Космическите кораби в цялото им разнообразие са едновременно гордост и грижа на човечеството. Създаването им е предшествано от вековна история на развитието на науката и технологиите. Космическата ера, която позволи на хората да погледнат света, в който живеят отвън, ни изведе на ново ниво на развитие. Ракета в космоса днес не е мечта, а въпрос на загриженост за висококвалифицирани специалисти, които са изправени пред задачата да подобрят съществуващите технологии. Какви видове космически кораби се различават и как се различават един от друг, ще бъдат обсъдени в статията.
Определение
Космически кораб е общо наименование за всяко устройство, предназначено да работи в космоса. Има няколко варианта за тяхната класификация. В най-простия случай космическите кораби се делят на пилотирани и автоматични. Първите от своя страна са разделени на космически кораби и станции. Различни по своите възможности и предназначение, те до голяма степен са сходни по структура и използвано оборудване.
Характеристики на полета
След изстрелването всеки космически кораб преминава през три основни етапа: вкарване в орбита, самия полет и кацане. Първият етап включва устройството, развиващо скоростта, необходима за навлизане в открития космос. За да влезе в орбита, стойността му трябва да бъде 7,9 km/s. Пълното преодоляване на гравитацията включва развитието на секунда, равна на 11,2 km/s. Точно така се движи една ракета в космоса, когато нейната цел са отдалечени райони на Вселената.
След освобождаването от привличането следва вторият етап. По време на орбитален полет движението на космическите кораби става по инерция, поради даденото им ускорение. И накрая, етапът на кацане включва намаляване на скоростта на кораба, сателита или станцията почти до нула.
"пълнеж"
Всеки космически кораб е оборудван с оборудване, което отговаря на задачите, които е предназначен да решава. Основното несъответствие обаче е свързано с т. нар. прицелна апаратура, която е необходима именно за получаване на данни и различни научни изследвания. Иначе оборудването на космическия кораб е подобно. Той включва следните системи:
- енергоснабдяване - най-често слънчеви или радиоизотопни батерии, химически батерии и ядрени реактори захранват космическите кораби с необходимата енергия;
- комуникация - осъществява се с помощта на радиовълнов сигнал на значително разстояние от Земята, точното насочване на антената става особено важно;
- поддържане на живота - системата е типична за пилотирани космически кораби, благодарение на нея става възможно хората да останат на борда;
- ориентация - както всички други кораби, космическите кораби са оборудвани с оборудване за постоянно определяне на собствената си позиция в пространството;
- движение - двигателите на космическите кораби позволяват промени в скоростта на полета, както и в посоката му.
Класификация
Един от основните критерии за разделяне на космическите кораби на видове е режимът на работа, който определя техните възможности. Въз основа на тази характеристика устройствата се разграничават:
- разположени в геоцентрична орбита или изкуствени земни спътници;
- такива, чиято цел е да изучават отдалечени райони на космоса - автоматични междупланетни станции;
- използвани за доставяне на хора или необходими товари в орбитата на нашата планета, те се наричат космически кораби, могат да бъдат автоматични или пилотирани;
- създаден за хора да останат в космоса за дълъг период от време - това е;
- ангажирани в доставката на хора и товари от орбита до повърхността на планетата, те се наричат спускане;
- тези, способни да изследват планетата, директно разположени на нейната повърхност и да се движат около нея, са планетарни роувъри.
Нека разгледаме по-отблизо някои видове.
AES (изкуствени земни спътници)
Първите устройства, изстреляни в космоса, бяха изкуствени спътници на Земята. Физиката и нейните закони правят изстрелването на подобно устройство в орбита трудна задача. Всяко устройство трябва да преодолее гравитацията на планетата и след това да не падне върху нея. За да направи това, сателитът трябва да се движи с или малко по-бързо. Над нашата планета е идентифицирана условна долна граница на възможното местоположение на спътника (минава на надморска височина от 300 км). По-близкото разположение ще доведе до доста бързо забавяне на устройството при атмосферни условия.
Първоначално само ракети-носители можеха да доставят изкуствени спътници на Земята в орбита. Физиката обаче не стои неподвижна и днес се разработват нови методи. Така един от често използваните напоследък методи е изстрелването от друг спътник. Има планове за използване на други опции.
Орбитите на космически кораби, въртящи се около Земята, могат да лежат на различни височини. Естествено от това зависи и времето, необходимо за една обиколка. Сателитите, чийто орбитален период е равен на един ден, се поставят на т.нар. Счита се за най-ценен, тъй като устройствата, разположени върху него, изглеждат неподвижни за земен наблюдател, което означава, че няма нужда да се създават механизми за въртящи се антени .
AMS (автоматични междупланетни станции)
Учените получават огромно количество информация за различни обекти на Слънчевата система, използвайки космически кораби, изпратени извън геоцентричната орбита. AMS обектите са планети, астероиди, комети и дори галактики, достъпни за наблюдение. Задачите, поставени пред такива устройства, изискват огромни знания и усилия от инженери и изследователи. AWS мисиите представляват въплъщение на технологичния прогрес и същевременно са негов стимул.
Пилотиран космически кораб
Устройствата, създадени да доставят хора до местоназначението им и да ги връщат обратно, по нищо не отстъпват в технологично отношение на описаните видове. Към този тип принадлежи и Восток-1, на който Юрий Гагарин извърши своя полет.
