Спутник-3 выставлялся на советской выставке в менее захватывающие времена. Спутник был запущен 15 мая 1958 года и оставался на орбите до 6 апреля 1960 года. Российский космический корабль обнаружил внешние радиационные пояса Земли среди других подвигов.
«Человек должен подняться над Землей - на вершину атмосферы и за ее пределы - только так он сможет полностью понять мир, в котором он живет».
Сократ сделал это наблюдение за столетия до того, как люди успешно поместили объект на орбиту Земли. И все же греческий философ, казалось, понимал, насколько ценным может быть вид из космоса, даже если он не знал, как этого добиться.
Эти идеи - о том, как доставить объект «на вершину атмосферы и дальше», - должны были подождать до Исаака Ньютона, который опубликовал свой теперь известный мысленный эксперимент с пушечным ядром в 1729 году. Его мысли были такими: Представьте себе вас поместите пушку на вершину горы и стреляйте из нее горизонтально. Пушечное ядро некоторое время будет перемещаться параллельно поверхности Земли, но в конечном итоге поддастся гравитации и упадет на землю. А теперь представьте, что вы продолжаете добавлять в пушку порох. С дополнительной взрывчаткой пушечное ядро будет лететь все дальше и дальше, прежде чем упадет. Добавьте необходимое количество порошка и придайте мячу нужную скорость, и он будет путешествовать по всей планете, всегда падая в гравитационном поле, но никогда не достигая земли.
В октябре 1957 года Советы окончательно подтвердили правоту Ньютона, запустив Спутник-1 - первый искусственный спутник на орбите Земли. Это положило начало космической гонке и положило начало долгой любви к объектам, предназначенным для путешествий по круговым путям вокруг нашей планеты или других планет Солнечной системы. Со времени появления спутника "Спутник" несколько стран, во главе с преимущественно Соединенными Штатами, Россией и Китаем, отправили в космос около 2500 спутников. Некоторые из этих искусственных объектов, например Международная космическая станция, огромны. Другие могут удобно разместиться в вашей кухонной хлебнице. Мы видим и признаем их использование в сводках погоды, телевизионных передачах DIRECTV и DISH Network, а также в повседневных телефонных разговорах. Даже те, которые ускользают от нашего внимания, стали незаменимыми инструментами для военных.
Конечно, запуск и эксплуатация спутников приводит к проблемам. Сегодня, когда на орбите вокруг Земли находится более 1000 действующих спутников, наши непосредственные космические окрестности стали более загруженными, чем час пик в большом городе. А еще есть выброшенное оборудование, заброшенные спутники, части оборудования и фрагменты взрывов или столкновений, которые разделяют небо с полезным оборудованием. Этот орбитальный мусор накапливался за долгие годы и представляет серьезную угрозу для спутников, которые в настоящее время обращаются вокруг Земли, и для будущих пилотируемых и беспилотных запусков.
В этой статье мы заглянем в кишечник типичного спутника, а затем посмотрим его «глазами», чтобы насладиться видами нашей планеты, которые Сократ и Ньютон едва ли могли себе представить. Но сначала давайте более подробно рассмотрим, что именно отличает спутник от других небесных объектов.
Что такое спутник?
Спутник-1, первый спутник с четырьмя штыревыми антеннами.
Спутник - это любой объект, который движется по кривой вокруг планеты. Луна является первоначальным естественным спутником Земли, и есть много искусственных (искусственных) спутников, обычно более близких к Земле. Путь, по которому следует спутник, представляет собой орбиту , которая иногда принимает форму круга.
Чтобы понять, почему спутники движутся таким образом, мы должны вернуться к нашему другу Ньютону. Ньютон предположил, что сила - гравитация - существует между любыми двумя объектами во Вселенной. Если бы не эта сила, спутник, движущийся рядом с планетой, продолжал бы движение с той же скоростью и в том же направлении - по прямой. Однако этот прямой инерционный путь спутника уравновешивается сильным гравитационным притяжением, направленным к центру планеты.
Иногда орбита спутника выглядит как эллипс, сжатый круг, который движется вокруг двух точек, известных как фокусы. Применяются те же основные законы движения, за исключением того, что планета находится в одном из фокусов. В результате результирующая сила, приложенная к спутнику, неодинакова на всем протяжении орбиты, и скорость спутника постоянно меняется. Он движется быстрее всего, когда находится ближе всего к планете - точке, известной как перигей, - и медленнее всего, когда находится дальше всего от планеты - точке, известной как апогей.
Спутники бывают всех форм и размеров и играют разные роли.
- Метеорологические спутники помогают метеорологам предсказывать погоду или видеть, что происходит в данный момент. Геостационарный оперативный спутник окружающей среды (GOES) является хорошим примером. Эти спутники обычно содержат камеры, которые могут передавать фотографии погоды на Земле либо с фиксированных геостационарных позиций, либо с полярных орбит.
