La ce altitudine sunt sateliții care zboară, calcularea orbitei, viteza și direcția mișcării

Așa cum scaunele din teatru permit o privire diferită asupra vederii, diferitele orbite ale sateliților dau o perspectivă, fiecare având scopul propriu. Unii par a fi suspendate peste punctul de pe suprafața, ele oferă o imagine de ansamblu constantă a unei părți a Pământului, în timp ce cealaltă circling în jurul planetei noastre, o matura zi, peste mai multe locații.

Tipuri de orbite

La ce altitudine zboară sateliții? Există 3 tipuri de orbite apropiate de pământ: înaltă, medie și joasă. Pe cele mai înalte, cele mai îndepărtate de la suprafață, de regulă, există o mulțime de vreme și niște sateliți de comunicare. Sateliții care se rotesc pe orbita Pământului mediu includ navigația și sistemul special, concepute pentru a monitoriza o anumită regiune. Cele mai multe vehicule de spațiu științific, inclusiv flota NASA pentru Sistemul de observare a Pământului, se află pe orbită joasă.

Viteza mișcării lor depinde de cât de înaltă sunt sateliții care zboară. Pe măsură ce ne apropiem de Pământ, gravitatea devine mai puternică și mișcarea accelerează. De exemplu, satelitul NASA Aqua durează aproximativ 99 de minute pentru a zbura in jurul planetei, la aproximativ 705 km, iar unitatea meteorologică, la o distanță 35786 km de la suprafață, ar necesita 23 de ore, 56 de minute și 4 secunde. La o distanță de 384.403 km de centrul Pământului, Luna termină o revoluție în 28 de zile.

Paradox aerodinamic

Modificarea altitudinii satelitului modifică și viteza orbitală. Aici există un paradox. Dacă operatorul de satelit dorește să își mărească viteza, nu poate porni doar motoarele pentru accelerare. Aceasta va crește orbita (și altitudinea), ceea ce va duce la o scădere a vitezei. În schimb, porniți motoarele în direcția opusă direcției de mișcare a satelitului, adică efectuați o acțiune care ar încetini vehiculul în mișcare de pe Pământ. Această acțiune o va mișca mai jos, ceea ce va crește viteza.

Caracteristicile orbitei

În plus față de altitudine, calea mișcării prin satelit este caracterizată de excentricitate și înclinație. Primul se referă la forma orbitei. Un satelit cu o excentricitate scăzută se mișcă de-a lungul unei traiectorii apropiate de cea circulară. Orbita excentrica are forma unei elipse. Distanța de la nava spațială de pe Pământ depinde de poziția sa.

Înclinația este unghiul orbitei față de ecuator. Satelitul, care se rotește direct deasupra ecuatorului, are o pantă zero. Dacă nava spațială trece peste polii nordici și sudici (geografică, nu magnetică), pantă ei este de 90 °.

Toate împreună - înălțimea, excentricitatea și înclinația - determină mișcarea satelitului și modul în care Pământul va arăta din punctul său de vedere.

Pământul înalt

Când satelitul ajunge exact 42164 km de centrul pământului (aproximativ 36 mii. Km de la suprafață), intră în zona unde se întâlnește orbita de rotație a planetei. Pe măsură ce se deplasează mașină la aceeași viteză ca și Pământul, adică. Perioada E. ei de revoluție este de 24 de ore, se pare că stă în loc doar pe longitudine, deși poate deriva de la nord la sud. Această orbită specială înaltă se numește geosincron.

Satelitul se deplasează într-o orbită circulară chiar deasupra ecuatorului (excentricitatea și înclinația sunt zero) și relativ la Pământ staționează. Acesta este întotdeauna situat deasupra aceluiași punct de pe suprafața sa.

Orbita geostaționară este extrem de important pentru monitorizarea vremii, deoarece sateliții de pe acesta oferă o imagine de ansamblu constantă a aceleiași suprafețe. La fiecare câteva minute, instrumentele meteorologice, cum ar fi GOES, oferă informații despre nori, vapori de apă și vânturi, iar acest flux constant de informații servește drept bază pentru monitorizarea și prognoza meteo.

În plus, dispozitivele geostaționare pot fi utile pentru comunicații (telefonie, televiziune, radio). Sateliții GOES oferă funcționarea unui baliză de căutare și salvare, folosit pentru a ajuta la căutarea navelor și a aeronavelor aflate în primejdie.

În cele din urmă, mulți dintre cei mai importanți sateliți ai Pământului pe orbită Pământ monitorizează activitatea solară și monitorizează nivelurile de câmp magnetic și radiații.

Calculul altitudinii GSO

Forța centripetală F acționează asupra satelitului_u= (M₁v²) / R și forța gravitațională F_T= (GM₁M₂) / R². Deoarece aceste forțe sunt aceleași, se pot egaliza părțile drepte și se taie cu masa M₁. Ca rezultat, obținem egalitatea v²= (GM²) / R. Prin urmare, viteza v = ((GM₂) / R)^1/2

Deoarece orbita geostaționară este un cerc cu lungimea 2pi-r, viteza orbitală este v = 2pi-R / T.