Най-трудната задача за създателите на пилотиран космически кораб е осигуряването на безопасността на екипажа по време на завръщането на Земята. Също така важна част от такива устройства е системата за аварийно спасяване, която може да е необходима, когато корабът бъде изстрелян в космоса с помощта на ракета-носител.
Космическите кораби, както всяка астронавтика, непрекъснато се подобряват. Напоследък медиите често виждат съобщения за дейността на сондата Rosetta и спускаемия модул Philae. Те въплъщават всички най-нови постижения в областта на космическото корабостроене, изчисляването на движението на превозни средства и т.н. Кацането на сондата Philae върху кометата се смята за събитие, сравнимо с полета на Гагарин. Най-интересното е, че това не е венецът на човешките възможности. Тепърва ни предстоят нови открития и постижения както по отношение на изследването на космоса, така и по отношение на структурата
От ранна детска възраст, когато човек гледа звездното небе и Луната, той се чуди как работят космосът, звездите, планетите, галактиката и Вселената. Привлича ни всичко непознато и неразбираемо. Съветските учени успяха да повдигнат завесата пред мистерията на космоса под ръководството на блестящия инженер-конструктор Сергей Павлович Королев, под чието ръководство изстреляха първия изкуствен спътник на Земята (съкратено AES).
Първо изстрелване
Именно СССР на 4 октомври 1957 г. първи изстреля в открития космос най-простия земен спътник или ПС-1 с ракета-носител Р-7 от космодрума Байконур. Творческият екип на създателите на сателита беше оглавен от Сергей Королев.
Сергей Королев и Юрий Гагарин
Техническите характеристики на първия изкуствен спътник на Земята са доста примитивни в сравнение със спътниците, които се изстрелват в наше време.
PS-1 беше топка с диаметър приблизително 58 см, към която бяха прикрепени четири антени с дължина 2,4 и 2,9 метра; те бяха необходими за приемане на радиосигнали. Масата на PS-1 е 83,6 kg. Вътре в сателита имаше сензори за налягане и температура, вентилатори, включени от релета, които започваха да работят, ако температурата се повиши над +30C, превключвайки устройството, което предава сигнала от спътника към Земята.
PS-1 се отдели от ракетата носител 295 секунди след изстрелването и вече 315 секунди след изстрелването изпрати първия радиосигнал към земята, който всеки радиолюбител можеше да приеме, това бяха сигнали, повтарящи се около 2 минути: „Бийп, бип. ” Тези сигнали шокираха целия свят, започна ерата на космонавтиката и надпреварата във въоръжаването между СССР и САЩ.
PS-1 остана в елиптичната орбита на Земята в продължение на 92 дни и извърши 1440 оборота около планетата, като продължи да излъчва радиосигнал в продължение на 20 дни. След което скоростта на въртене на PS-1 започва да намалява и на 4 януари 1957 г. той изгаря в плътните слоеве на атмосферата поради високо триене.
Космическа техника
Днес около 13 хиляди изкуствени спътника на Земята вече бродят из просторите на Вселената, повечето от тях принадлежат на САЩ, Русия и Китай. Технологията за изстрелване на сателити е да му се даде възможно най-висока скорост при изстрелване. Веднъж попаднал в елиптичната орбита на земята, спътникът ще може да се върти и да предава сигнали дълго време благодарение на придобитата скорост, без да включва двигатели.
За съвременния свят изкуствените спътници са неразделна част от нашия свят; комуникационни спътници, навигационни спътници, метеорологични спътници, разузнавателни спътници, биосателити и много други изкуствени спътници ни помагат в ежедневието.
Ние прогнозираме времето, начертаваме нови маршрути, използваме клетъчни комуникации, сателитна телевизия, безжичен интернет, рисуваме карти и регистрираме парцели, свързани със сателит, и всичко това благодарение на изкуствените земни спътници.
Изследване на космоса
Има много интересни факти за изкуствените спътници на Земята, но безпилотните космически кораби изследват и други планети. И така, освен спътниците, които улесняват ежедневието ни, човечеството не стои неподвижно и в момента има изкуствени спътници на Луната, Марс, Слънцето и Венера.
Изкуственият спътник на Луната беше изстрелян за първи път от учени от СССР; този спътник предаде снимки на повърхността на Луната, с помощта на които учените бяха убедени в нейната специфична форма, научиха нейната структура и характеристиките на гравитацията.
Изкуствен спътник на Марс: в същото време три спътника започнаха да изучават тази планета, два съветски и един американски.
Всички тези сателити имаха различни задачи, някои снимаха повърхността на планетата, други изучаваха температурата, релефа, оформянето на планетата, наличието на вода, но си струва да се отбележи, че първият изкуствен спътник, който направи меко кацане на повърхността на тази планета беше съветският спътник Марс-3.
Първият изкуствен спътник в близост до Слънцето се появи, когато нямаше абсолютно никакво намерение да бъде изстрелян там. Сателит на НАСА, който трябваше да изследва лунната повърхност, прелетя покрай орбитата на Луната и спря в орбитата на Слънцето. Русия също има свой собствен изкуствен спътник на слънцето, който изучава солната активност и предава геомагнитни изригвания и флуктуации.