- Спутники связи позволяют передавать телефонные разговоры и передачу данных через спутник. Типичные спутники связи включают Telstar и Intelsat. Наиболее важной особенностью спутника связи является транспондер - радио, которое принимает разговор на одной частоте, затем усиливает его и ретранслирует обратно на Землю на другой частоте. Спутник обычно содержит сотни или тысячи транспондеров. Спутники связи обычно геосинхронны (подробнее об этом позже).
- Спутники вещания транслируют телевизионные сигналы из одной точки в другую (аналогично спутникам связи).
- Научные спутники, такие как космический телескоп Хаббл, выполняют всевозможные научные миссии. Они смотрят на все, от солнечных пятен до гамма-лучей.
- Навигационные спутники помогают кораблям и самолетам ориентироваться. Самыми известными являются спутники GPS NAVSTAR.
- Спутники-спасатели реагируют на радиосигналы бедствия.
- Спутники наблюдения Земли проверяют планету на предмет изменений во всем: от температуры до лесонасаждений и ледяного покрова. Самые известные из них - серия Landsat.
- Там есть военные спутники, но большая часть фактической информации о применении остается секретной. Приложения могут включать в себя ретрансляцию зашифрованного сообщения, ядерный контроль, наблюдение вражеских движений, раннее предупреждения о ракетных пусках, подслушивал наземные радиолинии, радиолокационная визуализации и фотографии (используя то, что, по существу, большие телескопы, которые фотографируют в военном отношении интересных областей).
Когда были изобретены спутники?
Ньютон, возможно, работал над мысленным упражнением по запуску спутника, но потребовалось время, прежде чем мы действительно совершили подвиг. Одним из первых провидцев был писатель-фантаст Артур Кларк. В 1945 году Кларк предложил выводить спутники на орбиту так, чтобы они двигались в том же направлении и с той же скоростью, что и вращающаяся Земля. Он предложил использовать эти так называемые геостационарные спутники для связи.Многие ученые не полностью приняли идею Кларка - до 4 октября 1957 года. Именно тогда Советский Союз запустил Спутник-1, первый искусственный спутник на орбите Земли. Спутник был 23-дюймовым (58-сантиметровым) 184-м спутником. -фунтовый (83-килограммовый) металлический шар. Хотя это было выдающееся достижение, содержание спутника кажется скудным по сегодняшним меркам:
- Термометр
- Аккумулятор
- Радиопередатчик - изменен тон звуковых сигналов, чтобы соответствовать изменениям температуры
- Газообразный азот - под давлением внутри спутника
В декабре 1957 года, отчаянно пытаясь не отставать от своих коллег из холодной войны, американские ученые попытались вывести спутник на орбиту на борту ракеты «Авангард». К сожалению, ракета разбилась и сгорела на стартовой площадке. Вскоре после этого, 31 января 1958 года, США, наконец, достигли успеха Советского Союза, использовав план, принятый Вернером фон Брауном, который требовал от американской ракеты Редстоун для вывода спутника Explorer 1 на орбиту Земли. Эксплорер-1 имел приборы для обнаружения космических лучей и в эксперименте под руководством Джеймса Ван Аллена из Университета Айовы обнаружил гораздо меньшее количество космических лучей, чем ожидалось. Это привело к открытию двух зон в форме пончика (в конечном итоге названных в честь Ван Аллена), заполненных заряженными частицами, захваченными магнитным полем Земли.
Воодушевленные этими успехами, несколько компаний в 1960-х годах поспешили разработать и развернуть спутники. Одним из них был Hughes Aircraft и его звездный инженер Гарольд Розен. Розен возглавил команду, которая превратила концепцию Артура Кларка - спутник связи, расположенный на орбите Земли таким образом, чтобы он мог передавать радиоволны из одного места в другое - в возможную конструкцию. В 1961 году НАСА предоставило Хьюзу контракт на создание серии спутников Syncom (синхронная связь). В июле 1963 года Розен и его коллеги наблюдали, как Syncom 2 взлетел в космос и вышел на (примерно) геосинхронную орбиту. Президент Кеннеди использовал новую систему для беседы с премьер-министром Нигерии в Африке (вы можете послушать здесь). Затем последовал Syncom 3, который действительно мог транслировать телевидение.
Началась эра спутников.
Отражение: Спутник, 4 октября 1957 г.
Передачи спутника вышли из строя вместе с батареей всего через три недели, но его последствия ощущались десятилетиями. Пятиклассником я был свидетелем ажиотажа, вызванного запуском спутника. Новостные сообщения показали, что многие люди в Соединенных Штатах были смущены, увидев, что Советский Союз добился первенства в науке, а также испугались того, что иностранная страна что-то сделала над головой. Казалось, что разработка советских ракет значительно опережает усилия Соединенных Штатов. Толчок к запуску американского спутника в космос начался немедленно. Американские школы и университеты вскоре пополнились новыми учебниками по науке. Одним из побочных эффектов, который оказал прямое влияние на многих студентов, таких как я, было увеличение количества домашних заданий по естествознанию, что придало общенациональному тревожному сигналу личное измерение. - Гэри Браун
В чем разница между спутником и космическим мусором?
