Rövid leírás
A mesterséges földi műhold (AES) egy geocentrikus pályán a Föld körül keringő űreszköz.
A Föld körüli pályán való mozgáshoz az eszköz kezdeti sebességének meg kell egyeznie az első szökési sebességgel, vagy kicsit nagyobbnak kell lennie annál.
Bevezetés …………………………………………………………………………………2
1 A műholdak típusainak osztályozása………………………………………………………………………
1.1. Kommunikációs műhold………………………………………………………………………..2
2.1 Keringenek mesterséges műholdak Föld …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
2.2 A műholdak pályáinak felosztása……………………………………………………………..6
2.2.1 A műholdak pályáinak dőlésszög szerinti osztályozása………………………….………6
2.2.1.1 Egyenlítői pályák……………………………………………………..7
2.2.1.2 Poláris pályák……………………………………………………………..7
2.2.1.3 Napszinkron pályák…………………………………………………….8
2.2.2 A műholdak pályáinak osztályozása a félnagytengely nagysága szerint………….….9
2.2.2.1 Alacsony pályás műholdak (LEO)……………………………………………………9
2.2.2.2 Közepes pályás műholdak (MEO)……………………………………………..9
2.2.2.3 Geostacionárius és geoszinkron műholdpályák………………………….9
2.2.2.4 Magas pályán lévő műholdak (HEO)…………………………………………………12
3 Következtetés…………………………………………………………………………..13
Hivatkozások………………………………………………………………………14
Fájlok: 1 fájl
Az eldobható többfokozatú hordozórakéta működési elve a következő: amíg az első fokozat üzemel, addig a többi a valós rakományával együtt az első lépcső rakományának tekinthető. Elválasztása után a második elkezd dolgozni, amely a következő szakaszokkal és a valódi hasznos teherrel együtt egy új független rakétát alkot. A második szakaszban az összes további (ha van ilyen), a valódi hasznos teherrel együtt, hasznos teher szerepét tölti be, és így tovább, azaz repülését több szakasz jellemzi, amelyek mindegyike mintegy egy szakasz a kezdeti sebesség közlésére az összetételében szereplő más egyfokozatú rakétákkal. Ebben az esetben minden következő egyfokozatú rakéta kezdeti sebessége megegyezik az előző végső sebességével. A hordozó első és következő szakaszának elutasítását az üzemanyag teljes kiégése után hajtják végre a meghajtórendszerben.
Azt az utat, amelyet a hordozórakéta megtesz, amikor egy mesterséges műholdat pályára állít, repülési útvonalnak nevezzük. Aktív és passzív területek jellemzik. A repülés aktív fázisa a hordozórakéta fokozatainak áthaladása járó hajtóművek mellett, a passzív fázis a kiégett rakétaegységek repülése a hordozórakétáról való leválasztásuk után.
A hordozó függőlegesen indulva (1. ábra 1. szelvény, 185 ... 250 km magasságban található), majd keleti irányban a görbe vonalú aktív 2. szakaszra megy. Ebben a szakaszban az első szakasz a tengelyének a lokális horizonthoz viszonyított dőlésszögének fokozatos csökkentését biztosítja. 3., 4. szakasz - rendre a második és harmadik fokozat repülésének aktív szakaszai, 5 - a műhold pályája, 6, 7 - az első és második fokozat rakétablokkjainak repülésének passzív szakaszai
A műhold megfelelő pályára állításánál fontos szerepet játszik a hordozórakéta kilövésének ideje és helye. Kiszámítások szerint előnyösebb a kozmodromot az egyenlítőhöz minél közelebb helyezni, hiszen keletre gyorsulva a hordozórakéta további sebességet nyer. Ezt a sebességet a Vk kozmodróm kerületi sebességének nevezzük, vagyis a Föld tengelye körüli mozgásának sebességét napi forgatás bolygóknál, azaz az egyenlítőnél 465 m/s, a Bajkonuri kozmodróm szélességi fokán pedig
316 m/s. Ez a gyakorlatban azt jelenti, hogy ugyanarról a hordozórakétáról egy nehezebb műholdat is fel lehet indítani az egyenlítőről. A hordozórakéta repülésének utolsó szakasza egy mesterséges műhold pályára állítása, amelynek alakját a műhold által a rakétából átadott mozgási energia, azaz a hordozó végsebessége határozza meg. Abban az esetben, ha a műhold elegendő energiát kap a GEO-ra való kilövéséhez, a hordozórakétának a Földtől 35 875 km-re lévő pontra kell vinnie, és ezzel egyidejűleg 3075 m/-es sebességről tájékoztatnia kell. s.