Изследване на Фобос, луната на Марс
Изкуствени спътници на Венера. Съветският съюз беше първият, който изпрати изкуствени спътници през 1975 г., с помощта на които получиха висококачествени изображения на повърхността на тази планета.
4 октомври 1957 г. е паметна дата за цялото човечество; на този ден Руската федерация празнува Деня на руските космически сили, а целият свят празнува изстрелването на първия земен спътник.
В астрономията и динамиката на космическите полети се използват понятията за три космически скорости. Първа космическа скорост (кръгова скорост) е най-ниската начална скорост, която трябва да се придаде на едно тяло, за да стане то изкуствен спътник на планетата; за повърхностите на Земята, Марс и Луната, първите скорости на бягство съответстват на приблизително 7,9 km/s, 3,6 km/s и 1,7 km/s.
Втора скорост на бягство(параболична скорост) е минималната начална скорост, която трябва да се придаде на тялото, така че то, след като е започнало да се движи на повърхността на планетата, да преодолее своята гравитация; за Земята, Марс и Луната, вторите скорости на бягство са съответно приблизително 11,2 km/s, 5 km/s и 2,4 km/s.
Трета космическа скоростсе нарича най-малката начална скорост, при която тялото преодолява гравитацията на Земята, Слънцето и напуска Слънчевата система; равна на приблизително 16,7 km/s.
Изкуствени сателити, по същество, са всички летящи космически кораби, изстреляни в орбита около Земята, включително космически кораби и орбитални станции с екипажи. Въпреки това е обичайно изкуствените спътници да се класифицират като предимно автоматични спътници, които не са предназначени да бъдат управлявани от човешки космонавт. Това се дължи на факта, че пилотираните космически кораби се различават значително по своите конструктивни характеристики от автоматичните спътници. По този начин космическите кораби трябва да имат системи за поддържане на живота, специални отделения - спускаеми апарати, в които астронавтите се връщат на Земята. За автоматичните сателити този вид оборудване не е необходимо или напълно ненужно.
Размерите, теглото и оборудването на сателитите зависят от задачите, които сателитите решават. Първият в света съветски спътник имаше маса от 83,6 кг, тялото беше под формата на топка с диаметър 0,58 м. Масата на най-малкия спътник беше 700 г.
AES се извеждат в орбита с помощта на стъпаловидни ракети-носители, които ги издигат на определена височина над повърхността на Земята и ги ускоряват до скорост, равна или превишаваща (но не повече от 1,4 пъти) първата космическа скорост. Изстрелвания на AES със собствени ракети-носители се извършват от Русия, САЩ, Франция, Япония, Китай и Обединеното кралство. Редица сателити са изстреляни в орбита като част от международното сътрудничество. Такива са например сателитите Интеркосмос.
Движение на изкуствени спътнициЗемята не се описва от законите на Кеплер, което се дължи на две причини:
1) Земята не е точно сфера с равномерно разпределение на плътността по обема. Следователно неговото гравитационно поле не е еквивалентно на гравитационното поле на точкова маса, разположена в геометричния център на Земята; 2) Земната атмосфера има спирачен ефект върху движението на изкуствените спътници, в резултат на което тяхната орбита променя формата и размера си и в резултат на това спътниците падат на Земята.
Въз основа на отклонението на движението на спътниците от Кеплеровото може да се направи заключение за формата на Земята, разпределението на плътността по нейния обем и структурата на земната атмосфера. Следователно изследването на движението на изкуствени спътници позволи да се получат най-пълните данни по тези въпроси.
Ако Земята беше хомогенна топка и нямаше атмосфера, тогава спътникът щеше да се движи в орбита, като самолетът поддържаше постоянна ориентация в пространството спрямо системата от неподвижни звезди. Орбиталните елементи в този случай се определят от законите на Кеплер. Тъй като Земята се върти, с всяко следващо завъртане спътникът се движи над различни точки от земната повърхност. Познавайки пътя на спътника за едно завъртане, не е трудно да се предскаже неговата позиция във всички следващи времена. За да направите това, е необходимо да се вземе предвид, че Земята се върти от запад на изток с ъглова скорост от приблизително 15 градуса на час. Следователно при следващото си въртене спътникът пресича същата географска ширина на запад с толкова градуса, колкото Земята се обръща на изток по време на периода на въртене на спътника.
Поради съпротивлението на земната атмосфера спътниците не могат да се движат дълго време на височини под 160 км. Минималният период на въртене на такава височина в кръгова орбита е приблизително 88 минути, тоест приблизително 1,5 часа. През това време Земята се завърта на 22,5 градуса. При ширина 50 градуса този ъгъл съответства на разстояние от 1400 км. Следователно можем да кажем, че спътник с орбитален период от 1,5 часа на ширина 50 градуса ще бъде наблюдаван при всеки следващ оборот от приблизително 1400 km. по на запад от предишния.
Въпреки това, такова изчисление осигурява достатъчна точност на прогнозата само за няколко сателитни оборота. Ако говорим за значителен период от време, тогава трябва да вземем предвид разликата между звездния ден и 24 часа. Тъй като Земята прави едно завъртане около Слънцето за 365 дни, за един ден Земята около Слънцето описва ъгъл от приблизително 1 градус в същата посока, в която се върти около оста си. Следователно за 24 часа Земята се завърта спрямо неподвижните звезди не на 360 градуса, а на 361 и следователно прави един оборот не за 24 часа, а за 23 часа 56 минути. Следователно пътят на географската ширина на сателита се измества на запад не с 15 градуса на час, а с 15,041 градуса.