На этой иллюстрации НАСА представлены все искусственные объекты, как функционирующие, так и обломки, отслеживаемые при создании изображения в 2009 году. Изображение было создано на основе моделей, используемых для отслеживания обломков на околоземной орбите.
Технически спутник - это любой объект, который вращается вокруг планеты или меньшего небесного тела. Астрономы классифицируют луны как естественные спутники, и на протяжении многих лет они подсчитали сотни таких объектов, вращающихся вокруг планет и карликовых планет в нашей солнечной системе. Например, они составили список из 67 лун, вращающихся вокруг Юпитера.
Искусственные объекты, например, запущенные во время миссий Спутник и Исследователь, также можно классифицировать как спутники, потому что они, как и луны, вращаются вокруг планеты. К сожалению, человеческая деятельность, необходимая для вывода искусственных спутников в космос, привела к образованию огромного количества оставшегося мусора. Все эти осколки ведут себя так же, как большие ракеты и космические корабли - они движутся вокруг своей целевой планеты с очень высокой скоростью, следуя круговым или эллиптическим траекториям. В самом строгом толковании определения каждый кусок мусора квалифицируется как спутник. Но астрономы обычно думают о спутниках как об объектах, которые выполняют полезную функцию. Обломки металла и другой мусор вряд ли считаются полезными и поэтому попадают в другую категорию, известную как орбитальный мусор .
Согласно программе NASA Orbital Debris, существует 100 миллионов частей орбитального мусора размером не более 1 сантиметра (0,4 дюйма). Имеется 500 000 изделий размером 1–10 сантиметров (0,4–3,9 дюйма) и приблизительно 21 000 изделий размером более 10 сантиметров. Астрономы иногда называют вещи из последней категории космическим мусором - объекты, достаточно большие, чтобы их можно было отслеживать с помощью радара, которые были случайно выведены на орбиту и которые теперь представляют угрозу для других активных, нормально функционирующих спутников.
Орбитальный мусор может поступать из многих источников:
- Взрывающиеся ракеты - при этом остается больше всего мусора в космосе.
- Ускользание руки космонавта - если космонавт ремонтирует что-то в космосе и уронит гаечный ключ, это исчезнет навсегда. Затем гаечный ключ выходит на орбиту, вероятно, со скоростью около 6 миль в секунду (почти 10 километров в секунду). Если гаечный ключ попадет в любое транспортное средство с экипажем людей, результаты могут быть плачевными. Более крупные объекты, такие как космическая станция, являются более крупной целью для космического мусора и поэтому подвергаются большему риску.
- Выброшенные за борт предметы - части пусковых контейнеров, крышки объектива фотоаппарата и так далее.
Что внутри обычного спутника?
Спутники бывают самых разных форм и размеров и выполняют множество различных функций, но все они имеют несколько общих черт.- Все они имеют металлический или композитный каркас и кузов, обычно известный как автобус . Автобус скрепляет все в космосе и обеспечивает достаточно прочности, чтобы пережить запуск.
- Все они имеют источник энергии (обычно солнечные батареи) и аккумуляторы для хранения. Массивы солнечных элементов обеспечивают питание для зарядки аккумуляторных батарей. Новые конструкции включают топливные элементы. Мощность большинства спутников драгоценна и очень ограничена. Ядерная энергия использовалась для космических исследований других планет. Энергетические системы постоянно контролируются, и данные о мощности и всех других бортовых системах отправляются на земные станции в виде сигналов телеметрии.
- Все они имеют бортовой компьютер для управления и мониторинга различных систем.
- У всех есть радиосистема и антенна. По крайней мере, у большинства спутников есть радиопередатчик / приемник, так что команда наземного управления может запрашивать информацию о состоянии со спутника и контролировать его состояние. Многие спутники можно управлять различными способами с земли, чтобы делать что угодно - от изменения орбиты до перепрограммирования компьютерной системы.
- Все они имеют систему ориентации. ACS удерживает спутник в правильном направлении.
Искусственные спутники обычно не производятся серийно; они созданы специально для выполнения предполагаемых функций. С учетом вышесказанного, некоторые компании разработали свои спутники модульными, что позволяет начать с первичной структуры, которую можно настроить по мере необходимости. Например, спутник Boeing 601 состоит из двух основных модулей - шасси для установки двигательной подсистемы, электроники шины и аккумуляторных батарей; и набор сотовых полок для размещения массивов оборудования. Эта модульность позволяет инженерам собирать специально созданные спутники, не начиная с нуля. И, конечно же, некоторые спутники, такие как спутники GPS и системы Iridium, работают вместе в скоординированной сети. Использование повторяемого дизайна упрощает настройку и интеграцию различных компонентов системы.
Как выводят спутник на орбиту?
Все спутники сегодня выходят на орбиту с помощью ракеты. Многие использовали автостоянку в грузовом отсеке космического корабля. У некоторых стран и предприятий есть возможности для запуска ракет, а спутники весом в несколько тонн регулярно и безопасно выводят их на орбиту.Для большинства запусков спутников запланированная ракета сначала направлена прямо вверх. Благодаря этому ракета быстрее всего проходит через самую толстую часть атмосферы и сводит к минимуму расход топлива.