Egy geostacionárius műhold keringési sebessége könnyen kiszámítható. A GSO magassága a Föld felszíne felett 35 786 km, a GSO sugara 6 366 km-rel nagyobb (a Föld átlagos sugara), azaz 42 241 km. A GSO sugár értékét megszorozva 2 literrel (6,28), megkapjuk a kerületét - 265 409 km. Ha elosztjuk a nap másodpercekben mért időtartamával (86 400 s), akkor megkapjuk a műhold keringési sebességét - átlagosan 3,075 km/s, vagyis 3075 m/s.
Általában a műholdak hordozórakétával történő felbocsátása négy szakaszban történik: belépés a kezdeti pályára; belépés a "várakozó" pályára (parkolópálya); transzfer pályára lépés; kilépés a végső pályára.
2.2 A műholdak pályáinak felosztása.
A pályák fő felosztását a pálya "i" dőlésének nagysága és az "a" félnagy tengely értéke adja. Ezenkívül megkülönböztethető az osztás az "e" excentricitás nagysága szerint - alacsony elliptikus és erősen elliptikus pályák. A pálya alakjának változását az excentricitás különböző értékei esetén a 1. ábra mutatja be. 2.
Rizs. 2. Változás elliptikus pálya formájában at különböző jelentések excentricitás "e".
A műholdpályák dőlésszög szerinti osztályozása
Általános esetben a műhold pályájának dőlése a 0°-os tartományban van< "i" < 90° (рис. 3). В зависимости от значение наклонения и высоты ИСЗ над поверхностью Земли, положение областей его видимости имеют различные границы широты, а в зависимости от высоты над поверхностью - и различный радиус этих областей. Чем больше наклонение, тем на более северных широтах может быть виден спутник, а чем он выше - тем шире область видимости. Таким образом, наклонение "i" и большая полуось "a" определяют перемешение по поверхности Земли полосы видимости ИСЗ и её ширину.
Általános esetben a pályaparaméterek az "i" dőléstől, az "a" félnagytengelytől és az "e" excentricitástól függően alakulnak.
Rizs. 3. 0°-os dőlésszögű műholdpálya általános esete< "i" < 90°.
Egyenlítői pályák
Az egyenlítői pálya a pálya szélső esete, amikor az "i" dőlésszöge 0° (4. ábra). Ebben az esetben a pálya precessziója és forgása maximális lesz - legfeljebb 10°/nap, illetve legfeljebb 20°/nap. Az Egyenlítő mentén elhelyezkedő műhold láthatósági sávjának szélességét a Föld felszíne feletti magassága határozza meg. Az alacsony dőlésszögű „i” pályákat gyakran „közeli egyenlítőinek” nevezik.
Rizs. 4. Egyenlítői pálya.
sarki pályák
A poláris pálya a pálya második szélső esete, amikor az "i" dőlésszög 90° (5. ábra). Ebben az esetben a pálya precessziója nincs, és a pálya forgása a műhold forgásával ellentétes irányban történik, és nem haladja meg az 5°/nap értéket. Egy ilyen sarki műhold következetesen áthalad a Föld felszínének minden részén. A műhold láthatósági sávjának szélességét a Föld felszíne feletti magassága határozza meg, de előbb-utóbb bármely pontról látható a műhold. A 90°-hoz közeli „i” dőlésszögű pályákat „szubpolárisnak” nevezzük.
Rizs. 5. Poláris pálya.
Napszinkron pályák
Rizs. 6. Napszinkron pálya.