Prin urmare, R³= T²GM / (4pi-²).

Deoarece T = 8,64x10⁴s, G = 6,673 x 10^-11 lea Nmiddot²/ kg², M = 5,98x10²⁴kg, apoi R = 4,23 × 10⁷ m. Dacă scădem din R raza Pământului, egală cu 6,38x10⁶ m, puteți afla la ce altitudine sateliții zboară peste un punct al suprafeței - 3,59x10⁷m.

Punctele Lagrange

Alte orbite remarcabile sunt punctele Lagrange, unde forta gravitationala a Pamantului este compensata de gravitatea Soarelui. Tot ceea ce este acolo este atras de aceste corpuri cerești și se rotește cu planeta noastră în jurul stelei.

Dintre cele cinci puncte Lagrange din sistemul Sun-Earth, numai ultimele doua, numite L4 si L5, sunt stabile. În rest, însoțitorul este ca o minge echilibrată pe vârful unui deal abrupt: orice ușoară perturbație o va împinge. Pentru a rămâne într-o stare echilibrată, navele spațiale trebuie să fie ajustate în mod constant. În ultimele două puncte din Lagrange, sateliții sunt asemănători cu o minge într-o minge: chiar și după o perturbare puternică se vor întoarce.

L1 este situat între Pământ și Soare, permite sateliților săi să aibă o vedere constantă asupra luminării noastre. Observatorul Solar SOHO, un satelit și Agenția Spațială Europeană Urmă Soarele din primul punct al Lagrange, la 1,5 milioane de kilometri de planeta noastră.

L2 se află la aceeași distanță de Pământ, dar se află în spatele acestuia. Sateliții din acest loc necesită doar un scut termic pentru a se proteja de lumina și căldura soarelui. Acesta este un loc bun pentru telescoapele spatiale folosite pentru a studia natura Universului prin observarea fundalului radiatiilor cu microunde.

Cel de-al treilea punct al Lagrange este situat opus Pământului de cealaltă parte a Soarelui, astfel încât steaua este întotdeauna între ea și planeta noastră. Satelitul din această poziție nu va putea comunica cu Pământul.

Al patrulea și al cincilea punct al Lagrange în traiectoria orbitală a planetei noastre sunt extrem de stabile la 60 ° în față și în spatele Pământului.

Medie pe orbită a Pământului

Fiind mai aproape de Pământ, sateliții se deplasează mai repede. Există două orbite medii apropiate de Pământ: jumătate sincron și "Lightning".

La ce altitudine sateliții zboară într-o orbită pe jumătate sincronă? Este aproape rotund (excentricitate scăzută) și este îndepărtat la o distanță de 26.560 km de centrul Pământului (aproximativ 20.200 km de suprafață). Satelitul la această altitudine face o întoarcere completă în 12 ore. Pe măsură ce se mișcă, Pământul se rotește sub el. În 24 de ore traversează 2 puncte identice pe ecuator. Această orbită este consistentă și foarte previzibilă. Utilizat de sistem poziționarea globală GPS-ul.

Orbitele Molniya (înclinare 63,4 °) sunt folosite pentru observarea la latitudini mari. Sateliții geostaționari sunt legați de ecuator, deci nu sunt potriviți pentru regiuni din nordul sau sudul îndepărtat. Această orbită este foarte excentrică: nava spațială se deplasează de-a lungul unei elipse alungite, cu Pământul situat aproape de o margine. Deoarece satelitul accelerează sub acțiunea gravitației, se mișcă foarte repede când este aproape de planeta noastră. Când îl scoateți, viteza încetinește, așa că petrece mai mult timp în partea de sus a orbitei la cea mai îndepărtată margine a Pământului, distanța până la care poate ajunge la 40 mii km. Perioada de circulație este de 12 ore, dar aproximativ două treimi din acest timp, satelitul petrece peste o emisferă. Ca o orbită semi-sincronă, satelitul călătorește pe aceeași cale la fiecare 24 de ore. Este folosit pentru comunicații în nordul sau sudul extrem.

Pământ scăzut

Majoritatea sateliților științifici, multe stații meteorologice și spațiale se află pe o orbită aproape pătrată pe pământ. Înclinația lor depinde de ceea ce monitorizează. TRMM a fost lansat pentru a monitoriza precipitațiile în tropice, prin urmare, are o înclinare relativ scăzută (35 °), rămânând lângă ecuator.

Mulți dintre sateliții sistemului de observare al NASA au o orbită aproape polară, foarte înclinată. Navele spațiale se deplasează în jurul Pământului de la pol la pol cu ​​o perioadă de 99 de minute. Jumătate din timp trece peste partea de zi a planetei noastre, iar pe stâl se duce noaptea.

