планет. Они обращаются по собственной орбите под действием гравитационных сил своего «старшего компаньона».
Естественные спутники – это тела, которые появились природным путем, без участия человека. Они могут образоваться из газа и пыли или же из осколка какого-либо небесного тела, захваченные силами притяжения планеты. Попадая под влияние гравитационных сил, они преобразовываются, например, сжимаются и уплотняются, приобретают шарообразную форму (не всегда) и т. д.
Предполагается, что большинство современных спутников планет – их осколки, отколовшиеся в результате столкновения, или бывшие астероиды. Как правило, они состоят изо льда и минералов, в отличие от планет, не имеют металлического ядра, усеяны кратерами и разломами.
При открытии спутника ему присваивают номер. Затем первооткрыватель имеет право его назвать по собственному усмотрению. Традиционно их имена связывают с мифологией. Лишь у Урана они названы в честь литературных персонажей.
Спутники планет
У планет может быть самое разнообразное количество «компаньонов». У Земли он всего один – Луна, а вот у Юпитера их насчитывается 69. У Венеры и Меркурия спутников нет. Периодически появляются заявления об их обнаружении, однако все они вскоре опровергаются.
Спутник Юпитера, Ганимед, считается самым большим в Солнечной системе. Он состоит из силикатов и льда, а в диаметре достигает 5 268 километров. Полный оборот вокруг Юпитера занимает у него 7 дней и 3 часа.
У Марса два «попутчика» с впечатляющими названиями Деймос и Фобос, что с греческого языка переводится как «ужас» и «страх». Они обладают формой приближенной к трехосному эллипсоиду (длина полуосей неодинакова). Ученые утверждают, что скорость Фобоса постепенно снижается, а сам он приближается к планете. Однажды он просто упадет на Марс или же разрушится, образовав планетное кольцо.
Единственный естественный земной спутник – Луна. Это самое близкое и наиболее изученное нами небесное тело за пределами планеты Земля. Она обладает ядром, нижней, средней, верхней мантиями и корой. Также на Луне есть атмосфера.
Кора спутника состоит из реголита – остаточного грунта из пыли и каменистых обломков метеоритов. Поверхность Луны покрыта горами, бороздами, хребтами, а также морями (крупные низменности, покрытые застывшей лавой). Её атмосфера сильно разрежена, из-за чего небо над ней всегда черное и звездное.
Движение Луны вокруг Земли сложное. На него влияет не только гравитация нашей планеты, но и её сплюснутая форма, а также притяжение Солнца, которое притягивает Луну сильнее. Её полное обращение занимает 27,3 суток. Её орбита находится в плоскости эклиптики, в то время как у большинства других спутников она расположена в зоне экватора.
Луна вращается и вокруг своей оси. Однако это движение синхронизировано так, что к Земле она повернута всегда одной и той же стороной. Такое же явление наблюдается и у Плутона с его спутником Хароном.
Искусственные спутники
Искусственные спутники – это аппараты, созданные человеком и отправленные на околопланетную орбиту. Внутри них находятся различные приборы, необходимые для исследований.
Как правило, они беспилотные и управляются с земных космических станций. Чтобы запустить их в космос, используют специальные пилотируемые аппараты. Спутники бывают:
Первый искусственный спутник Земли был выпущен в период Холодной войны в 1957 году. Он был отправлен от СССР и назывался «Спутник-1». Годом позже США выпустили «Эксплорер-1». Только через несколько лет за ними последовали Великобритания, Канада, Италия, Франция, Австралия и многие другие страны.
Спутники планеты Земля: какие есть и чем отличаются
Мы провели эксперимент: спросили у знакомых, знают ли они, сколько спутников у Земли. Из десяти человек только один решил уточнить: «Каких именно? Естественных или искусственных?». Остальные вспомнили, что у Земли есть спутник Луна, и они слышали о каких-то ещё. Чтобы развеять сомнения в этом вопросе, Прекрасный Мир решил рассказать, какие спутники есть у Земли и чем они отличаются.
Что такое спутник
Спутник — объект, который вращается вокруг другого объекта в космосе по определенной траектории. В зависимости от происхождения спутники бывают естественными и искусственными.
Луна — естественный спутник Земли
Есть 2 наиболее распространенные теории о том, как появляются естественные спутники
Луна — естественный спутник Земли
Считается, что для Луны справедлива вторая теория. Ученые выяснили, что в составах Луны и Земли есть одинаковые соединения. Поэтому они предположили, что раньше Луна была частью планеты.
Луна — это единственный естественный спутник Земли. Сейчас этот факт общепризнан, но в 19-м и первой половине 20-го веков астрономы постоянно предполагали наличие у Земли и других спутников.