Кръговата орбита на спътник в екваториалната равнина, движейки се по която той винаги е над една и съща точка на екватора, се нарича геостационарна. Почти половината от земната повърхност може да бъде свързана към сателит в синхронна орбита чрез линейно разпространяващи се високочестотни сигнали или светлинни сигнали. Следователно сателитите в синхронни орбити са от голямо значение за комуникационната система.
AES може да се класифицира според различни критерии. Основният принцип на класификацията се основава на целите на изстрелването и задачите, решавани с помощта на спътници. Освен това сателитите се различават по орбитите, в които се изстрелват, видовете някои бордови съоръжения и т.н.
Според целите и задачите сателитите се разделят на две големи групи – научни изследвания И приложено.Научни изследванияспътниците са предназначени за получаване на нова научна информация за Земята и околоземното пространство, за провеждане на астрономически изследвания в областта на биологията и медицината и други области на науката.
Приложеносателитите са предназначени за решаване на практически човешки нужди, получаване на информация в интерес на националната икономика, провеждане на технически експерименти, както и тестване и тестване на ново оборудване.
Научни изследванияСателитите решават голямо разнообразие от проблеми при изучаването на Земята, земната атмосфера и околоземното пространство и небесните тела. С помощта на тези спътници бяха направени важни и големи открития, открити бяха радиационните пояси на Земята, земната магнитосфера и слънчевият вятър. С помощта на специализирани биологични спътници се извършват интересни изследвания: изучава се влиянието на космическото пространство върху развитието и състоянието на животни, висши растения, микроорганизми и клетки.
Стават все по-важни астрономически AES. Оборудването, монтирано на тези сателити, се намира извън плътните слоеве на земната атмосфера и позволява да се изследва радиацията от небесни обекти в ултравиолетовия, рентгеновия, инфрачервения и гама спектралния диапазон.
Сателитикомуникациислужат за предаване на телевизионни програми, съобщения в Интернет, осигуряват радио - телефонна, клетъчна, телеграфна и други видове комуникация между наземни точки, разположени на големи разстояния една от друга.
МетеорологичниСателитите редовно предават изображения на земните облаци, снежни и ледени покривки до наземни станции; информация за температурата на земната повърхност и различните слоеве на атмосферата. Тези данни се използват за изясняване на прогнозата за времето и предоставяне на навременни предупреждения за предстоящи урагани, бури и тайфуни.
Придоби голямо значение специализирани сателити за изследване на природни ресурсиЗемята. Оборудването на такива спътници предава информация, важна за различни сектори на националната икономика. Може да се използва за прогнозиране на селскостопански добиви, идентифициране на райони, обещаващи за търсене на минерали, за идентифициране на горски райони, заразени с вредители, и за контрол на замърсяването на околната среда.
Навигационен AES бързо и точно определя координатите на всеки наземен обект и оказва безценна помощ при ориентация на сушата, на вода и във въздуха.
Воененсателитите могат да се използват за космическо разузнаване, за насочване на ракети или самите те да служат като оръжия.
Пилотирани кораби - сателитии пилотираните орбитални станции са най-сложните и напреднали спътници. Те, като правило, са предназначени за решаване на широк кръг от проблеми, предимно за провеждане на сложни научни изследвания, тестване на космически технологии, изучаване на природните ресурси на Земята и т.н. Първото изстрелване на пилотиран сателит е извършено на 12 април 1961 г. на съветския космически кораб - спътник "Восток", пилотът-космонавт Ю.А.Гагарин облетя около Земята в орбита с апогейна височина 327 км. На 20 февруари 1962 г. първият американски космически кораб навлиза в орбита с астронавта Дж. Ген на борда.
На 4 октомври 1957 г. в ниска околоземна орбита е изстрелян първият в света изкуствен спътник на Земята. Така започна космическата ера в човешката история. Оттогава изкуствените спътници редовно помагат в изучаването на космическите тела на нашата галактика.
Изкуствени спътници на Земята (AES)
През 1957 г. СССР първи извежда сателит в ниска околоземна орбита. Съединените щати бяха вторите, които направиха това, година по-късно. По-късно много страни пуснаха своите сателити в околоземна орбита - но за това често се използват сателити, закупени от СССР, САЩ или Китай. В наши дни сателити се изстрелват дори от радиолюбители. Много спътници обаче имат важни задачи: астрономическите сателити изследват галактиката и космическите обекти, биосателитите помагат за провеждането на научни експерименти върху живи организми в космоса, метеорологичните сателити помагат за прогнозиране на времето и наблюдение на климата на Земята, а задачите на навигационните и комуникационните спътници са ясни от техните имена. Сателитите могат да бъдат в орбита от няколко часа до няколко години: например пилотираният космически кораб може да се превърне в краткосрочен изкуствен спътник, а космическата станция може да се превърне в дългосрочен космически кораб в околоземна орбита. Общо повече от 5800 сателита са изстреляни от 1957 г. насам, 3100 от тях все още са в космоса, но от тези три хиляди само около хиляда работят.