После запуска ракеты прямо вверх механизм управления ракетой использует инерционную систему наведения (см. Врезку) для расчета необходимых корректировок сопел ракеты для наклона ракеты по курсу, описанному в плане полета. В большинстве случаев план полета требует, чтобы ракета двигалась на восток, потому что Земля вращается на восток, давая ракете-носителю бесплатный разгон. Сила этого ускорения зависит от скорости вращения Земли в точке запуска. Усиление наибольшее на экваторе, где расстояние вокруг Земли наибольшее и поэтому вращение наиболее быстрое.
Насколько велик прирост от экваториального запуска? Чтобы сделать приблизительную оценку, мы можем определить окружность Земли, умножив ее диаметр на число пи (3,1416). Диаметр Земли составляет приблизительно 7 926 миль (12 753 км). Умножение на число пи дает длину окружности примерно 24 900 миль (40 065 километров). Чтобы обойти эту окружность за 24 часа, точка на поверхности Земли должна двигаться со скоростью 1038 миль в час (1669 км / ч). Запуск с мыса Канаверал во Флориде не получает такого большого увеличения скорости вращения Земли. Стартовый комплекс 39-А Космического центра Кеннединаходится на 28 градусах 36 минут 29,7014 секунды северной широты. Скорость вращения Земли составляет около 894 миль в час (1440 км / ч). Таким образом, разница в скорости поверхности Земли между экватором и Космическим центром Кеннеди составляет около 144 миль в час (229 км / ч). (Примечание: Земля на самом деле сплющенная - более толстая в середине - не идеальная сфера. По этой причине наша оценка окружности Земли немного мала.)
Учитывая, что ракеты могут лететь на тысячи миль в час, вы можете задаться вопросом, почему разница всего в 144 мили в час вообще имеет значение. Ответ в том, что ракеты вместе с их топливом и полезной нагрузкой очень тяжелые. Например, 11 февраля 2000 г. для запуска космического корабля «Индевор» потребовался запуск общей массой 4 520 415 фунтов (2 050 447 кг). Чтобы разогнать такую массу до 144 миль в час, требуется огромное количество энергии и, следовательно, значительное количество топлива. Запуск с экватора имеет большое значение.
Как только ракета достигает чрезвычайно разреженного воздуха на высоте около 120 миль (193 км), навигационная система ракеты запускает небольшие ракеты, которых ровно столько, чтобы перевести ракету-носитель в горизонтальное положение. Затем спутник освобождается. В этот момент снова запускаются ракеты, чтобы обеспечить некоторое разделение между ракетой-носителем и самим спутником.
Инерциальные системы наведения
Чтобы вывести спутник на нужную орбиту, необходимо очень точно управлять ракетой. Инерциальная система наведения (IGS) внутри ракеты делает возможным этот контроль. IGS определяет точное местоположение и ориентацию ракеты, точно измеряя все ускорения, которые испытывает ракета, с помощью гироскопов и акселерометров. Установленные в карданы, оси гироскопов остаются в одном направлении. Эта гироскопически устойчивая платформа содержит акселерометры, которые измеряют изменения ускорения по трем разным осям. Если он точно знает, где была ракета при запуске и какие ускорения испытывает ракета во время полета, IGS может рассчитать положение и ориентацию ракеты в космосе.
Орбитальная скорость и высота
Ракета должна разогнаться как минимум до 25 039 миль в час (40 320 км / ч), чтобы полностью избежать гравитации Земли и улететь в космос (подробнее о космической скорости см. В этой статье в НАСА).Космическая скорость Земли намного больше, чем требуется для вывода спутника Земли на орбиту. Со спутниками цель состоит не в том, чтобы избежать гравитации Земли, а в том, чтобы уравновесить ее. Орбитальная скорость - это скорость, необходимая для достижения баланса между силой тяжести на спутнике и инерцией движения спутника - стремление спутника продолжать движение. Это примерно 17 000 миль / ч (27 359 км / ч) на высоте 150 миль (242 км). Без гравитации инерция спутника унесет его в космос. Даже с учетом силы тяжести, если предполагаемый спутник летит слишком быстро, он в конечном итоге улетит. С другой стороны, если спутник летит слишком медленно, гравитация притянет его обратно к Земле. При правильной орбитальной скорости гравитация точно уравновешивает инерцию спутника, притягиваясь к центру Земли ровно настолько, чтобы путь спутника изгибался, как изогнутая поверхность Земли, а не летел по прямой.
Орбитальная скорость спутника зависит от его высоты над Землей. Чем ближе к Земле, тем выше требуемая орбитальная скорость. На высоте 124 мили (200 километров) требуемая орбитальная скорость составляет немногим более 17 000 миль в час (около 27 400 км в час). Чтобы поддерживать орбиту на высоте 22 223 миль (35 786 км) над Землей, спутник должен вращаться со скоростью около 7 000 миль в час (11300 км / ч). Эта орбитальная скорость и расстояние позволяют спутнику совершать один оборот за 24 часа. Поскольку Земля также вращается один раз в 24 часа, спутник на высоте 22 223 миль остается в фиксированном положении относительно точки на поверхности Земли. Поскольку спутник все время находится прямо над одним и тем же местом, такая орбита называется «геостационарной». Геостационарные орбиты идеально подходят для метеорологических спутников и спутников связи.
