Geostacionarna orbita. Zemaljski umjetni sateliti

Što je geostacionarna orbita? To je kružno polje, koje se nalazi iznad ekvatora Zemlje, kroz njega izvlači umjetni satelit kutna brzina rotacija planeta oko osi. Ne mijenja svoj smjer u horizontalnom koordinatnom sustavu, već se nepomično visi na nebu. Geostacionarna zemaljska orbita (GSO) To je svojevrsno geosinkrono polje i služi za postavljanje komunikacije, televizije i drugih satelita.

Ideja o korištenju umjetnih uređaja

Koncept geostacionarne orbite inicirao je ruski izumitelj K. E. Tsiolkovsky. U svojim radovima predložio je kolonizaciju prostora pomoću orbitalnih stanica. Strani znanstvenici su također opisali rad kozmičkih polja, na primjer G. Obert. Osoba koja je razvila koncept korištenja orbite za komunikaciju je Arthur Clark. Godine 1945. stavio je članak u časopis “Wireless World”, gdje je opisao prednosti rada geostacionarnog polja. Za aktivan rad na ovom području u čast orbite znanstvenika dobio je svoje drugo ime - "Clarkov pojas". Preko problema provedbe kvalitetne komunikacije mnogi su teoretičari mislili. Tako je Herman Potochnik 1928. godine predložio kako koristiti geostacionarne satelite.

Značajka Clarke Belta

Da bi se orbita nazvala geostacionarna, ona mora zadovoljiti nekoliko parametara:

1. Geosinkronija. Ova karakteristika uključuje polje koje ima razdoblje koje odgovara razdoblju Zemljine revolucije. Geosinkroni satelit dovrši revoluciju oko planeta u zvjezdanom danu, što je 23 sata 56 minuta i 4 sekunde. Isto vrijeme potrebno je da Zemlja izvede jednu revoluciju u fiksnom prostoru.

2. Za održavanje satelita u određenoj točki, geostacionarna orbita mora biti kružna, s nultim nagibom. Eliptično polje će dovesti do pomaka ili prema istoku ili prema zapadu, budući da se uređaj kreće na određenim točkama u orbiti na različite načine.

3. "Točka lebdjenja" svemirskog mehanizma trebala bi biti na ekvatoru.

4. Položaj satelita u geostacionarnoj orbiti trebao bi biti takav da mali broj frekvencija namijenjenih komunikaciji ne dovodi do nametanja frekvencija različitih uređaja tijekom prijema i prijenosa, kao i da spriječi njihov sudar.

5. Dovoljno goriva za održavanje položaja svemirskog mehanizma.

Geostacionarna satelitska orbita jedinstvena je po tome što samo uz kombinaciju njezinih parametara vozilo može biti nepokretno. Još jedna značajka je sposobnost da se Zemlja vidi pod kutom od sedamnaest stupnjeva od satelita smještenih na svemirskom polju. Svaki uređaj otima jednu trećinu orbitalne površine, tako da su tri mehanizma sposobna pokriti gotovo cijeli planet.

Umjetni sateliti

zrakoplov rotira oko Zemlje na geocentrični način. Za izlaz se koristi višestupanjska raketa. To je kozmički mehanizam koji pokreće reaktivnu snagu motora. Za kretanje u orbiti, umjetni zemaljski sateliti moraju imati početnu brzinu, koja odgovara prvom prostoru. Njihovi letovi odvijaju se na visini od nekoliko stotina kilometara. Razdoblje cirkulacije aparata može biti nekoliko godina. Umjetni sateliti Zemlje mogu se lansirati s ploča drugih uređaja, na primjer, orbitalnih stanica i brodova. UAV-ovi imaju masu do dvije desetine tona i veličinu do nekoliko desetaka metara. Dvadeset prvo stoljeće obilježeno je rođenjem uređaja s iznimno malom težinom - do nekoliko kilograma.