Sun Synchronous Orbit (SSO) - különleges fajta a Föld felszínéről képeket készítő műholdak által gyakran használt pálya. Olyan paraméterekkel rendelkező pályáról van szó, hogy a műhold megközelítőleg azonos helyi napidőben halad át a Föld bármely pontja felett. Egy ilyen műhold mozgása szinkronban van a terminátorvonal mozgásával a Föld felszínén - ennek köszönhetően a műhold mindig át tud repülni a nap által megvilágított és meg nem világított terület határán, vagy mindig megvilágított területen. , vagy fordítva – mindig éjszaka, és a fényviszonyok a Föld ugyanazon pontja felett repülve mindig ugyanazok. E hatás eléréséhez a pályának a Föld forgásával ellentétes irányban (azaz kelet felé) kell mozognia évente 360°-kal, hogy kompenzálja a Föld Nap körüli forgását. Az ilyen feltételek csak a pálya magasságának és dőlésszögének bizonyos tartományában teljesülnek - ezek általában 600-800 km magasságok, és az "i" dőlésszögnek körülbelül 98°-nak kell lennie, azaz. A napszinkron pályákon az AES fordított mozgású (6. ábra). A műhold repülési magasságának növekedésével a dőlésnek növekednie kell, ami miatt nem repül át a sarki régiók felett. A napszinkron pályák általában közel vannak a köralakúhoz, de észrevehetően elliptikusak is lehetnek. A zavarok hatására a műhold fokozatosan kilép a szinkronizálásból, ezért időnként hajtóművek segítségével korrigálnia kell a pályáját.
A műholdak pályáinak osztályozása a fél-nagy tengely szerint
A második osztályozás a fél-nagy tengely nagysága, pontosabban a Föld felszíne feletti magassága szerint történik.
Alacsony pályás műholdak (LEO)
Az alacsony pályán keringő műholdakat (LEO (orosz), 7. ábra, a) általában a Föld felszíne felett 160-2000 km magasságú műholdaknak tekintik. Az ilyen pályákat (és műholdakat) az angol nyelvű szakirodalom LEO-nak (az angol "Low Earth Orbit" szóból) nevezi. A LEO-pályákon a Föld gravitációs mezeje és felső légköre a legnagyobb zavarásnak van kitéve. A LEO műholdak szögsebessége maximális - 0,2 ° / s és 2,8 ° / s között, a forgási periódusok 87,6 perc és 127 perc között vannak.
Rizs. 7. Alacsony pályán járó műholdak (a) és közepes pályás műholdak (b).
Középpályás műholdak (MEO)
A közepes pályás műholdakat (SOS (orosz) vagy "MEO" - az angol "Medium Earth Orbit" szóból) általában olyan műholdaknak tekintik, amelyek magassága 2000-35786 km a Föld felszíne felett (7. ábra, b). Az alsó határt a LEO határ, a felső határt pedig a geostacionárius műholdpálya határozza meg. Ezt a zónát főként a navigációs műholdak (a „GPS” rendszer „NAVSTAR” műholdai 20 200 km magasságban, a „GLONASS” rendszer műholdai – 19 100 km magasságban) és a Földet lefedő kommunikáció „foglalják el” pólusok. A keringési idő 127 perctől 24 óráig tart. Szögsebesség - ívperc egységei és töredékei másodpercenként.
Geostacionárius és geoszinkron műholdpályák
A geostacionárius műholdak (GSS (orosz) vagy "GSO" - az angol "Geosynchronous Orbit" szóból) olyan műholdak, amelyeknek a Föld körüli keringési periódusa megegyezik a sziderális (sziderális) napokkal - 23 óra 56 perc 4,09 s. Ha a pálya "i" dőlése nulla, akkor az ilyen pályákat geostacionáriusnak nevezzük (8. ábra, a). A geostacionárius műholdak 35 786 km-es magasságban repülnek a Föld felszíne felett. Mert forgási periódusuk egybeesik a Föld tengelye körüli forgási periódusával, ekkor az ilyen műholdak egy helyen "lógnak" az égen (9. ábra). Ha az "i" dőlésszög nem egyenlő nullával, akkor az ilyen műholdakat geoszinkronnak nevezzük (8. ábra, b). A valóságban sok geostacionárius műhold enyhe dőlésszögű, és ki van téve a Hold és a Nap perturbációinak, ezért „nyolcas” alakban írják le az égbolt alakjait, amelyek észak-déli irányban megnyúltak.
Rizs. 8. Geostacionárius (a) és geoszinkron (b) műholdak.
