Geostacionární orbita. Zemní umělé satelity

Co je to geostacionární oběžná dráha? Toto je kruhové pole, které se nachází nad rovníkem Země, a to prostřednictvím umělého družice úhlová rychlost otáčení planety kolem osy. Nemění směr ve vodorovném souřadnicovém systému, ale visí nehybně na obloze. Geostacionární oběžná dráha (GSO) Jedná se o druh geosynchronního pole a slouží k umístění komunikace, televize a dalších družic.

Myšlenka používání umělých zařízení

Koncept geostacionární orbity byl iniciován ruským vynálezcem K. E. Tsiolkovskim. Ve svých dílech navrhl kolonizovat prostor pomocí orbitálních stanic. Zahraniční vědci také popsali práci kosmických polí, například G. Oberta. Osoba, která vyvinula koncept komunikace na oběžné dráze, je Arthur Clark. V roce 1945 vložil článek do časopisu "Wireless World", kde popsal výhody práce geostacionárního pole. Pro aktivní práci v této oblasti na počest orbety vědce obdržel jeho druhé jméno - "Clarkův pás". Přes problém implementace vysoce kvalitní komunikace si mysleli mnozí teoretici. Takže Herman Potochnik v roce 1928 navrhl, jak mohou být geostacionární družice použity.

Clarke Belt Feature

Aby mohla být oběžná dráha nazývána geostacionární, musí splňovat několik parametrů:

1. Geosynchrony. Tato charakteristika zahrnuje pole, které má období odpovídající období revoluce Země. Geosynchronní družice dokončuje revoluci kolem planety v hvězdném dni, což je 23 hodin 56 minut a 4 sekundy. Stejný čas je nutný pro to, aby Země vykonala jednu otáčku v pevném prostoru.

2. K udržení satelitu na určitém místě musí být geostacionární oběžná dráha kruhová, s nulovým sklonem. Eliptické pole vede k posunu buď na východ nebo na západ, protože se zařízení pohybuje v určitých bodech na oběžné dráze různými způsoby.

3. "Bod vznášení" prostorového mechanismu by měl být na rovníku.

4. Umístění družic na geostacionární oběžné dráze by mělo být takové, aby malý počet kmitočtů určených pro komunikaci nevedl k uložení frekvencí různých zařízení během příjmu a přenosu, ani k zabránění jejich kolize.

5. Dostatek paliva pro udržení polohy prostorového mechanismu.

Geostacionární družicová dráha je jedinečná tím, že vozidlo může být stacionární pouze s kombinací jeho parametrů. Dalším rysem je schopnost vidět Zemi v úhlu sedmnáct stupňů od satelitů umístěných na vesmírném poli. Každé zařízení přerůstá asi jednu třetinu povrchu orbitálu, proto jsou tři mechanismy schopné pokrýt téměř celou planetu.

Umělé satelity

Letadla rotuje se kolem země geocentricky. K výstupu použijte vícestupňovou raketu. Jedná se o kosmický mechanismus, který řídí reaktivní sílu motoru. Pro pohyb na oběžné dráze musí umělé satelity Země mít počáteční rychlost, která odpovídá prvnímu prostoru. Jejich lety jsou prováděny ve výšce nejméně několika set kilometrů. Doba oběhu přístroje může být několik let. Umělé satelity Země mohou být spouštěny z desek jiných zařízení, například orbitálních stanic a lodí. UAV mají hmotnost až dva desítky tun a velikost až několika desítek metrů. Dvacáté první století bylo poznamenáno zrodem zařízení s velmi nízkou hmotností - až několik kilogramů.

Satelity byly zahájeny mnoha zeměmi a společnostmi. První umělý přístroj na světě byl vytvořen v SSSR a letěl do vesmíru 4. října 1957. Nesl název "Sputnik-1". V roce 1958 zahájily Spojené státy druhou jednotku - Explorer 1. První satelit, který byl spuštěn NASA v roce 1964, byl pojmenován Syncom-3. Umělá zařízení jsou většinou nevratitelná, ale existují ty, které jsou částečně nebo úplně vráceny. Jsou používány k provádění výzkumu a řešení různých problémů. Existují tedy vojenské, výzkumné, navigační družice a další. Dále jsou spuštěna zařízení vytvořená pracovníky univerzity nebo rádioamatéři.