Satelite su pokrenule mnoge zemlje i tvrtke. Prvi umjetni aparat na svijetu nastao je u SSSR-u i odletio u svemir 4. listopada 1957. godine. Imao je ime "Sputnik-1". Godine 1958. Sjedinjene Države pokrenule su drugu jedinicu - Explorer 1. Prvi satelit, koji je NASA pokrenula 1964., nazvan je Syncom-3. Umjetni uređaji su uglavnom nepovratni, ali postoje i oni koji se djelomično ili potpuno vraćaju. Koriste se za istraživanje i rješavanje raznih problema. Dakle, postoje vojni, istraživački, navigacijski sateliti i drugi. Također, lansiraju se uređaji koje stvaraju sveučilišno osoblje ili radioamateri.

"Stajalište"

Geostacionarni sateliti nalaze se na nadmorskoj visini od 35786 kilometara. Ta visina daje razdoblje revolucije, koje odgovara razdoblju Zemljine cirkulacije u odnosu na zvijezde. Umjetni je uređaj nepokretan, stoga se njegovo mjesto u geostacionarnoj orbiti naziva "stajalište". Hangup omogućuje stalnu dugotrajnu komunikaciju, nakon što se orijentirana antena uvijek usmjeri na željeni satelit.

pokret

Sateliti se mogu prenijeti iz orbite na niskoj visini u geostacionarnu pomoću geo-prolaznih polja. Potonji su eliptični put s točkom na niskoj visini i vrhom na visini koja je blizu geostacionarnom krugu. Satelit, koji je postao neprikladan za daljnji rad, šalje se u orbitu ukopa, smještenu 200-300 kilometara iznad GSO.

Geostacionarna visina orbite

Satelit u ovom polju čuva se na određenoj udaljenosti od Zemlje, bez približavanja ili udaljavanja. Uvijek se nalazi iznad bilo koje ekvatorijalne točke. Na temelju tih obilježja slijedi da se gravitacijske sile i centrifugalna sila međusobno uravnotežuju. Visina geostacionarne orbite izračunava se metodama koje se temelje na klasičnoj mehanici. To uzima u obzir usklađenost gravitacijskih i centrifugalnih sila. Vrijednost prve količine određuje se pomoću zakon svijeta Newton. Indeks centrifugalne sile izračunava se izračunavanjem mase satelita za centripetalno ubrzanje. Rezultat jednakosti gravitacijske i inercijalne mase jest zaključak da visina orbite ne ovisi o masi satelita. Stoga je geostacionarna orbita određena samo visinom na kojoj je centrifugalna sila jednaka po veličini i suprotna u smjeru gravitacijske sile stvorene privlačenjem Zemlje na danoj visini.

Iz formule za izračunavanje centripetalnog ubrzanja može se pronaći kutna brzina. Radijus geostacionarne orbite također je određen ovom formulom ili dijeljenjem geocentra gravitacijska konstanta na kvadratnoj kutnoj brzini. To je 42164 kilometara. S obzirom na ekvatorijalni polumjer Zemlje, dobivamo visinu od 35786 kilometara.

Proračuni se mogu izvesti na drugačiji način, na temelju tvrdnje da visina orbite, koja predstavlja udaljenost od središta Zemlje, s kutnom brzinom satelita, koja se poklapa s kretanjem rotacije planeta, stvara linearnu brzinu koja je jednaka prvoj brzini prostora na danoj visini.

Brzina u geostacionarnoj orbiti. dužina

Ovaj se pokazatelj izračunava množenjem kutne brzine s radijusom polja. Vrijednost brzine u orbiti iznosi 3,07 km / s, što je mnogo manje od prve kozmičke brzine na blizuzemaljskoj stazi. Da bi se smanjila brzina, potrebno je povećati radijus orbite za više od šest puta. Duljina se izračunava množenjem broja pi s radijusom pomnoženim s dva. To je 264924 kilometara. Indikator se uzima u obzir pri izračunavanju "točaka stajanja" satelita.

Utjecaj sila

Parametri orbite uz koju se izvlači umjetni mehanizam mogu se mijenjati pod utjecajem gravitacijskih lunarno-solarnih perturbacija, heterogenosti Zemljinog polja i eliptičnosti ekvatora. Transformacija polja se izražava u takvim pojavama kao:

1. Pomicanje satelita sa svog položaja duž orbite prema točkama stabilne ravnoteže, koje se nazivaju potencijalne bušotine geostacionarne orbite.
2. Kut nagiba polja prema ekvatoru raste određenom brzinom i doseže 15 stupnjeva jednom u 26 godina i 5 mjeseci.