În timp ce satelitul se mișcă, Pământul se rotește sub el. În momentul în care aparatul se comută în zona luminată, acesta se află deasupra zonei adiacente zonei ultimei sale orbite. Pe o perioadă de 24 de ore, sateliții polari acoperă de cele mai multe ori Pământul de două ori: o dată în timpul zilei și o dată pe timp de noapte.

Soare sincrone solare

Așa cum sateliții geosincroni trebuie să fie deasupra ecuatorului, ceea ce le permite să rămână deasupra unui singur punct, sateliții polar-orbitali au capacitatea de a rămâne în același timp. Orbita lor este sincronă cu soarele - când traversează nava spațială ecuatorie, timpul solar local este întotdeauna același. De exemplu, satelitul Terra îl traversează peste Brazilia întotdeauna la ora 10:30 dimineața. Următoarea trecere în 99 de minute peste Ecuador sau Columbia este de asemenea la ora locală 10:30.

Orbita sincronă solare este necesară pentru știință, deoarece permite menținerea unghiului de lumină a soarelui care cade pe suprafața Pământului, deși va varia în funcție de sezon. O astfel de constanță înseamnă că oamenii de știință pot compara imaginile planetei noastre timp de un an în câțiva ani, fără să ne îngrijoreze prea multe salturi de iluminat care pot crea iluzia schimbării. Fără o orbită sincronă cu soarele, ar fi dificil să le urmăriți în timp și să colectăm informațiile necesare studierii schimbărilor climatice.

Calea satelitului este foarte limitată. Dacă se află la o altitudine de 100 km, orbita trebuie să aibă o pantă de 96 °. Orice abatere va fi inacceptabilă. Deoarece rezistența atmosferei și forța de atracție a Soarelui și a Lunii schimbă orbita aparatului, acesta trebuie reglat în mod regulat.

Lansarea pe orbită: lansare

Lansarea unui satelit necesită energie, valoarea căreia depinde de locația locului de lansare, înălțimea și înclinația viitoarei traiectorii a mișcării sale. Pentru a ajunge pe o orbită de la distanță, trebuie să cheltuiți mai multă energie. Sateliții cu o pantă semnificativă (de exemplu, polar) sunt mai intensivi decât cei care circulă deasupra ecuatorului. O rotație în orbită cu o înclinație scăzută este facilitată de rotația Pământului. Stația spațială internațională se mișcă la un unghi de 51,6397 °. Acest lucru este necesar pentru ca navetele spațiale și rachetele rusești să ajungă mai ușor la ele. Înălțimea ISS este de 337-430 km. Sateliții polari, pe de altă parte, nu primesc asistență de la impulsul Pământului, deci au nevoie de mai multă energie pentru a urca la aceeași distanță.

ajustare

După lansarea satelitului, este necesar să se depună eforturi pentru ao menține pe o anumită orbită. Deoarece Pământul nu este o sferă ideală, gravitatea lui este mai puternică în unele locuri. Această inegalitate, împreună cu atracția Soarelui, a Lunii și a lui Jupiter (cea mai masivă planetă a sistemului solar), schimbă înclinația orbitei. Pe tot parcursul vieții, poziția sateliților GOES a fost ajustată de trei sau patru ori. Vehiculele low-orbitoare ale NASA ar trebui să-și regleze piciorul în fiecare an.

În plus, atmosfera este afectată de sateliții apropiați de Pământ. Straturile de sus, deși destul de rare, au rezistență suficient de puternică pentru a le atrage mai aproape de Pământ. Acțiunea gravitației duce la accelerarea sateliților. În timp, ei ard, spiralizând mai jos și mai jos în atmosferă sau căderea pe Pământ.

Rezistența la atmosferă este mai puternică atunci când soarele este activ. La fel cum aerul dintr-un balon se extinde și se ridică atunci când este încălzit, atmosfera se ridică și se extinde atunci când Soarele îi dă o energie suplimentară. Straturile rarefiate ale atmosferei se ridică, iar locul lor este ocupat de cele mai densi. Prin urmare, sateliții de pe orbita Pământului ar trebui să își schimbe poziția de aproximativ patru ori pe an pentru a compensa rezistența atmosferei. Când activitatea solară este maximă, poziția aparatului trebuie ajustată la fiecare 2-3 săptămâni.

Spațiu liber

Al treilea motiv de forță de a schimba orbita este resturile spațiului. Unul dintre sateliții de comunicații Iridium sa ciocnit cu o navă spațială rusească disfuncțională. S-au despărțit, formând un nor de resturi, alcătuit din mai mult de 2500 de piese. Fiecare element a fost adăugat la baza de date, care are acum peste 18.000 de obiecte de origine tehnogenă.

NASA urmărește cu atenție tot ceea ce ar putea fi în calea sateliților, deoarece, datorită resturilor spațiale, a schimbat deja de mai multe ori orbitele.

ingineri Misiunea Centrului de Control urmăriți poziția resturilor spațiale și a sateliților, care pot interfera cu mișcarea și, dacă este necesar, planificați cu atenție manevrele de evaziune. Aceeași echipă are planuri și manevre pentru a ajusta panta și altitudinea satelitului.