Гипотетические естественные спутники Земли
Болид — яркий и заметный метеор
Фредерик Пти изучал болиды — достаточно яркие и заметные метеоры. По его вычислениям получалось, что некоторые болиды двигались по эллиптической орбите. Из-за этого он предположил, что эти болиды могут быть спутниками Земли. Научное сообщество с его теорией не согласилось и указало Пти на ошибки в вычислениях: например, он не учитывал сопротивление воздуха и не брал в расчет погрешности в исходных данных.
Письмо Георга Вальтемата в журнал «Сайенс»
(Sience) в котором он сообщает, что открыл
второй спутник Земли.
Георг Вальтемат предположил, что у Земли есть 3 маленьких спутника. Он считал, что спутники в разное время наблюдали многие ученые, но приняли их за пятна на солнце. Вальтемат заявил, что, в основном, спутники не видно, потому что они отражают мало света. Тем не менее, он вычислил, когда спутник пройдет по диску Солнца и будет заметен. Ученые Уинклер (Йена, Германия) и Иво фон Бенко (Пула, Австрия) проверили его заявление, но в назначенное время спутника не увидели.
Появлялись и другие заявления о наблюдении спутников Земли. Такие заявление делали астролог Горнольд, астроном-любитель Шпиль, ученый Джон Багби. Ни одно из таких заявлений не подтвердилось.
Квазиспутники
Круитни — это квазиспутник, он не является естественным спутником Земли.
Искусственные спутники
ГЛОНАСС — глобальная навигационная спутниковая система, российская разработка
Искусственный спутник Земли — это космический летательный аппарат, который вращается вокруг планеты по эллиптической орбите. Обычно под этим названием понимают беспилотные аппараты.
Спутников в космосе много: спутники связи, разведывательные и навигационные спутники, метеорологические, астрономические и другие исследовательские спутники.
Что посмотреть интересное о космосе
О космосе сейчас много материалов, которыми можно просто восторгаться, даже если вы ничего не понимаете в этой области. Если нравится космос, то Прекрасный Мир рекомендует посмотреть:
P.S. Статья является научно-популярной и предназначена для новичков. Поэтому мы написали ее простым языком, упуская сложную терминологию.
С пожеланиями запоминающихся лунных ночей,
Статья написана для Прекрасного Мира.
Какие спутники существуют на Земной орбите
Космос притягивает человека неизвестностью, поэтому люди изобретают различные аппараты, чтобы узнать о Солнечной системе больше. В космическом пространстве есть не только искусственные, но естественные спутники Земли, которые начали изучать уже давно.
Разница естественных спутников и космического мусора
С технической точки зрения спутником можно назвать любой объект, вращающийся вокруг планеты Земля, или небесное тело. Часто их путают с мусором, который появился в результате человеческой активности. Куски и разные частицы, оставшиеся от ремонта космических кораблей, вращаются вокруг Земли на высокой скорости. Эти объекты в виде обломков металла и другого хлама не выполняют полезной функции и относятся к орбитальному мусору, который является:
Отличие мусора в космосе от естественных спутников состоит в происхождении. Первый является результатом деятельности человека, а второй образуется естественным путем.
Чтобы изучить долгосрочные эффекты от столкновения с космическим мусором NASA изобрело специальный спутник, имеющий название LDEF. В течение 6 лет его работы произошло больше 20000 столкновений с орбитальным хламом и микрометеоритами.
Естественные спутники
Естественными спутниками являются космические тела естественного происхождения, вращающиеся вокруг планет. О появлении этих тел выдвинуто 2 теории:
Ученые выяснили, что составы Земли и Луны имеют одинаковые соединения, поэтому было выдвинуто предположение, что Луна ранее была частью нашей планеты. В XIX и XX вв. астрономы считали, что у Земли есть разные виды спутников. Но сейчас установлено — единственным естественным спутником планеты является Луна.
Квазиспутники Земли
Небесные тела, которые напоминают спутники и находятся в орбитальном резонансе 1:1 с планетой, были открыты в ХХI в. После их стали называть квазиспутниками, которые вращаются вокруг Солнца и располагаются от него на таком же расстоянии, как и Земля. Из-за нестабильности их орбит они иногда приближаются к нашей планете. Квазиспутник называется второй луной, или вторым спутником.
Использование упрощенного названия приводит к путанице. Круитни, являющийся квазиспутником, некоторое время называли вторым спутником.
Существует и самый маленький квазиспутник — Дуэнде — диаметром 30 м. Его можно будет увидеть в 2094 г. даже без специальных современных приспособлений на расстоянии 4500 км от Земли. Список квазиспутников большой.