Как правило, чем выше орбита, тем дольше спутник может оставаться на орбите. На более низких высотах спутник сталкивается со следами атмосферы Земли, что создает сопротивление. Из-за сопротивления орбита разрушается, пока спутник не упадет обратно в атмосферу и не сгорит. На больших высотах, где космический вакуум почти полностью заполнен, сопротивление почти отсутствует, и такой спутник, как Луна, может оставаться на орбите веками.
Окно возможностей
Окно запуска - это особый период, в течение которого будет легче вывести спутник на орбиту, необходимую для выполнения его предполагаемой функции. Что касается космического челнока, чрезвычайно важным фактором при выборе окна запуска была необходимость безопасно сбить астронавтов, если что-то пойдет не так. Астронавты должны были достичь безопасной зоны приземления в сопровождении спасателей. Для других типов полетов, включая межпланетные исследования, стартовое окно должно позволять полету принимать наиболее эффективный курс к очень удаленному пункту назначения. Если погода плохая или возникла неисправность во время окна запуска, полет необходимо отложить до следующего окна запуска, подходящего для полета. Если спутник был запущен в неподходящее время суток при прекрасной погоде, спутник может оказаться на орбите, которая не пройдет мимо кого-либо из предполагаемых пользователей. Время решает все!
Типы спутников
Вы смотрите на первый в мире геостационарный спутник Syncom I. К сожалению, он перестал посылать сигналы всего за несколько секунд до того, как освоился на своей орбите. Независимо от того. NASA запустило Syncom II всего пять месяцев спустя.
На земле спутники могут выглядеть очень похоже - блестящие коробки или цилиндры, украшенные крыльями солнечных батарей. Но в космосе эти неуклюжие машины ведут себя по-разному в зависимости от траектории полета, высоты и ориентации. В результате классификация спутников может оказаться сложной задачей. Один из подходов - подумать о том, как устройство вращается вокруг своей целевой планеты (обычно Земли). Напомним, что есть две основные формы орбиты: круглая и эллиптическая. Некоторые спутники вначале имеют эллиптическую форму, а затем с помощью корректирующих толчков от небольших бортовых ракет приобретают круговые траектории. Другие постоянно движутся по эллиптическим траекториям, известным как орбиты Молния . Эти объекты обычно кружат с севера на юг над полюсами Земли, и на один полный путь у них уходит около 12 часов.
Спутники на полярной орбите также проходят над полюсами планеты при каждом обороте, хотя их орбиты гораздо менее эллиптические. Полярная орбита остается фиксированной в космосе, поскольку Земля вращается внутри орбиты. В результате большая часть Земли проходит под спутником на полярной орбите. Поскольку полярные орбиты обеспечивают превосходное покрытие планеты, они часто используются для спутников, которые занимаются картографированием и фотографированием. А синоптики полагаются на всемирную сеть полярных спутников, которая покрывает весь земной шар каждые 12 часов.
Вы также можете классифицировать спутники по их высоте над поверхностью Земли. Используя эту схему, можно выделить три категории:
- Низкие околоземные орбиты (НОО) - спутники НОО занимают область космоса от 111 миль (180 км) до 1243 миль (2000 км) над Землей. Спутники, приближающиеся к поверхности Земли, идеально подходят для проведения наблюдений, в военных целях и для сбора данных о погоде.
- Геосинхронные орбиты (GEO) - спутники GEO вращаются вокруг Земли на высоте более 22 223 миль (36 000 километров), а их период обращения такой же, как период вращения Земли: 24 часа. В эту категорию входят геостационарные (ГСО) спутники, которые остаются на орбите над фиксированной точкой на Земле. Не все геостационарные спутники являются геостационарными. Некоторые из них имеют эллиптические орбиты, что означает, что они дрейфуют на восток и запад над фиксированной точкой на поверхности в течение полного движения по орбите. Некоторые из них имеют орбиты, которые не совпадают с экватором Земли. Считается, что эти орбитальные траектории имеют степень наклона.. Это также означает, что путь спутника будет проходить к северу и югу от экватора Земли за одну полную орбиту. Геостационарные спутники должны летать над экватором Земли, чтобы оставаться в фиксированной точке над Землей. Несколько сотен спутников для телевидения, связи и погоды используют геостационарные орбиты. Это может быть довольно многолюдно.
- Средне-околоземные орбиты (MEO) - эти спутники паркуются между низко и высоко летящими, то есть примерно от 1243 миль (2000 километров) до 22 223 миль (36000 километров). Навигационные спутники, как и те, которые используются в автомобильном GPS, хорошо работают на такой высоте. Примерные характеристики такого спутника могут быть высотой миль (20 200 км) и орбитальной скоростью 8 637 миль в час (13 900 км / ч).