"Bod stání"

Geostacionární družice se nacházejí v nadmořské výšce 35786 kilometrů. Tato výška poskytuje periodu otáčení, která odpovídá době cirkulace Země ve vztahu k hvězdám. Umelý přístroj je stacionární, a proto se jeho poloha v geostacionární oběžné dráze nazývá "stojící bod". Hangup poskytuje neustálou dlouhodobou komunikaci, kdymile orientovaná anténa bude vždy nasměrována na požadovaný satelit.

Pohyb

Satelity mohou být přenášeny z nízké oběžné dráhy na geostacionární pomocí geo-přechodných polí. Ty jsou eliptické dráhy s bodem v nízké nadmořské výšce a vrcholem ve výšce blízké geostacionárnímu kruhu. Satelit, který se stal nevhodným pro další práci, je poslán na pohřební oběžnou dráhu, která se nachází 200-300 kilometrů nad GSO.

Geostaciární oběžná dráha

Satelit v tomto poli je udržován v určité vzdálenosti od Země, aniž by se blížil nebo se vzdálil. Vždy se nachází nad jakýmkoli rovníkem. Na základě těchto vlastností vyplývá, že gravitační síly a odstředivá síla se navzájem vyrovnávají. Výška geostacionární oběžné dráhy se vypočítá metodami založenými na klasické mechaniky. To zohledňuje soulad gravitačních a odstředivých sil. Hodnota prvního množství je určena hodnotou zákon světa Newton. Index odstředivé síly se vypočítá výpočtem hmotnosti satelitu o centrální zrychlení. Výsledkem rovnosti gravitační a inerciální hmoty je závěr, že výška oběžné dráhy nezávisí na hmotnosti družice. Proto je geostacionární oběžná dráha určována pouze výškou, při níž je odstředivá síla stejná ve velikosti a opačně ve směru gravitační síly vytvořené přitažením Země v dané výšce.

Ze vzorce pro výpočet centrietálního zrychlení lze najít úhlovou rychlost. Poloměr geostacionární oběžné dráhy je také určen tímto vzorem nebo dělením geocentrického gravitační konstanta na úhlové rychlosti na čtverec. Je to 42164 kilometrů. Vzhledem k rovníku poloměru Země získáme výšku 35786 kilometrů.

Výpočty mohou být provedeny jiným způsobem na základě tvrzení, že výška orbity reprezentující vzdálenost od středu Země s úhlovou rychlostí satelitu, která se shoduje s pohybem rotace planety, vede k lineární rychlosti, která se rovná první prostorové rychlosti v dané výšce.

Rychlost v geostacionární oběžné dráze. Délka

Tento indikátor se vypočte vynásobením úhlové rychlosti poloměrem pole. Hodnota rychlosti na oběžné dráze je 3,07 kilometrů za sekundu, což je mnohem menší než první kosmická rychlost na dráze blízké Zemi. Chcete-li snížit rychlost, je nutné zvýšit poloměr oběžné dráhy o více než šestkrát. Délka se vypočítá vynásobením počtu pi poloměrem vynásobeným dvěma. To je 264924 kilometrů. Indikátor je zohledněn při výpočtu "stojících bodů" družic.

Vliv sil

Parametry oběžné dráhy, podél které se kreslí umělý mechanismus, se mohou měnit pod vlivem gravitačních lunárně-slunečních perturbací, heterogenity zemského pole a elipticity rovníku. Transformace pole je vyjádřena v takových jevech jako:

1. Přemístění satelitu z jeho polohy podél oběžné dráhy směrem k bodům stabilní rovnováhy, které se nazývají potenciální vrty geostacionární orbity.
2. Úhel sklonu pole k rovníku roste s určitou rychlostí a dosáhne 15 stupňů jednou za 26 let a 5 měsíců.