Искусственно запущенные устройства
Космические летательные аппараты, которые вращаются вокруг нашей планеты по геоцентрической орбите, называют искусственными спутниками Земли (ИСЗ). Чтобы двигаться по орбите, у устройства должна быть скорость, которая равна или больше первой космической. Полет такого аппарата выполняется на высоте до нескольких сотен тысяч километров. Его нижняя граница обусловлена необходимостью прервать процесс быстрой остановки в атмосфере.
Длительность обращения объекта по орбите зависит от средней высоты полета и составляет от 1,5 часа до нескольких лет. Устройства, находящиеся на геостационарной орбите, вращаются сутки и неподвижны на небосклоне при наблюдении человека за ними. Их преимуществом является возможность установки бесповоротных частей на антеннах.
К вращающимся вокруг Земли объектам относят не только беспилотные аппараты, но и пилотируемые, автоматические грузовые корабли и орбитальные станции. Масса беспилотных устройств может быть разной, как и их размер. ИСЗ могут быть невозвратными, частично или полностью возвратными.
Искусственные устройства созданы для проведения научных исследований, прикладных задач и в целях образования. Сначала запуск осуществляли государственные организации, но со временем разрешение получили и частные компании. Появление покетсатов и кубсатов, которые выводят в космос за несколько тысяч долларов, способствовало тому, что запуском аппаратов занялись частные лица. Поэтому точно сказать, сколько спутников Земли существует, практически невозможно.
Война спутников: как тысячи роботов собирают информацию обо всем в космосе
Первый искусственный спутник Земли был запущен в 1957 году. С тех пор человечество сделало огромный технологический прорыв: на орбите нашей планеты и за ее пределами находятся тысячи спутников. Рассказываем, как они не сталкиваются друг с другом и зачем их нужно так много.
Читайте «Хайтек» в
Что такое искусственные спутники?
Искусственный спутник Земли (ИСЗ) — космический летательный аппарат, вращающийся вокруг Земли по геоцентрической орбите.
Для движения по орбите вокруг Земли аппарат должен иметь начальную скорость, равную или большую первой космической скорости. Полеты ИСЗ выполняются на высотах до нескольких сотен тысяч километров.
Нижнюю границу высоты полета ИСЗ обуславливает необходимость избегания процесса быстрого торможения в атмосфере. Период обращения спутника по орбите в зависимости от средней высоты полета может составлять от полутора часов до нескольких лет.
Особое значение имеют спутники на геостационарной орбите, период обращения которых строго равен суткам, и поэтому для наземного наблюдателя они неподвижно «висят» на небосклоне, что позволяет избавиться от поворотных устройств в антеннах.
Автоматические межпланетные станции (АМС) и межпланетные космические корабли могут запускаться в дальний космос как минуя стадию спутника (то есть прямое восхождение), так и после предварительного вывода на так называемую опорную орбиту спутника.
В начале космической эры спутники запускались только посредством ракет-носителей, а к концу XX века широкое распространение получил также запуск спутников с борта других спутников — орбитальных станций и космических кораблей (в первую очередь, с МТКК-космоплана Спейс Шаттл).
Как средства выведения спутников теоретически возможны, но пока не реализованы также МТКК-космолеты, космические пушки, космические лифты. Уже через небольшое время после начала космической эры стало обычным выведение более одного спутника на одной ракете-носителе, а к концу 2013 года число выводимых одновременно спутников в некоторых запусках ракет-носителей превысило три десятка.
В ходе некоторых запусков последние ступени ракет-носителей также выходят на орбиту и на какое-то время фактически становятся спутниками.
Беспилотные спутники имеют массу от нескольких килограммов до двух десятков тонн и размер от нескольких сантиметров до (в частности при использовании солнечных батарей и выдвижных антенн) нескольких десятков метров.
Являющиеся спутниками космические корабли и космопланы достигают нескольких десятков тонн и метров, а сборные орбитальные станции — сотен тонн и метров.
В XXI веке с развитием микроминиатюризации и нанотехнологий массовым явлением стало создание сверхмалых спутников форматов кубсат (от одного до несколько килограмм и от нескольких до нескольких десятков сантиметров), а также появился новый формат покеткуб (буквально карманный куб) в несколько сотен или десятков грамм и несколько сантиметров.
Спутники преимущественно создаются как невозвратные, однако некоторые из них (в первую очередь, пилотируемые и некоторые грузовые космические корабли) являются возвращаемыми частично (имея спускаемый аппарат) или полностью (космопланы и спутники, возвращаемые на их борту).