Известные спутники
В интерпретации этого художника Landsat проверяет привлекательный вид ниже.
Не так давно спутники были экзотическими, сверхсекретными устройствами, используемыми в основном в военных целях, например, для навигации и шпионажа. Теперь они неотъемлемая часть нашей повседневной жизни. Мы видим и признаем их использование в сводках погоды. Мы смотрим телевизионные сигналы, передаваемые DIRECTV и DISH Network. В наших автомобилях и смартфонах есть GPS-приемники, которые помогут нам найти дорогу в любой пункт назначения. И мы восхищаемся изображениями, полученными космическим телескопом Хаббла, и выходками астронавтов, живущих на Международной космической станции.
И все же многие спутники ускользают от нашего внимания. Давайте познакомимся с некоторыми из этих невоспетых орбитальных героев.
Landsat спутники делают снимки Земли с начала 1970-х годов, предлагая самые длительные непрерывные глобальные записи поверхности нашей планеты. Landsat 1, известный в то время как спутник технологии земных ресурсов (ERTS), был запущен 23 июля 1972 года. На нем было два основных инструмента - камера, созданная RCA, и мультиспектральный сканер, любезно предоставленный Hughes Aircraft Company, способный запись данных в зеленом, красном и двух инфракрасных диапазонах. Спутник дал такие потрясающие изображения и был признан настолько успешным, что за ним последовала серия спутников. НАСА запустило самое последнее дополнение, Landsat 8, 11 февраля 2013 года. Устройство содержит два датчика наблюдения Земли, Operational Land Imager (OLI) и тепловой инфракрасный датчик (TIRS), которые собирают мультиспектральные изображения прибрежных регионов. полярные льды, острова и континенты.
Геостационарные оперативные спутники окружающей среды (GOES) вращаются вокруг Земли на геостационарных орбитах, каждый из которых парит над определенной областью земного шара. Это позволяет спутникам пристально следить за атмосферой и обнаруживать меняющиеся погодные условия, которые могут привести к торнадо, ураганам, внезапным наводнениям и грозам. Метеорологи используют эту информацию для выпуска часов и предупреждений о суровой погоде. Они также могут использовать изображения GOES для оценки количества осадков и накопления снега, измерения площади снежного покрова и отслеживания движения морского и озерного льда. С 1974 года на орбиту были выведены 15 спутников GOES, но в любой момент времени требуется два из этих устройств - GOES East и GOES West, чтобы увидеть погоду на Земле.
Джейсон-1 и Джейсон-2сыграли ключевую роль в долгосрочном анализе океанов Земли. НАСА запустило Jason-1 7 декабря 2001 года, чтобы взять на себя обязанности спутника NASA / CNES Topex / Poseidon, который вращался вокруг Земли с 1992 года. В течение почти 12 лет Jason-1 отображал уровень моря, скорость ветра и высота волн для более чем 95 процентов свободных ото льда океанов Земли. Миссия произвела революцию в изучении циркуляции океана и предоставила данные, указывающие на повышение уровня моря на планете. НАСА официально списало "Джейсон-1" 3 июля 2013 года, но это не остановило работу по наблюдению за океаном. В 2008 году космическое агентство запустило преемника Джейсона-1 с базы ВВС Ванденберг в Калифорнии. Jason-2 оснащен высокоточными приборами для измерения расстояния между спутником и поверхностью океана с точностью до нескольких сантиметров. Эти измерения топографии океана дают ученым информацию о том, насколько быстро движутся океанские течения и сколько тепла хранится в океане. Эти данные, в свою очередь, дают представление о глобальных климатических моделях.
Больше спутниковых суперзвезд
Художественная концепция космического телескопа Джеймса Уэбба
У 66 спутников связи Иридиум орбита на 500 миль (800 км) над поверхностью Земли вызвала ажиотаж на многих фронтах. Iridium LLC, первоначальный владелец спутников, потратила 5 миллиардов долларов на создание и развертывание машин, а затем продала их за 25 миллионов в 1999 году, когда компания обанкротилась. Затем, в 2009 году, Иридиум 33 столкнулся с выведенным из эксплуатации российским спутником над Сибирью, создав большое поле космического мусора и мусора, которое останется на орбите еще долгие годы. Сегодня Iridium Communications Inc. владеет и управляет спутниками, которые позволяют абонентам использовать спутниковые телефоны для связи из любой точки земного шара. Звездочетам также нравится Иридиум, потому что спутники в «созвездии» легко обнаружить, особенно когда их антенные решетки улавливают солнечный свет и ярко вспыхивают в ночном небе.
OSCAR (орбитальный спутник Проведение любительского радио) серия спутников облегчить связь между любительскими радиостанциями. Они построены и эксплуатируются некоммерческой организацией операторов радиолюбителей по всему миру, известной как AMSAT. Спутники, созданные AMSAT, "сцепляют" запуск ракеты по принципу "полезная нагрузка - доступное пространство". По этой причине устройства обычно довольно малы и не имеют силовых установок, которые могли бы мешать основной полезной нагрузке ракеты. Спутники AMSAT часто можно услышать с помощью коротковолнового приемника или радиосканера. Операторы радиолюбителей используют спутники во время стихийных бедствий, когда наземные линии связи и системы сотовой связи могут быть отключены или перегружены.