Изкуствени лунни спътници (ALS)
По едно време ISL бяха много полезни при изучаването на Луната: когато навлизаха в нейната орбита, сателитите снимаха лунната повърхност с висока разделителна способност и изпращаха снимки на Земята. Освен това, променяйки траекторията на спътниците, беше възможно да се направят изводи за гравитационното поле на Луната, характеристиките на нейната форма и вътрешна структура. Тук Съветският съюз отново изпреварва всички: през 1966 г. съветската автоматична станция Луна-10 първа навлиза в окололунна орбита. И през следващите три години бяха изстреляни още 5 съветски спътника от серията Luna и 5 американски спътника от серията Lunar Orbiter.
Изкуствени спътници на Слънцето
Любопитно е, че до 70-те години на миналия век изкуствените спътници се появяват близо до Слънцето... по погрешка. Първият такъв сателит беше Луна 1, който пропусна Луната и влезе в орбитата на Слънцето. И това въпреки факта, че преминаването към хелиоцентрична орбита не е толкова лесно: устройството трябва да достигне втората космическа скорост, без да превишава третата. И когато се приближава до планети, устройството може да забави и да стане спътник на планетата или да ускори и напълно да напусне Слънчевата система. Но сателитите на НАСА, обикалящи около Слънцето близо до орбитата на Земята, започнаха да извършват подробни измервания на параметрите на слънчевия вятър. Японският спътник наблюдава Слънцето в рентгенови лъчи около десет години, до 2001 г. Русия изстреля слънчев спътник през 2009 г.: Coronas-Photon ще изучава най-динамичните слънчеви процеси и ще наблюдава слънчевата активност денонощно, за да прогнозира геомагнитни смущения.
Изкуствени спътници на Марс (ISM)
Първите изкуствени спътници на Марс бяха... три ISM наведнъж. Две космически сонди бяха изстреляни от СССР ("Марс-2" и "Марс-3") и още една от САЩ ("Маринър-9"). Но въпросът не е, че изстрелването беше „състезание“ и имаше такова припокриване: всеки от тези спътници имаше своя собствена задача. И трите ISM бяха изстреляни в значително различни елиптични орбити и извършиха различни научни изследвания, като се допълваха взаимно. Mariner 9 изготви карта на повърхността на Марс за картографиране, а съветските сателити проучиха характеристиките на планетата: потока на слънчевия вятър около Марс, йоносферата и атмосферата, топографията, температурното разпределение, количеството водна пара в атмосферата и други данни. Освен това Марс 3 беше първият в света, който направи меко кацане на повърхността на Марс.
Изкуствени спътници на Венера (ASV)
Първите WIS отново бяха съветски космически кораби. Венера 9 и Венера 10 излязоха в орбита през 1975 г. Стигнал до планетата. Те бяха разделени на сателити и устройства, спуснати на планетата. Благодарение на радара WIS учените успяха да получат радиоизображения с висока степен на детайлност, а устройствата, които леко се спуснаха на повърхността на Венера, направиха първите в света снимки на повърхността на друга планета... Третият сателит беше американският Pioneer Venera 1 - пуснат е на вода три години по-късно.
От външната страна на Sputnik четири антени с камшик предаваха на късовълнови честоти над и под текущия стандарт (27 MHz). Проследяващите станции на Земята уловиха радиосигнала и потвърдиха, че малкият сателит е оцелял след изстрелването и успешно се е движил около нашата планета. Месец по-късно Съветският съюз изстреля Спутник 2 в орбита. Вътре в капсулата беше кучето Лайка.
През декември 1957 г., отчаяни да поддържат темпото на своите противници от Студената война, американски учени се опитаха да поставят сателит в орбита с планетата Авангард. За съжаление ракетата се разби и изгоря по време на излитане. Малко след това, на 31 януари 1958 г., Съединените щати повториха съветския успех, като възприеха плана на Вернер фон Браун за изстрелване на сателита Explorer 1 с американска ракета. Редстоун. Explorer 1 носеше инструменти за откриване на космически лъчи и откри в експеримент на Джеймс Ван Алън от Университета на Айова, че има много по-малко космически лъчи от очакваното. Това доведе до откриването на две тороидални зони (в крайна сметка кръстени на Ван Алън), пълни със заредени частици, уловени в магнитното поле на Земята.
Окуражени от тези успехи, няколко компании започнаха да разработват и изстрелват сателити през 60-те години. Един от тях беше Hughes Aircraft, заедно със звездния инженер Харолд Розен. Росен ръководи екипа, който реализира идеята на Кларк - комуникационен сателит, поставен в орбитата на Земята по такъв начин, че да може да отхвърля радиовълни от едно място на друго. През 1961 г. НАСА сключва договор с Хюз за изграждането на серията сателити Syncom (синхронни комуникации). През юли 1963 г. Росен и колегите му виждат Syncom-2 да излита в космоса и да навлиза в груба геосинхронна орбита. Президентът Кенеди използва новата система, за да разговаря с министър-председателя на Нигерия в Африка. Скоро излетя Syncom-3, който всъщност можеше да излъчва телевизионен сигнал.
Започна ерата на сателитите.
Каква е разликата между сателит и космически отпадъци?