Искусственные спутники Земли широко используются для научных исследований и прикладных задач, а также в образовании (в мире стали массовым явлением так называемые «университетские» ИСЗ) и хобби — радиолюбительские спутники.
Сколько всего сейчас спутников на орбите Земли?
Смотря как считать. Со времени запуска «Спутника» 4 октября 1957 года в космос были выведены более 9 000 аппаратов, но только около 2 000 из них функционируют в настоящее время.
Остальные сгорели в атмосфере или сломались и стали «космическим мусором» на орбите. Поэтому, кстати, бо́льшая часть маневров проводится для уклонения от неуправляемых объектов, а не работающих спутников.
Типы спутников
Различают следующие типы спутников:
Как регулируется движение спутников в космосе?
Единого регламента для этого нет. Космос является свободным пространством. Поэтому участники космической деятельности руководствуются только собственными национальными законами, которые, впрочем, должны соответствовать соглашениям, принятым в рамках работы Комитета по использованию космического пространства в мирных целях ООН (COPUOS).
После принятия в 1974 году конвенции о регистрации космических объектов, запускаемых в космическое пространство, управление по вопросам космического пространства ООН ведет реестр объектов, запускаемых в космическое пространство. Однако регистрация в нем является заявительной, и у ООН нет технической возможности контролировать реальные орбиты и цели космических аппаратов.
Главное препятствие, стоящее на пути создания всеобъемлющей базы данных спутников и возможности автоматизированного контроля околоземного пространства, — это военные спутники. Американская система NORAD не публикует данные о спутниках разведки США, при этом публикует данные об орбитах российских и китайских военных аппаратов. Воздушно-космические силы России вообще ничего не публикуют, хотя следят за американскими военными спутниками радиолокационными и оптическими средствами.
Коммерческим спутниковым операторам сейчас приходится фактически действовать вслепую, надеясь на то, что военные сами не допустят столкновения. При этом именно военные аппараты чаще всего маневрируют на орбите, меняя высоту. Существует даже условный класс «спутников-инспекторов», которые целенаправленно приближаются к чужим аппаратам, чтобы их сфотографировать.
В начале апреля спутники компаний OneWeb и SpaceX уклонились от опасного сближения друг с другом на орбите, об этом заявили представители Космических сил США и OneWeb. Это первая опасная ситуация двух конкурирующих компаний, которые расширяют свои широкополосные сети в космосе.
Исследователи оценивали вероятность столкновения в 1,3%, при этом два спутника приблизились до 57 метров — это опасная близость для спутников на орбите. Если бы спутники столкнулись на орбите, то это могло бы вызвать катастрофу, которая привела бы к образованию сотни кусков мусора, а их траектория бы изменилась, подвергая угрозе другие устройства.
Специалисты также отметили, что сейчас сейчас нет ни одной национальной или глобальной космической организации, которая бы регулировала спутниковых операторов, чтобы они принимать меры в связи с потенциальными столкновениями. У компаний есть только срочные оповещения Космических сил компаниям, которые требуют соблюдать безопасную дистанцию устройств друг от друга.
Как спутники меняют небосклон?
Созвездия спутников и куски космического мусора, двигающиеся по орбите Земли и отражающие солнечный свет, сделали ночное небо на 10% ярче. Об этом говорится в совместном исследовании международной команды астрофизиков.
«Мы ожидали, что увеличение яркости неба будет незначительным, но наши первые теоретические оценки оказались удивительными и таким образом побудили нас незамедлительно сообщить о результатах», — отметил Мирослав Коцифай, старший научный сотрудник Словацкой академии наук и ведущий автор исследования по световому загрязнению.
Ученые считают, что проблема будет только усугубляться по мере того, как в небо будут отправлять все новые спутники. К другим виновникам изменений также относят отработанные ракетные компоненты и другие обломки, которые отражают и рассеивают свет от Солнца.
Где и какие спутники сейчас работают?
Самая густонаселенная орбита — геостационарная (ГСО). Сейчас на ней находятся около 400 спутников, то есть примерно каждый пятый действующий космический аппарат.
Вообще орбиты спутников делятся на низкие (до 2 000 километров от Земли), средние и высокие, и геостационарная относится к последней группе. На низкой орбите летают спутники дистанционного зондирования Земли, спутники связи, например, такие, как Iridium, Globalstar, Orbcomm, российская система «Гонец». На средних располагаются навигационные системы — ГЛОНАСС (Россия), GPS (США), Galileo (Европа) и «Бэйдоу» (Китай).
Популярность геостационарной орбиты — следствие того, что только на ней спутник не меняет своего положения на небе, как бы зависая над выбранной точкой экватора на высоте 35 786 километров. Это позволяет связываться с ним при помощи стационарных наземных антенн, раз и навсегда направленных в одну точку.