Космические телескопы - это спутники, которые смотрят в сторону от Земли. Со своих орбит высоко над нашей атмосферой они могут видеть Вселенную без каких-либо искажений или помех. Вы, несомненно, видели некоторые из впечатляющих изображений, полученных с космического телескопа Хаббла (HST), который вышел на свою орбиту на высоте 308 миль (570 километров) над Землей в 1990 году. HST имеет очень сложную систему управления, позволяющую телескопу указывать в одном и том же месте в космосе в течение нескольких часов или дней (несмотря на то, что телескоп движется со скоростью 17 000 миль в час / 27 359 км / ч!). Система содержит гироскопы, акселерометры, систему стабилизации реактивного колеса, подруливающие устройства и набор датчиков, которые следят за направляющими звездами для определения позиции. В 2018 году НАСА планирует запустить спутник Хаббла - космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST). JWST будет наблюдать инфракрасный свет от очень далеких объектов и будет делать это со специальной эллиптической орбиты, известной как L2, расположенной в 932 000 (1,5 миллиона километров) от Земли!
Сколько стоят спутники?
За годы, последовавшие за спутниками Sputnik и Explorer 1, спутники стали больше и сложнее. Рассмотрим TerreStar-1, коммерческий спутник, разработанный для обеспечения мобильной передачи голоса и данных в Северной Америке с мобильных телефонов размером со смартфон. TerreStar-1, запущенный в производство в 2009 году, весил 15 233 фунта (6910 кг). И когда он был полностью развернут, он развернул антенну S-диапазона размером 60 футов (18 метров) в поперечнике и массивные солнечные панели, что дало последнему устройству размах крыльев 106 футов (32 метра).Для создания такой сложной машины требуется много ресурсов, поэтому исторически только правительственные агентства и корпорации с большими карманами могли заниматься спутниковым бизнесом. Большая часть затрат связана со спутниковым оборудованием - транспондерами, компьютерами и камерами. Типичный метеорологический спутник стоит 290 миллионов долларов; спутник-шпион может стоить дополнительно 100 миллионов долларов. Затем есть расходы на обслуживание и ремонт спутников. Компании должны платить за пропускную способность спутниковой связи так же, как владельцы сотовых телефонов должны платить за передачу голоса и данных. Эти затраты на пропускную способность могут превысить 1,5 миллиона долларов в год!
Еще один важный фактор со спутниками - стоимость запуска. Запуск одного спутника в космос может стоить от 10 до 400 миллионов долларов, в зависимости от используемого аппарата. Небольшая ракета-носитель, такая как ракета Pegasus XL, может поднять 976 фунтов (443 кг) на низкую околоземную орбиту примерно за 13,5 миллиона долларов. Получается, что это почти 14000 долларов за фунт. С другой стороны, тяжелая ракета-носитель стоит дороже для запуска, но также обеспечивает большую подъемную силу. Например, ракета Ariane 5G может поднять 39 648 фунтов (18 000 кг) на низкую околоземную орбиту при затратах в 165 миллионов долларов. Это дает 4 162 доллара за фунт, что делает его более рентабельным в расчете на фунт. (Обратите внимание, что все денежные показатели приведены в долларах США 2000 г.)
Несмотря на затраты и риски, связанные со строительством, запуском и эксплуатацией спутников, некоторым компаниям удалось расширить свой бизнес в области космических технологий. Boeing - одна из таких компаний. Подразделение обороны, космоса и безопасности сумело поставить 10 спутников в 2012 году и получить заказы еще на семь, что обеспечило доход бизнес-подразделения почти в 32 миллиарда долларов.
Как я могу увидеть воздушный спутник?
Международная космическая станция проходит над озером Боу в Банфе, Альберта, Канада, 20 августа 2011 года. Эта фотография представляет собой мозаику из пяти 40-секундных снимков с промежутками в следе, вызванными односекундными интервалами между кадрами. . Иридиевая ракета также пробила след МКС.
Когда вы думаете о наблюдении за звездами, вы, вероятно, представляете себе человека, стоящего за телескопом и изучающего кратеры на Луне, пятна и полосы на ржавой поверхности Марса, кольца Сатурна или галактики Местной группы. Но многие астрономы-любители, даже не имеющие дорогой оптики, получают огромное удовольствие от обнаружения спутников на орбите вокруг Земли. Если вы хотите принять участие в действии, вот несколько советов:
- Во-первых, вы можете видеть спутники вообще без каких-либо инструментов, но полезно иметь хороший бинокль. После этого нужно выйти в нужное время - сразу после заката или незадолго до восхода, когда на земле темно, но солнечные лучи все еще достигают высоких высот, где находятся спутники.
- Выберите стул, который позволяет вам удобно откидываться и сориентировать его так, чтобы вы могли видеть широкий простор неба. Неважно, в каком направлении вы смотрите.