Технически сателит е всеки обект, който обикаля около планета или по-малко небесно тяло. Астрономите класифицират луните като естествени спътници и през годините са съставили списък от стотици такива обекти, обикалящи около планети и планети джуджета в нашата слънчева система. Например, те преброиха 67 луни на Юпитер. И все още е.
Обекти, създадени от човека, като Sputnik и Explorer, също могат да бъдат класифицирани като сателити, защото те, подобно на луните, обикалят около планета. За съжаление, човешката дейност е довела до огромно количество отломки в орбитата на Земята. Всички тези парчета и отломки се държат като големи ракети - въртящи се около планетата с висока скорост по кръгова или елипсовидна траектория. При строго тълкуване на дефиницията всеки такъв обект може да се определи като сателит. Но астрономите обикновено смятат сателитите за онези обекти, които изпълняват полезна функция. Метални остатъци и други боклуци попадат в категорията на орбиталните отломки.
Орбиталните отломки идват от много източници:
- Експлозия на ракета, която произвежда най-много боклуци.
- Астронавтът отпусна ръка - ако астронавт поправя нещо в космоса и пропусне гаечен ключ, то е загубено завинаги. Ключът излиза в орбита и лети със скорост около 10 км/сек. Ако удари човек или сателит, резултатите могат да бъдат катастрофални. Големи обекти като МКС са голяма цел за космически отпадъци.
- Изхвърлени предмети. Части от контейнери за изстрелване, капачки на обектива на камерата и т.н.
НАСА изстреля специален сателит, наречен LDEF, за да изследва дългосрочните ефекти от сблъсъци с космически отпадъци. В продължение на шест години инструментите на сателита регистрираха около 20 000 удара, някои причинени от микрометеорити, а други от орбитални отломки. Учените от НАСА продължават да анализират данните от LDEF. Но Япония вече разполага с гигантска мрежа за улавяне на космически отпадъци.
Какво има вътре в обикновен сателит?
Сателитите се предлагат в различни форми и размери и изпълняват много различни функции, но всички те са фундаментално сходни. Всички те имат метална или композитна рамка и корпус, който англоезичните инженери наричат автобус, а руснаците - космическа платформа. Космическата платформа обединява всичко и осигурява достатъчно мерки, за да гарантира, че инструментите оцеляват след изстрелването.
Всички сателити имат източник на енергия (обикновено слънчеви панели) и батерии. Соларните панели позволяват зареждане на батериите. Най-новите сателити включват и горивни клетки. Сателитната енергия е много скъпа и изключително ограничена. Ядрените енергийни клетки обикновено се използват за изпращане на космически сонди до други планети.
Всички сателити имат бордови компютър за управление и наблюдение на различни системи. Всеки има радио и антена. Като минимум повечето сателити имат радиопредавател и радиоприемник, така че наземният екипаж да може да прави запитвания и да следи състоянието на сателита. Много сателити позволяват много различни неща, от промяна на орбитата до препрограмиране на компютърната система.
Както може да очаквате, сглобяването на всички тези системи не е лесна задача. Отнема години. Всичко започва с определяне на целта на мисията. Определянето на неговите параметри позволява на инженерите да сглобят необходимите инструменти и да ги инсталират в правилния ред. След като спецификациите (и бюджетът) бъдат одобрени, сглобяването на сателита започва. Провежда се в чиста стая, стерилна среда, която поддържа желаната температура и влажност и предпазва сателита по време на разработване и сглобяване.
Обикновено изкуствените спътници се правят по поръчка. Някои компании са разработили модулни сателити, тоест структури, чието сглобяване позволява да се монтират допълнителни елементи според спецификациите. Например сателитите Boeing 601 имаха два основни модула - шаси за транспортиране на подсистемата за задвижване, електроника и батерии; и комплект рафтове тип пчелна пита за съхранение на оборудване. Тази модулност позволява на инженерите да сглобяват сателити от заготовки, а не от нулата.
Как се изстрелват сателитите в орбита?
Днес всички спътници се извеждат в орбита с ракета. Много ги транспортират в товарния отдел.
При повечето сателитни изстрелвания ракетата се изстрелва право нагоре, което й позволява да се движи по-бързо през гъстата атмосфера и минимизира разхода на гориво. След като ракетата излети, контролният механизъм на ракетата използва инерционната система за насочване, за да изчисли необходимите настройки на соплото на ракетата, за да постигне желаната стъпка.
След като ракетата навлезе във въздуха, на височина от около 193 километра, навигационната система изпуска малки ракети, които са достатъчни, за да обърнат ракетата в хоризонтално положение. След това сателитът се освобождава. Малките ракети се изстрелват отново и осигуряват разлика в разстоянието между ракетата и сателита.
Орбитална скорост и надморска височина
Ракетата трябва да достигне скорост от 40 320 километра в час, за да избегне напълно земната гравитация и да полети в космоса. Космическата скорост е много по-голяма от тази, от която сателитът се нуждае в орбита. Те не избягват земната гравитация, но са в състояние на равновесие. Орбиталната скорост е скоростта, необходима за поддържане на баланс между гравитационното привличане и инерционното движение на спътника. Това е приблизително 27 359 километра в час на височина от 242 километра. Без гравитацията инерцията би отвела сателита в космоса. Дори при гравитация, ако сателитът се движи твърде бързо, той ще бъде отнесен в космоса. Ако сателитът се движи твърде бавно, гравитацията ще го привлече обратно към Земята.