В марте 2021 года SpaceX провела серию успешных запусков спутников Starlink, доведя их количество на орбите до 1 300 — около 8% от плана на 2027 год.
SpaceX запускает спутники на орбиту партиями по 60 штук с мая 2019 года, причем в марте 2021-го таких запусков было четыре. Каждый спутник весит 260 кг, а ступень для их запуска рассчитана на 100 миссий: каждый раз она возвращается на плавучую платформу Of Course I Still Love You («Конечно, я все еще люблю тебя») в Атлантическом океане, в 630 км от мыса Канаверал.
Идея состоит в том, чтобы окутать сетью из небольших телеком-спутников всю планету на низкой околоземной орбите — в 500-2000 км от поверхности. Один спутник покрывает небольшую территорию, например, размером с Аляску. Поэтому их запускают группами для покрытия определенной территории. Успех какого-либо низкоорбитального проекта приведет к полному изменению телеком-инфраструктуры во всем мире.
Благодаря постоянному мониторингу Mars Express ученые проанализировали две последние глобальные пыльные бури, в 2007 и 2018 годах. Они сравнили показатели тех лет с годами без бурь, чтобы понять, как штормы повлияли на утечку воды с Марса.
Со сменой сезонов влага замерзает в атмосфере Марса. Однако вместо того, чтобы вернуться на поверхность планеты в виде осадков, происходит иное. В процесс вмешиваются пыльные бури. Они нагревают и разрушают атмосферу Марса, а также доставляют воду на еще большие высоты.
В обоих исследованиях использовались обширные многолетние наборы данных, полученные с помощью прибора SPICAM орбитального аппарата Mars Express.
Метеорологический спутник США NOAA 17, который не был задействован в работе, взорвался в космосе на 16 обломков. Сейчас ученые наблюдают на 16 связанных со взрывом обломков, чтобы они не нарушили работу других объектов. Несут ли угрозу обломки работающим спутникам, не уточняется.
В эскадрилье сообщили: пока нет признака, что произошедшее было вызвано столкновением с другим объектом. По данным ВВС США, до взрыва спутник находился на орбите с минимальной высотой 800 км и максимальной 817 км.
Спутник NOAA 17 был запущен в космос в июне 2002 года и выведен из эксплуатации в 2013 году. Отмечается, что ранее подобные спутники уже разрушались в космосе из-за взрыва бортовых батарей.
Ученые изучили данные с высоким разрешением, собранные спутником ICESat-2 над шельфовым ледником Эймери в период с октября 2018 года по ноябрь 2019 года.
Лазерные импульсы со спутника направляются к поверхности Земли и используют отраженные фотоны для определения высоты поверхности. В отличие от других спутников, разрешение ICESat-2 позволяет ему видеть более мелкие трещины и их морфологию.
Ученые обработали данные спутника с помощью алгоритма. Он идентифицирует поверхностные депрессии льда, чтобы определить местонахождение и охарактеризовать трещины. Напомним, депрессия снеговой линии — ее снижение вследствие климатических изменений, благоприятных для сохранения баланса массы ледников.
Поскольку баланс массы — это прямая функция аккумуляции и абляции, колебания высоты снеговой линии отражают суммарные эффекты изменений температур и атмосферных осадков.
В 2012 году американский технический предприниматель, инженер и изобретатель Грег Уайлер основал WorldVu Satellites — телекоммуникационную компанию, которая должна обеспечить сотни миллионов людей доступом в интернет. Позднее организацию переименовали в OneWeb — в честь одноименного проекта по распространению сети в труднодоступные места.
Как работают спутники?
«Человек должен подняться над Землей — в атмосферу и за ее пределы — ибо только так он полностью поймет мир, в котором живет».
Сократ сделал это наблюдение за века до того, как люди успешно вывели объект на земную орбиту. И все же древнегреческий философ, кажется, понял, насколько ценным может быть вид из космоса, хотя совершенно не знал, как этого достичь.
Этому понятию — о том, как вывести объект «в атмосферу и за ее пределы» — пришлось ждать до тех пор, пока Исаак Ньютон не опубликовал свой знаменитый мысленный эксперимент с пушечным ядром в 1729 году. Выглядит он примерно так:
В октябре 1957 года Советский Союз наконец подтвердил догадку Ньютона, запустив «Спутник-1» — первый искусственный спутник на орбите Земли. Это инициировало космическую гонку и многочисленные запуски объектов, которым предназначалось летать вокруг Земли и других планет Солнечной системы. С момента запуска «Спутника» некоторые страны, по большей части США, Россия и Китай, запустили более 3000 спутников в космос. Некоторые из этих сделанными людьми объектов, например МКС, большие. Другие отлично умещаются в небольшом сундучке. Благодаря спутникам мы получаем прогнозы погоды, смотрим телевизор, сидим в Интернете и звоним по телефону. Даже те спутники, работу которых мы не ощущаем и не видим, отлично служат в пользу военных.