- Медленно проведите по небу, время от времени останавливаясь, чтобы сосредоточиться на одной области. Если вы проявите терпение, вы вскоре сможете заметить яркую точку света, медленно движущуюся на фоне звезд. Вы не можете спутать спутники с метеорами или самолетами, потому что первые быстро проходят по небу, прежде чем выгореть, а вторые обычно сопровождаются миганием огней и шумом двигателя. Спутники движутся стабильно и внимательно, часто на переход от одного горизонта к другому требуется от трех до пяти минут.
- Вы можете ожидать увидеть от 10 до 20 спутников в час после сумерек. Они часто путешествуют с запада на восток, но некоторые перемещаются с севера на юг или с юга на север. Это могут быть спутники наблюдения, используемые для слежки за другими странами.
Конечно, ни одна экспедиция по наблюдению со спутников не будет полной без просмотра каких-то специальных спутников. Кувыркающиеся космические корабли - одно из таких удовольствий. Обычно это мертвые спутники, которые остаются на орбите, но теперь вращаются вокруг одной или нескольких осей. Когда они вращаются, их поверхности отражают солнечный свет, заставляя объекты вспыхивать при движении по небу. Спутники в созвездии Иридиум также могут предоставить аналогичные возможности. Так называемые иридиевые вспышки возникают из-за того, что каждый спутник имеет необычную шестигранную форму, которая легко отражает свет в сторону наблюдателей с Земли. Одиночная вспышка может светиться с видимой величиной намного большей, чем Венера.
Международная космическая станция (МКС) из-за своих огромных размеров также светится так же ярко, как Венера или Юпитер. Но это может быть сложно увидеть, потому что он остается близко к горизонту и проходит через «периоды видимости» - времена, когда его легче обнаружить, чем других. Такие источники, как Heavens Above, могут сказать вам, когда и где искать, чтобы мельком увидеть МКС. Вам потребуются ваши координаты долготы и широты, которые можно получить в Геологической службе США, и точное измерение времени.
Будущее спутников
На этой иллюстрации показано, как CubeSat1 может использовать свой радар и лазерный датчик поперечного сечения для измерения расстояния и относительного движения другого спутника (CubeSat2 слева).
За более чем пять десятилетий после запуска спутника спутники, а также их бюджеты, как правило, увеличивались. Соединенные Штаты, например, потратили 200 миллиардов долларов на свою военную спутниковую программу с момента ее создания и теперь, несмотря на инвестиции, имеют парк устаревших устройств, которые не ждут своей очереди на замену. Многие эксперты опасаются, что создание и развертывание больших спутников просто нерационально, по крайней мере, для государственных учреждений, финансируемых налогоплательщиками. Одно из решений - передать спутниковые программы частным интересам, таким как SpaceX, Virgin Galactic или другим космическим компаниям, которые часто не страдают такой же бюрократической неэффективностью, как НАСА, Национальное разведывательное управление и Национальное управление океанических и атмосферных исследований.
Другое решение включает уменьшение размера и сложности спутников. Ученые из Калифорнийского политехнического государственного университета и Стэнфордского университета с 1999 года работают над новым типом спутника под названием CubeSat, который основан на строительных блоках размером всего 4 дюйма (10 сантиметров) со стороной. Каждый куб получает готовые компоненты и может быть объединен с другими кубами, обычно от разных команд, для создания более сложной полезной нагрузки. За счет стандартизации конструкции и распределения затрат на разработку между несколькими сторонами стоимость спутника не увеличивается так сильно. Один космический корабль CubeSat может стоить менее 100 000 долларов для разработки, запуска и эксплуатации.
В апреле 2013 года НАСА проверило этот базовый принцип, запустив три CubeSat, построенных на базе коммерческих смартфонов. Целью было вывести микроспутники на орбиту на короткое время и собрать с телефонов фотографии и системные данные. НАСА запустило спутники 21 апреля, а через шесть дней они снова вошли в атмосферу Земли. Теперь агентство изучает, как они могут развернуть обширную сеть CubeSats для скоординированной долгосрочной миссии.
Большие или малые спутники будущего должны иметь возможность эффективно связываться со станциями земного базирования. Исторически сложилось так , НАСА полагались на радио частоты (РЧ) связи, но РФ достигает своего предела , поскольку спрос на более возрастает мощности. Чтобы преодолеть это препятствие, ученые НАСА разработали систему двусторонней связи, основанную на лазерах, а не на радиоволнах. Оборудование для проведения испытаний было использовано в программе NASA Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer, которая была запущена в сентябре 2013 года и направилась к Луне, где она начала вращаться по орбите и собирать информацию о лунной атмосфере. 18 октября 2013 г. исследователи вошли в историю, когда использовали импульсный лазерный луч для передачи данных на расстояние 239 000 миль (384 633 км) между Луной и Землей с рекордной скоростью загрузки 622 мегабита в секунду.
Для получения дополнительной информации о спутниках и связанных темах перейдите по ссылкам ниже.