Ha a GSS pálya típusáról beszélünk, akkor azt az "i" dőlés értéke, az "e" excentricitás és a "Műholdpálya Wp" perigeus argumentuma határozza meg (10. ábra). a pálya excentricitása és inklinációja nulla, majd a műhold alatti pontot rögzítik és egy meghatározott pontra vetítik. Nem nulla excentricitás és nulla dőlés esetén a GSS egy szakaszt "rajzol" a felszínre, keletről nyugatra haladva. és vissza, a nulla pozícióból legfeljebb ΔLmax = 114,6° e értékkel eltolva, azaz e=0,01 excentricitás mellett az elmozdulás legfeljebb 1,2°. Ha a dőlés nem nulla, és az excentricitás nulla, akkor a A GSS "megrajzolja" a klasszikus "nyolcasokat" - az ábra 2Θ szögmagassága megegyezik a pálya i dőlésszögének kétszeresével, a maximális ΔLmax szélességet a 0,044 i2 képlettel számítják ki (az "i" dőlésszöget a következő képlet adja meg: Legáltalánosabb esetben nullától eltérő "i" és "e" esetén a GSS pálya a Föld felszínén egy "döntött nyolcas", a szögmagasság 2Θ = i, a maximális szélesség ΔLm ax = 114,6°·e, és a "nyolcat" csak akkor kapjuk meg, ha a pálya "Wp" perigeus-argumentuma 0° és 180°, más esetekben összetettebb alakzatot kapunk, valamit egy ovális és egy "" között. nyolc".
Rizs. 10. ábra GSS pályák típusai a Föld felszínén a pálya "i" dőlésétől, "e" excentricitásától és "Wp" perigeus argumentumától függően.
A geostacionárius pálya mérete korlátozott, és a Föld egyenlítőjének síkjában fekszik. Sugárja a Föld középpontjától 42164 km. A geostacionárius pályán lévő geostacionárius műhold égi koordinátái elméletileg állandóak lennének. A fő okok, amelyek torzítják a passzív geostacionárius műhold Kepleri mozgását, a gravitációs zavarok (a geopotenciál nem gömbszerűsége, a Hold-nap perturbációk), és a nagy felület/tömeg arányú GSS esetében nem gravitációs is van. (könnyű nyomás) tényező. A zavaró erők hatására a műhold sodródik, megváltoztatva a Föld körüli forgási periódusát. A GSS forgási periódusa és az elméleti közötti különbség ahhoz vezet, hogy a GSS átlagos hosszúsága idővel változik: a műhold lassan sodródik nyugatról keletre, ha a Föld körüli forgási periódusa kevesebb, mint egy sziderikus nap, ill. keletről nyugatra egyébként. Az "e" excentricitás nullától való eltérése azt is eredményezi, hogy a GSS műhold alatti hosszúsága megváltozik. Enyhe változás tapasztalható a hosszúságban (körülbelül 12 órás periódussal és a pálya dőlésszögének négyzetével arányos amplitúdóval) és a szélességben (24 órás periódussal, és magával az "i" dőlésszöggel egyenlő amplitúdóval). Ennek eredményeként a műhold alatti pont a jól ismert „nyolcat” írja le a Föld felszínén.
A Föld körül egyetlen geostacionárius pálya van. A GSO műholdak felbocsátása 1963-ban kezdődött. A 21. század elején a bolygó több mint 40 országának van saját geostacionárius műholdja. Évente több tucat műholdat indítanak fel a GEO-n, és a pályát is fokozatosan megtelik elhasznált műholdakkal. A robbanások folyamatosan történnek
használt járművek és hordozórakétáik. Ezek a robbanások több tízszáz űrdarabot generálnak, amelyek letilthatják a működő eszközöket. Ennek a pályának az űrtörmelékkel való eltömődése visszafordíthatatlan következményekhez vezethet - a műholdak stabil működésének lehetetlenségéhez. A GSO-ban lévő űrtörmelék, a közeli Föld körüli pályákkal ellentétben, évezredekig foroghat a Föld körül, és azzal fenyeget, hogy összeütközik a működő űrhajókkal. A 20. század vége óta a GSO-szennyezés problémája globális, nagyszabású környezeti problémává vált.