Chcete-li udržet satelit v požadovaném "bodě stojanu", je vybaven pohonným systémem, který obsahuje několikrát za 10-15 dní. Abychom kompenzovali růst orbitálního sklonu, používáme korekci mezi severem a jihem a kompenzovat posun po poli, použijeme korekci na západ-východ. Pro regulaci dráhy satelitu po celou dobu jeho provozu je na palubě nutná velká dodávka paliva.

Pohonné systémy

Výběr adaptace je dán individuálními technickými vlastnostmi satelitu. Například chemický raketový motor má přemísťovací přívod paliva a pracuje na dlouho skladovaných vysokovroucích složkách (diazotický tetroxid, asymetrický dimethylhydrazin). Plazmové přístroje mají podstatně méně chuti, ale na úkor dlouhé práce, která je měřena v desítkách minut za jediný pohyb, může výrazně snížit množství spotřebovaného paliva na palubě. Tento typ pohonného systému slouží k manévrování přenosu družice do jiné orbitální polohy. Hlavním limitujícím faktorem životnosti zařízení je zásoba paliva v geostacionární oběžné dráze.

Nevýhody umělého pole

Významnou vadou v interakci s geostacionárními družicemi je velké zpoždění šíření signálu. Takže při rychlosti světla 300 tisíc kilometrů za sekundu a výšce oběžné dráhy 35786 kilometrů trvá paprsek "Země-družice" asi 0,12 sekundy a "Země-satelit - Země" - 0,24 sekundy. Vzhledem k zpoždění signálu v zařízeních a kabelových systémech zemních služeb, celkové zpoždění signálu družice zdroje-přijímače dosáhne přibližně 2-4 sekund. Toto číslo výrazně komplikuje používání zařízení na oběžné dráze v telefonování a znemožňuje použití satelitní komunikace v systémech v reálném čase.

Další nevýhodou je neviditelnost geostacionární orbity z velkých zeměpisných šířek, která zasahuje do vodivosti komunikačních a televizních vysílání v oblastech Arktidy a Antarktidy. V situacích, kdy je sluneční a satelitní vysílač v souladu s přijímací anténou, dochází k poklesu a někdy k úplnému nedostatku signálu. V geostacionárních oběžných drahách, které jsou způsobeny nehybností družice, se tento jev nejzřetelněji projevuje.

Dopplerovský efekt

Tento jev spočívá ve změně frekvence elektromagnetických vibrací společným postupem vysílače a přijímače. Fenomén je vyjádřen změnou vzdálenosti v čase, stejně jako pohybem umělých vozidel na oběžné dráze. Efekt se projevuje jako nestabilita nosné frekvence satelitních kmitů, která se přidává k instrumentální nestabilitě frekvence palubního zesilovače a pozemské stanice, což komplikuje příjem signálu. Dopplerovský efekt přispívá ke změně frekvence modulačních vibrací, které nelze ovládat. V případě, že se na oběžné dráze používají komunikační družice a družice s přímým televizním vysíláním, je tento jev prakticky eliminován, to znamená, že v místě příjmu nejsou žádné změny úrovně signálu.

Postoj ve světě k geostacionárním polím

Vesmírná oběžná dráha svého narození vyvolala mnoho otázek a mezinárodních právních problémů. Oni se zabývají řadou výborů, zejména Organizace spojených národů. Některé země, které se nacházejí na rovníku, tvrdily, že rozšiřují svou svrchovanost o část vesmírného pole ležící nad jejich území. Státy prohlásily, že geostacionární oběžná dráha je fyzikální faktor, který je spojen s existencí planety a závisí na gravitačním poli Země, a proto jsou polní segmenty pokračováním území jejich zemí. Ale takové tvrzení byly odmítnuty, protože svět má zásadu nepoužití vesmíru. Všechny problémy spojené s provozem oběžných drah a satelitů jsou vyřešeny na světové úrovni.