Da bi satelit ostao u željenoj "točki stajanja" opremljen je pogonskim sustavom koji uključuje nekoliko puta u 10-15 dana. Dakle, da bi se kompenzirao rast orbitalnog nagiba, koristi se korekcija sjever-jug, a za kompenzaciju pomaka duž polja koristi se korekcija zapad-istok. Za regulaciju putanje satelita tijekom cijelog razdoblja rada, na plovilu je potrebna velika količina goriva.

Pogonski sustavi

Izbor prilagodbe određen je pojedinačnim tehničkim značajkama satelita. Na primjer, kemijski raketni motor ima potisni dovod goriva i djeluje na dugo pohranjene komponente visokog vrenja (diazotični tetroksid, asimetrični dimetil hidrazin). Plazma uređaji imaju znatno manje žudnje, ali na štetu dugotrajnog rada, koji se mjeri za desetak minuta za jedan pokret, može značajno smanjiti količinu potrošenog goriva na plovilu. Ovaj tip pogonskog sustava koristi se za manevriranje prijenosa satelita na različitu orbitalnu poziciju. Glavni ograničavajući faktor vijeka trajanja uređaja je zaliha goriva u geostacionarnoj orbiti.

Nedostaci umjetnog polja

Značajan nedostatak u interakciji s geostacionarnim satelitima je veliko kašnjenje u širenju signala. Tako, brzinom svjetlosti od 300 tisuća kilometara u sekundi i visinom orbite od 35786 kilometara, kretanje zraka "Zemaljski satelit" traje oko 0,12 sekunde, a "Zemlja-satelit - Zemlja" - 0,24 sekunde. S obzirom na kašnjenje signala u opremi i kabelskim sustavima zemaljskih prijenosa, ukupno kašnjenje signala prijemnika-satelita-prijemnika doseže približno 2-4 sekunde. Ova brojka znatno komplicira uporabu uređaja u orbiti u telefoniji i onemogućuje korištenje satelitskih komunikacija u sustavima u stvarnom vremenu.

Drugi nedostatak je nevidljivost geostacionarne orbite od visokih geografskih širina, koja ometa provodljivost komunikacijskih i televizijskih emisija u područjima Arktika i Antarktika. U situacijama kada su sunce i satelitski odašiljač u skladu s prijemnom antenom, dolazi do smanjenja, a ponekad i do potpunog nedostatka signala. U geostacionarnim orbitama zbog nepokretnosti satelita, ovaj fenomen se najjasnije manifestira.

Doppler efekt

Ovaj fenomen je promjena frekvencije elektromagnetskih vibracija uz uzajamno napredovanje odašiljača i prijemnika. Fenomen se izražava promjenom vremena u vremenu, kao i kretanjem umjetnih vozila u orbiti. Učinak se očituje kao nestabilnost nosivosti frekvencije satelitskih oscilacija, koja se dodaje instrumentalnoj nestabilnosti frekvencije na brodu i zemaljskoj stanici, što komplicira prijem signala. Dopplerov efekt pridonosi promjeni frekvencije modulirajuće vibracije, što je nemoguće kontrolirati. U slučaju kada se u orbiti koriste sateliti za komunikaciju i sateliti izravnog televizijskog emitiranja, ovaj fenomen se praktički eliminira, tj. Nema promjene razine signala na prijemnom mjestu.

Odnos u svijetu prema geostacionarnim poljima

Svemirska orbita njezina rođenja stvorila je mnoga pitanja i međunarodne pravne probleme. Njima se bavi određeni broj odbora, osobito Ujedinjeni narodi. Neke zemlje koje se nalaze na ekvatoru tvrdile su da proširuju svoj suverenitet na dio svemirskog polja smještenog iznad njihovog teritorija. Države tvrde da je geostacionarna orbita fizički faktor koji je povezan s postojanjem planeta i ovisi o gravitacijskom polju Zemlje, stoga su segmenti polja nastavak teritorija njihovih zemalja. Ali takve su tvrdnje odbačene, budući da svijet ima načelo neprivlačenja svemira. Svi problemi povezani s radom orbita i satelita rješavaju se na svjetskoj razini.