Az ENSZ Világűr békés célú felhasználásáról szóló nemzetközi egyezménye és a Nemzetközi Rádió Magánbizottság követelményei szerint (a szomszédos GSS-ek rádióinterferenciájának elkerülése érdekében) a GSS-ek közötti szögtávolság nem lehet kisebb, mint 0,5°. Így elméletileg a GSO-n biztonságos távolságban elhelyezett GSS-ek száma nem haladhatja meg a 720 darabot. Az elmúlt évtizedben ezt a távolságot a GSS-ek között nem tartották fenn. 2011-re a katalogizált GSO-k száma már meghaladta az 1500-at, ehhez jön még a több mint 600 erősen elliptikus objektum, amelyek időszakosan keresztezik a GSO-t, valamint több mint 200 katonai műhold, amelyet a GSO-n indítottak fel a Honvédelmi Minisztérium, ill. Különböző országok hírszerzési adatai, amelyek nem szerepelnek az USA és Kanada korai figyelmeztető rendszere (NORAD) közös parancsnokságának nyilvánosan elérhető katalógusában.
Szokásos geostacionárius műholdakra hivatkozni, amelyek periódusa 22 óra és 26 óra között van, excentricitásuk "e" nem haladja meg a 0,3 értéket, és a pályasík dőlésszöge az egyenlítő síkjához képest "i" legfeljebb 15°, de bizonyos forrásokban részletesebb besorolást és merevebb határokat találhat.
Magas pályás műholdak (HEO)
A nagypályás műholdak (VOS (oroszul), vagy "HEO" - az angol "High Earth Orbit" szóból) olyan műholdak, amelyek több mint 35786 km-es magasságot érnek el a Föld felszíne felett, i.e. geostacionárius műholdak felett repülve (lásd 10. ábra). A pályák jelentős excentricitásúak lehetnek (például a Meridian, Molniya sorozatú műholdak) - ebben az esetben nagyon elliptikusnak (HES) nevezik őket, vagy lehetnek majdnem kör alakúak (például a Vela műhold (ugyanazok a műholdak, amelyeken vége Gamma-kitöréseket fedeztek fel az 1960-as években)).
Rizs. 13. WES-pálya.
A mesterséges űrhajók mozgási pályái eltérnek a természetes égitestek pályáitól: tény, hogy az első esetben úgynevezett „aktív területek” vannak. Ezek azok a területek műhold pályái amelyen a sugárhajtóművet bekapcsolva mozognak. Így az űrhajók mozgási pályájának kiszámítása összetett és felelősségteljes feladat, amellyel az asztrodinamika területén dolgozó szakemberek foglalkoznak.
Minden műholdrendszernek van egy bizonyos státusza, amely a műhold rendeltetésétől, elhelyezkedésétől, a szolgáltatási terület lefedettségétől, magának az űrjárműnek és a jeleit fogadó földi állomástól függ. Állapottól függően a műholdas rendszerek a következők:
- Nemzetközi (regionális vagy globális);
- Nemzeti;
- Osztályi.
Ezenkívül az összes pálya fel van osztva a geostacionárius és nem geostacionárius (viszont LEO - alacsony pálya, MEO - közepes magasság és HEO - ellipszis). Nézzük meg közelebbről ezeket az osztályokat.
Geostacionárius műhold pályái
Ezt a pályát leggyakrabban űrhajók elhelyezésére használják, mert jelentős előnyei vannak: folyamatos éjjel-nappali kommunikáció lehetséges, és gyakorlatilag nincs frekvenciaváltás. A geostacionárius műholdak a Föld felszíne felett mintegy 36 000 km-es magasságban helyezkednek el, és forgási sebességével mozognak, mintha az egyenlítő egy bizonyos pontja, a „műhold alatti pont” fölött „lógnának”. Valójában azonban egy ilyen műhold helyzete nem stacioner: számos tényező miatt némi „sodródás” tapasztalható, ennek eredményeként a pálya az idő múlásával kissé eltolódik.
Mint már említettük, a geostacionárius műhold gyakorlatilag nem igényel megszakításokat a működésben, mivel nincs kölcsönös mozgás az űrhajó és a földi állomás között. A három ilyen típusú műholdból álló rendszer szinte a teljes földfelszínt képes lefedni.