Конечно, запуск и эксплуатация спутников привели к проблемам. Сегодня, учитывая более 1000 рабочих спутников на земной орбите, наш ближайший космический район стал оживленнее, чем крупный город в час пик. Приплюсуйте к этому нерабочее оборудование, заброшенные спутники, части аппаратного обеспечения и фрагменты от взрывов или столкновений, которые наполняют небеса вместе с полезным оборудованием. Этот орбитальный мусор, о котором мы подробно писали, накапливался на протяжении многих лет и представляет серьезную угрозу для спутников, в настоящее время кружащим вокруг Земли, а также для будущих пилотируемых и непилотируемых запусков.
В этой статье мы залезем в кишки обычного спутника и заглянем в его глаза, чтобы увидеть виды нашей планеты, о которых Сократ и Ньютон не могли и мечтать. Но сначала давайте подробнее разберемся, чем, собственно, спутник отличается от других небесных объектов.
Что такое спутник?
Чтобы понять, почему спутники движутся таким образом, мы должны навестить нашего друга Ньютона. Он предположил, что сила гравитации существует между двумя любыми объектами во Вселенной. Если бы этой силы не было, спутники, летящие вблизи планеты, продолжали бы свое движение с одной скоростью и в одном направлении — по прямой. Эта прямая — инерционный путь спутника, который, однако, уравновешивается сильным гравитационным притяжением, направленным к центру планеты.
Иногда орбита спутника выглядит как эллипс, приплюснутый круг, который проходит вокруг двух точек, известных как фокусы. В этом случае работают все те же законы движения, разве что планеты расположены в одном из фокусов. В результате, чистая сила, приложенная к спутнику, не проходит равномерно по всему его пути, и скорость спутника постоянно меняется. Он движется быстро, когда находится ближе всего к планете — в точке перигея (не путать с перигелием), и медленнее, когда находится дальше от планеты — в точке апогея.
Спутники бывают самых разных форм и размеров и выполняют самые разнообразные задачи.
Когда были изобретены спутники?
Ученые не понимали Кларка — до 4 октября 1957 года. Тогда Советский Союз запустил «Спутник-1», первый искусственный спутник, на орбиту Земли. «Спутник» был 58 сантиметров в диаметре, весил 83 килограмма и был выполнен в форме шарика. Хотя это было замечательное достижение, содержание «Спутника» было скудным по сегодняшним меркам:
На внешней стороне «Спутника» четыре штыревые антенны передавали на коротковолновой частоте выше и ниже нынешнего стандарта (27 МГц). Станции слежения на Земле поймали радиосигнал и подтвердили, что крошечный спутник пережил запуск и успешно вышел на курс вокруг нашей планеты. Месяцем позже Советский Союз запустил на орбиту «Спутник-2». Внутри капсулы была собака Лайка.
В декабре 1957 года, отчаянно пытаясь идти в ногу со своими противниками по холодной войне, американские ученые попытались вывести спутник на орбиту вместе с планетой Vanguard. К сожалению, ракета разбилась и сгорела еще на стадии взлета. Вскоре после этого, 31 января 1958 года, США повторили успех СССР, приняв план Вернера фон Брауна, который заключался в выводе спутника Explorer-1 с ракетой U.S. Redstone. Explorer-1 нес инструменты для обнаружения космических лучей и обнаружил в ходе эксперимента Джеймса Ван Аллена из Университета Айовы, что космических лучей гораздо меньше, чем ожидалось. Это привело к открытию двух тороидальных зон (в конечном счете названных в честь Ван Аллена), наполненных заряженными частицами, захваченными магнитным полем Земли.
Воодушевленные этими успехами, некоторые компании начали разрабатывать и запускать спутники в 60-х годах. Одной из них была Hughes Aircraft вместе со звездным инженером Гарольдом Розеном. Розен возглавил команду, которая воплотила идею Кларка — спутник связи, размещенный на орбите Земли таким образом, что мог отражать радиоволны из одного места в другое. В 1961 году NASA заключило контракт с Hughes, чтобы построить серию спутников Syncom (синхронная связь). В июле 1963 года Розен и его коллеги увидели, как Syncom-2 взлетел в космос и вышел на грубую геосинхронную орбиту. Президент Кеннеди использовал новую систему, чтобы поговорить с премьер-министром Нигерии в Африке. Вскоре взлетел и Syncom-3, который на самом деле мог транслировать телевизионный сигнал.