Орбиталната скорост на спътника зависи от височината му над Земята. Колкото по-близо до Земята, толкова по-висока е скоростта. На височина 200 километра орбиталната скорост е 27 400 километра в час. За да поддържа орбита на височина от 35 786 километра, спътникът трябва да се движи със скорост от 11 300 километра в час. Тази орбитална скорост позволява на сателита да прави едно прелитане на всеки 24 часа. Тъй като Земята също се върти 24 часа, спътникът на височина от 35 786 километра е във фиксирана позиция спрямо повърхността на Земята. Това положение се нарича геостационарно. Геостационарната орбита е идеална за метеорологични и комуникационни сателити.
Като цяло, колкото по-висока е орбитата, толкова по-дълго сателитът може да остане там. На малка надморска височина спътникът е в земната атмосфера, което създава съпротивление. На голяма надморска височина практически няма съпротивление и спътникът, подобно на луната, може да остане в орбита в продължение на векове.
Видове сателити
На земята всички спътници изглеждат еднакво - лъскави кутии или цилиндри, украсени с крила, направени от слънчеви панели. Но в космоса тези дървени машини се държат много различно в зависимост от траекторията на полета, надморската височина и ориентацията. В резултат класификацията на сателитите се превръща в сложен въпрос. Един подход е да се определи орбитата на кораба спрямо планета (обикновено Земята). Спомнете си, че има две основни орбити: кръгова и елиптична. Някои сателити започват в елипса и след това навлизат в кръгова орбита. Други следват елиптичен път, известен като орбита на Молния. Тези обекти обикновено кръжат от север на юг през полюсите на Земята и завършват пълно прелитане за 12 часа.
Сателитите с полярна орбита също преминават покрай полюсите с всяко завъртане, въпреки че техните орбити са по-малко елиптични. Полярните орбити остават фиксирани в космоса, докато Земята се върти. В резултат на това по-голямата част от Земята преминава под сателита в полярна орбита. Тъй като полярните орбити осигуряват отлично покритие на планетата, те се използват за картографиране и фотография. Синоптиците също разчитат на глобална мрежа от полярни спътници, които обикалят земното кълбо на всеки 12 часа.
Можете също така да класифицирате сателитите според тяхната височина над земната повърхност. Въз основа на тази схема има три категории:
- Ниска околоземна орбита (LEO) - LEO спътниците заемат област от пространството от 180 до 2000 километра над Земята. Сателитите, които обикалят близо до повърхността на Земята, са идеални за наблюдение, военни цели и събиране на информация за времето.
- Средна околоземна орбита (MEO) – Тези спътници летят от 2000 до 36 000 км над Земята. GPS навигационните сателити работят добре на тази надморска височина. Приблизителната орбитална скорост е 13 900 км/ч.
- Геостационарна (геосинхронна) орбита - геостационарни сателити обикалят около Земята на надморска височина над 36 000 km и със същата скорост на въртене като планетата. Следователно сателитите в тази орбита винаги са позиционирани към едно и също място на Земята. Много геостационарни спътници летят по екватора, което създава много задръствания в този регион на космоса. Няколкостотин телевизионни, комуникационни и метеорологични сателити използват геостационарна орбита.
И накрая, може да се мисли за сателитите в смисъла на това къде „търсят“. Повечето от обектите, изпратени в космоса през последните няколко десетилетия, гледат към Земята. Тези сателити имат камери и оборудване, които могат да виждат нашия свят в различни дължини на вълната на светлината, което ни позволява да се наслаждаваме на невероятни гледки на ултравиолетовите и инфрачервените тонове на нашата планета. По-малко сателити обръщат поглед към космоса, където наблюдават звезди, планети и галактики и сканират за обекти като астероиди и комети, които биха могли да се сблъскат със Земята.
Известни сателити
Доскоро сателитите си оставаха екзотични и свръхсекретни инструменти, използвани предимно за военни цели за навигация и шпионаж. Сега те са се превърнали в неразделна част от нашето ежедневие. Благодарение на тях знаем прогнозата за времето (въпреки че синоптиците много често грешат). Гледаме телевизия и имаме достъп до интернет също благодарение на сателитите. GPS в нашите коли и смартфони ни помага да стигнем до мястото, където трябва да отидем. Струва ли си да говорим за безценния принос на телескопа Хъбъл и работата на астронавтите на МКС?
Има обаче истински герои на орбита. Нека ги опознаем.
- Сателитите Landsat снимат Земята от началото на 70-те години на миналия век и държат рекорда за наблюдение на земната повърхност. Landsat-1, известен в даден момент като ERTS (Earth Resources Technology Satellite), беше изстрелян на 23 юли 1972 г. Носеше два основни инструмента: камера и мултиспектрален скенер, създаден от Hughes Aircraft Company и способен да записва данни в зелен, червен и два инфрачервени спектъра. Сателитът създаде толкова прекрасни изображения и беше смятан за толкова успешен, че го последва цяла серия. НАСА изстреля последния Landsat-8 през февруари 2013 г. Това превозно средство носеше два сензора за наблюдение на Земята, Operational Land Imager и Thermal Infrared Sensor, събиращи мултиспектрални изображения на крайбрежни региони, полярен лед, острови и континенти.