Ugyanakkor az ilyen rendszereknek nincsenek bizonyos hátrányai, amelyek közül a fő a jel késleltetése. Ezért a geostacionárius pályán lévő műholdakat leggyakrabban rádió- és televízióadásra használják, amelyekben a 250 ms-os késések mindkét irányban nem befolyásolják a jel minőségét. A rádiótelefon-kommunikációs rendszer késései sokkal észrevehetőbbek (figyelembe véve a földi hálózatok jelfeldolgozását, a teljes idő már körülbelül 600 ms). Ezen túlmenően az ilyen műholdak lefedettségi területe nem foglalja magában a magas szélességi köröket (76,50° É és D felett), vagyis a valóban globális lefedettség nem garantált.
A műholdas kommunikáció rohamos fejlődése kapcsán az elmúlt évtizedben a geostacionárius pálya „zsúfolttá” vált, problémák merülnek fel az új eszközök bevezetésével. A helyzet az, hogy a nemzetközi szabványoknak megfelelően legfeljebb 360 műholdat lehet közel egyenlítői pályára helyezni, különben kölcsönös interferencia lép fel.
Középmagasság műhold pályái
Az ilyen típusú műholdrendszereket az eredetileg geostacionárius űrhajók gyártásával foglalkozó cégek kezdték el fejleszteni. A közepes magasságú pálya jobb kommunikációs teljesítményt biztosít a mobil-előfizetők számára, mivel minden mobilfelhasználó több műhold egyidejű elérésének területén van; teljes késleltetés - legfeljebb 130 ms.
A nem geostacionárius műhold elhelyezkedését az úgynevezett Van Allen sugárzási övek, a töltött részecskék „befogott” térbeli övei korlátozzák. mágneses mező Föld. Az első stabil, erős sugárzású öv a bolygó felszínétől körülbelül 1500 km-es magasságban található, hatóköre több ezer kilométer. A második, ugyanolyan nagy intenzitású (10 000 impulzus/s) öv a Földtől 13 000–19 000 km-re található.
A közepes magasságú műholdak számára egyfajta "pálya" található az első és a második sugárzási öv között, azaz 5000-15 000 km magasságban. Ezek az eszközök gyengébbek, mint a geostacionáriusok, ezért a Föld felszínének teljes lefedéséhez 8-12 műholdból álló orbitális csoportra van szükség (például Spaceway NGSO, ICO, Rostelesat); minden műhold rövid ideig, körülbelül 1,5-2 óráig a földi állomás rádióláthatósági zónájában tartózkodik.
Alacsony körök műhold pályái
Az alacsony pályán (700-1500 km) pályázó műholdaknak van némi előnyük a többi űrhajóval szemben az energiajellemzők tekintetében, azonban veszítenek a kommunikációs munkamenetek időtartamában, valamint az általános élettartamban. A műhold keringési ideje átlagosan 100 perc, ennek körülbelül 30%-a a bolygó árnyékoldalán marad. Az újratölthető fedélzeti akkumulátorok évente körülbelül 5000 töltési / kisütési ciklust képesek átélni, ennek eredményeként - élettartamuk nem haladja meg az 5-8 évet.
Az ilyen magassági tartomány kiválasztása az alacsony pályán járó műholdas rendszerek számára nem véletlen. 700 km-nél kisebb magasságban a légkör sűrűsége viszonylag nagy, ami a pálya "degradálódását" okozza – a pályától való fokozatos eltérést, aminek fenntartása fokozott üzemanyagköltséget igényel. 1500 km-es magasságban kezdődik az első Van Allen öv, amelynek sugárzási zónájában a fedélzeti berendezések működése gyakorlatilag lehetetlen.
A pálya alacsony magassága miatt azonban legalább 48 űrhajóból álló orbitális konstelláció szükséges ahhoz, hogy a Föld teljes területét lefedje. A forgási periódus ezeken a pályákon 90 perc-2 óra, míg a műhold maximális tartózkodási ideje a rádiós láthatósági zónában mindössze 10-15 perc.
Elliptikus pályák
Elliptikus Földi műhold pályája szinkronok, vagyis pályára bocsátva a bolygó sebességével forognak, a forradalom időtartama pedig a napok többszöröse. Jelenleg többféle ilyen pályát használnak: Archi-medes, Borealis, "Tundra", "Lightning".