Эпоха спутников началась.
Какая разница между спутником и космическим мусором?
Техногенные объекты, вроде «Спутника» и Explorer, также можно классифицировать как спутники, поскольку они, как и луны, вращаются вокруг планеты. К сожалению, человеческая активность привела к тому, что на орбите Земли оказалось огромное количество мусора. Все эти куски и обломки ведут себя как и крупные ракеты — вращаются вокруг планеты на высокой скорости по круговому или эллиптическому пути. В строгом толковании определения можно каждый такой объект определить как спутник. Но астрономы, как правило, считают спутниками те объекты, которые выполняют полезную функцию. Обломки металла и другой хлам попадают в категорию орбитального мусора.
Орбитальный мусор поступает из многих источников:
NASA вывело специальный спутник под названием LDEF для изучения долгосрочных эффектов от столкновения с космическим мусором. За шесть лет инструменты спутника зарегистрировали около 20 000 столкновений, некоторые из которых были вызваны микрометеоритами, а другие орбитальным мусором. Ученые NASA продолжают анализировать данные LDEF. А вот в Японии уже планируют развернуть гигантскую сеть для отлова космического мусора.
Что внутри обычного спутника?
У всех спутников есть источник питания (обычно солнечные батареи) и аккумуляторы. Массивы солнечных батарей позволяют заряжать аккумуляторы. Новейшие спутники включают и топливные элементы. Энергия спутников очень дорога и крайне ограничена. Ядерные элементы питания обычно используются для отправки космических зондов к другим планетам.
У всех спутников есть бортовой компьютер для контроля и мониторинга различных систем. У всех есть радио и антенна. Как минимум, у большинства спутников есть радиопередатчик и радиоприемник, поэтому экипаж наземной команды может запросить информацию о состоянии спутника и наблюдать за ним. Многие спутники позволяют массу различных вещей: от изменения орбиты до перепрограммирования компьютерной системы.
Как и следовало ожидать, собрать все эти системы воедино — непростая задача. Она занимает годы. Все начинается с определения цели миссии. Определение ее параметров позволяет инженерам собрать нужные инструменты и установить их в правильном порядке. Как только спецификация утверждена (и бюджет), начинается сборка спутника. Она происходит в чистой комнате, в стерильной среде, что позволяет поддерживать нужную температуру и влажность и защищать спутник во время разработки и сборки.
Искусственные спутники, как правило, производятся на заказ. Некоторые компании разработали модульные спутники, то есть конструкции, сборка которых позволяет устанавливать дополнительные элементы согласно спецификации. К примеру, у спутников Boeing 601 было два базовых модуля — шасси для перевозки двигательной подсистемы, электроника и батареи; и набор сотовых полок для хранения оборудования. Эта модульность позволяет инженерам собирать спутники не с нуля, а с заготовки.
Как спутники запускаются на орбиту?
В большинстве запусков спутников запуск ракеты происходит прямо вверх, это позволяет быстрее провести ее через толстый слой атмосферы и минимизировать расход топлива. После того, как ракета взлетает, механизм управления ракеты использует инерциальную систему наведения для расчета необходимых корректировок сопла ракеты, чтобы обеспечить нужный наклон.
После того как ракета выходит в разреженный воздух, на высоту около 193 километров, система навигации выпускает небольшие ракетки, чего достаточно для переворота ракеты в горизонтальное положение. После этого выпускается спутник. Небольшие ракеты выпускаются снова и обеспечивают разницу в расстоянии между ракетой и спутником.
Орбитальная скорость и высота
Ракета должна набрать скорость в 40 320 километров в час, чтобы полностью сбежать от земной гравитации и улететь в космос. Космическая скорость куда больше, чем нужно спутнику на орбите. Они не избегают земной гравитации, а находятся в состоянии баланса. Орбитальная скорость — это скорость, необходимая для поддержания баланса между гравитационным притяжением и инерциальным движением спутника. Это примерно 27 359 километров в час на высоте 242 километра. Без гравитации инерция унесла бы спутник в космос. Даже с гравитацией, если спутник будет двигаться слишком быстро, его унесет в космос. Если спутник будет двигаться слишком медленно, гравитация притянет его обратно к Земле.
Орбитальная скорость спутника зависит от его высоты над Землей. Чем ближе к Земле, тем быстрее скорость. На высоте в 200 километров орбитальная скорость составляет 27 400 километров в час. Для поддержания орбиты на высоте 35 786 километров спутник должен обращаться со скорость 11 300 километров в час. Эта орбитальная скорость позволяет спутнику делать один облет в 24 часа. Поскольку Земля также вращается 24 часа, спутник на высоте в 35 786 километров находится в фиксированной позиции относительно поверхности Земли. Эта позиция называется геостационарной. Геостационарная орбита идеально подходит для метеорологических спутников и спутников связи.