- Геостационарните оперативни сателити за околната среда (GOES) обикалят Земята в геостационарна орбита, като всеки отговаря за определена част от земното кълбо. Това позволява на сателитите да наблюдават отблизо атмосферата и да откриват промени в метеорологичните условия, които могат да доведат до торнадо, урагани, наводнения и гръмотевични бури. Сателитите се използват и за оценка на валежите и натрупването на сняг, измерване на размера на снежната покривка и проследяване на движението на морския и езерния лед. От 1974 г. 15 сателита GOES са изстреляни в орбита, но само два спътника, GOES West и GOES East, наблюдават времето във всеки един момент.
- Джейсън-1 и Джейсън-2 изиграха ключова роля в дългосрочния анализ на океаните на Земята. НАСА изстреля Jason-1 през декември 2001 г., за да замени спътника NASA/CNES Topex/Poseidon, който работеше над Земята от 1992 г. В продължение на почти тринадесет години Jason-1 измерва морското равнище, скоростта на вятъра и височината на вълните в повече от 95 процента от океаните на Земята без лед. НАСА официално пенсионира Jason-1 на 3 юли 2013 г. Jason-2 влезе в орбита през 2008 г. Носеше високоточни инструменти, които позволяваха измерване на разстоянието от сателита до повърхността на океана с точност до няколко сантиметра. Тези данни, в допълнение към тяхната стойност за океанографите, предоставят обширна представа за поведението на глобалните климатични модели.
Колко струват сателитите?
След Sputnik и Explorer сателитите станаха по-големи и по-сложни. Вземете например TerreStar-1, търговски сателит, който ще предоставя услуга за мобилни данни в Северна Америка за смартфони и подобни устройства. Изстрелян през 2009 г., TerreStar-1 тежеше 6910 килограма. И когато се разгърна напълно, той разкри 18-метрова антена и масивни слънчеви панели с размах на крилата от 32 метра.
Изграждането на такава сложна машина изисква много ресурси, така че исторически само правителствени агенции и корпорации с дълбоки джобове можеха да навлязат в сателитния бизнес. По-голямата част от цената на сателита е в оборудването - транспондери, компютри и камери. Един типичен сателит за времето струва около 290 милиона долара. Шпионски сателит би струвал 100 милиона долара повече. Добавете към това разходите за поддръжка и ремонт на сателити. Компаниите трябва да плащат за сателитна честотна лента по същия начин, по който собствениците на телефони плащат за клетъчни услуги. Това понякога струва повече от 1,5 милиона долара годишно.
Друг важен фактор са началните разходи. Изстрелването на един сателит в космоса може да струва от 10 до 400 милиона долара в зависимост от устройството. Ракетата Pegasus XL може да вдигне 443 килограма в ниска околоземна орбита за 13,5 милиона долара. Изстрелването на тежък сателит ще изисква повече повдигане. Ракетата Ariane 5G може да изведе 18 000-килограмов сателит в ниска орбита за 165 милиона долара.
Въпреки разходите и рисковете, свързани с изграждането, изстрелването и експлоатацията на сателити, някои компании успяха да изградят цели бизнеси около него. Например Боинг. Компанията достави около 10 спътника в космоса през 2012 г. и получи поръчки за повече от седем години, генерирайки близо 32 милиарда долара приходи.
Бъдещето на сателитите
Почти петдесет години след изстрелването на Спутник сателитите, подобно на бюджетите, растат и стават по-силни. САЩ, например, са похарчили почти 200 милиарда долара от началото на своята военна сателитна програма и сега, въпреки всичко това, разполагат с флот от остарели сателити, които чакат да бъдат заменени. Много експерти се опасяват, че изграждането и разполагането на големи сателити просто не може да съществува с долари на данъкоплатците. Решението, което може да обърне всичко с главата надолу, остават частни компании като SpaceX и други, които очевидно няма да страдат от бюрократична стагнация, като NASA, NRO и NOAA.
Друго решение е да се намали размерът и сложността на сателитите. Учени от Caltech и Станфордския университет работят от 1999 г. върху нов тип CubeSat, базиран на градивни блокове с 10-сантиметров ръб. Всеки куб съдържа готови компоненти и може да се комбинира с други кубове за повишаване на ефективността и намаляване на натоварването. Чрез стандартизиране на дизайна и намаляване на разходите за изграждане на всеки сателит от нулата, един CubeSat може да струва само $100 000.
През април 2013 г. НАСА реши да тества този прост принцип с три CubeSat, захранвани от търговски смартфони. Целта беше микросателитите да бъдат изведени за кратко в орбита и да направят няколко снимки с телефоните си. Сега агенцията планира да разгърне широка мрежа от такива сателити.
Независимо дали са големи или малки, бъдещите сателити трябва да могат да комуникират ефективно с наземните станции. Исторически погледнато, НАСА разчиташе на радиочестотни комуникации, но радиочестотите достигнаха лимита си, когато се появи търсенето на повече мощност. За да преодолеят това препятствие, учените от НАСА разработват двупосочна комуникационна система, използваща лазери вместо радиовълни. На 18 октомври 2013 г. учените за първи път изстреляха лазерен лъч за предаване на данни от Луната към Земята (на разстояние 384 633 километра) и постигнаха рекордна скорост на предаване от 622 мегабита в секунда.