В целом, чем выше орбита, тем дольше спутник может оставаться на ней. На низкой высоте спутник находится в земной атмосфере, которая создает сопротивление. На большой высоте нет практически никакого сопротивления, и спутник, как луна, может находиться на орбите веками.
Типы спутников
Полярно-орбитальные спутники также проходят через полюсы с каждым оборотом, хотя их орбиты менее эллиптические. Полярные орбиты остаются фиксированными в космосе, в то время как вращается Земля. В результате, большая часть Земли проходит под спутником на полярной орбите. Поскольку полярные орбиты дают прекрасный охват планеты, они используются для картографирования и фотографии. Синоптики также полагаются на глобальную сеть полярных спутников, которые облетают наш шар за 12 часов.
Можно также классифицировать спутники по их высоте над земной поверхностью. Исходя из этой схемы, есть три категории:
И наконец, можно подумать о спутниках в том смысле, где они «ищут». Большинство объектов, отправленных в космос за последние несколько десятилетий, смотрят на Землю. У этих спутников есть камеры и оборудование, которое способно видеть наш мир в разных длинах волн света, что позволяет насладиться захватывающим зрелищем в ультрафиолетовых и инфракрасных тонах нашей планеты. Меньше спутников обращают свой взгляд к пространству, где наблюдают за звездами, планетами и галактиками, а также сканируют объекты вроде астероидов и комет, которые могут столкнуться с Землей.
Известные спутники
Однако есть настоящие герои орбиты. Давайте с ними познакомимся.
Сколько стоят спутники?
Строительство такой сложной машины требует массы ресурсов, поэтому исторически только правительственные ведомства и корпорации с глубокими карманами могли войти в спутниковый бизнес. Большая часть стоимости спутника лежит в оборудовании — транспондерах, компьютерах и камерах. Обычный метеорологический спутник стоит около 290 миллионов долларов. Спутник-шпион обойдется на 100 миллионов долларов больше. Добавьте к этому стоимость содержания и ремонта спутников. Компании должны платить за пропускную полосу спутника так же, как владельцы телефонов платят за сотовую связь. Обходится иногда это более чем в 1,5 миллиона долларов в год.
Другим важным фактором является стоимость запуска. Запуск одного спутника в космос может обойтись от 10 до 400 миллионов долларов, в зависимости от аппарата. Ракета Pegasus XL может поднять 443 килограмма на низкую околоземную орбиту за 13,5 миллиона долларов. Запуск тяжелого спутника потребует большей подъемной силы. Ракета Ariane 5G может вывести на низкую орбиту 18 000-килограммовый спутник за 165 миллионов долларов.
Несмотря на затраты и риски, связанные с постройкой, запуском и эксплуатацией спутников, некоторые компании сумели построить целый бизнес на этом. К примеру, Boeing. В 2012 году компания доставила в космос около 10 спутников и получила заказы на более чем семь лет, что принесло ей почти 32 миллиарда долларов дохода.
Будущее спутников
Другое решение — сокращение размера и сложности спутников. Ученые Калтеха и Стэнфордского университета с 1999 года работают над новым типом спутника CubeSat, в основе которого лежат строительные блоки с гранью в 10 сантиметров. Каждый куб содержит готовые компоненты и может объединиться с другими кубиками, чтобы повысить эффективность и снизить нагрузку. Благодаря стандартизации дизайна и сокращению расходов на создание каждого спутника с нуля, один CubeSat может стоить всего 100 000 долларов.
В апреле 2013 года NASA решила проверить этот простой принцип и запустило три CubeSat на базе коммерческих смартфонов. Цель состояла в том, чтобы вывести микроспутники на орбиту на короткое время и сделать несколько снимков на телефоны. Теперь агентство планирует развернуть обширную сеть таких спутников.
Будучи большими или маленькими, спутники будущего должны быть в состоянии эффективно сообщаться с наземными станциями. Исторически сложилось так, что NASA полагалось на радиочастотную связь, но РЧ достигла своего предела, поскольку возник спрос на большую мощность. Чтобы преодолеть это препятствие, ученые NASA разрабатывают систему двусторонней связи на основе лазеров вместо радиоволн. 18 октября 2013 года ученые впервые запустили лазерный луч для передачи данных с Луны на Землю (на расстоянии 384 633 километра) и получили рекордную скорость передачи в 622 мегабита в секунду.