Az ellipszis alakú műhold sebessége az apogeusban (amikor eléri az "ellipszis csúcsát") kisebb, mint a perigeusban, így ebben az időszakban a készülék hosszabb ideig tartózkodhat egy adott régió rádiós láthatósági zónájában, mint egy körpályás műhold. . A kommunikációs munkamenetek például Molniyánál 8-10 óráig tartanak, és egy három műholdból álló rendszer képes éjjel-nappal globális kommunikációt fenntartani.
Mi a geostacionárius pálya? Ez egy kör alakú mező, amely a Föld egyenlítője felett helyezkedik el, és amely mentén egy mesterséges műhold forog szögsebesség a bolygó forgása a tengelye körül. Nem változtatja irányát a vízszintes koordinátarendszerben, hanem mozdulatlanul lóg az égen. A Föld geostacionárius pályája (GSO) egyfajta geoszinkron mező, és kommunikációs, televíziós műsorszórás és egyéb műholdak fogadására szolgál.
Mesterséges eszközök használatának ötlete
A geostacionárius pálya koncepcióját K. E. Ciolkovszkij orosz feltaláló kezdeményezte. Munkáiban a tér benépesítését javasolta orbitális állomások segítségével. Külföldi tudósok is leírták az űrmezők munkáját, például G. Oberth. Arthur Clarke, aki kidolgozta a pálya kommunikációs célú felhasználásának koncepcióját. 1945-ben a Wireless World magazinban publikált egy cikket, amelyben a geostacionárius mező előnyeit ismertette. A tudós tiszteletére ezen a területen végzett aktív munkáért a pálya megkapta a második nevet - "Clark öve". Sok teoretikus gondolkodott el a kvalitatív kapcsolat megvalósításának problémáján. Tehát Herman Potochnik 1928-ban kifejezte a geostacionárius műholdak felhasználásának ötletét.
A "Clark öv" jellemzői
Ahhoz, hogy egy pályát geostacionáriusnak lehessen nevezni, számos paraméternek kell megfelelnie:
1. Geoszinkron. Ez a jellemző olyan mezőt foglal magában, amelynek periódusa megfelel a Föld forradalmának időszakának. Egy geoszinkron műhold egy sziderikus nap alatt teszi meg bolygó körüli pályáját, ami 23 óra 56 perc és 4 másodperc. Ugyanennyi idő szükséges ahhoz, hogy a Föld egy forradalmat teljesítsen egy rögzített térben.
2. Ahhoz, hogy egy műholdat egy bizonyos ponton fenntarthassunk, a geostacionárius pályának kör alakúnak kell lennie, nulla dőlésszögű. Az elliptikus mező vagy keleti vagy nyugati eltolódást eredményez, mivel az űrszonda különbözőképpen mozog pályája bizonyos pontjain.
3. A térmechanizmus "lebegési pontja" az egyenlítőn kell, hogy legyen.
4. A műholdak geostacionárius pályán történő elhelyezkedésének olyannak kell lennie, hogy a kommunikációra szánt kisszámú frekvencia ne vezessen a különböző eszközök frekvenciáinak átfedéséhez a vétel és adás során, és ne zárja ki ütközésüket.
5. Elegendő hajtóanyag az űrhajó helyben tartásához.
Egy műhold geostacionárius pályája egyedülálló abban, hogy csak paramétereinek kombinálásával érhető el a berendezés mozdulatlansága. Egy másik jellemző az, hogy a Földet tizenhét fokos szögben lehet látni az űrmezőben található műholdaktól. Mindegyik eszköz a pálya felületének hozzávetőlegesen egyharmadát fedi le, így három mechanizmus szinte az egész bolygót képes lefedni.
mesterséges műholdak
Számos ország és vállalat bocsátott fel műholdakat. A világ első mesterséges berendezését a Szovjetunióban hozták létre, és 1957. október 4-én repült az űrbe. A Szputnyik-1 nevet viselte. 1958-ban az Egyesült Államok piacra dobta a második eszközt, az Explorer 1-et. A NASA által 1964-ben felbocsátott első műhold a Syncom-3 nevet kapta. A mesterséges eszközök többnyire nem visszaválthatók, de vannak olyanok is, amelyek részben vagy egészben visszakerülnek. Végrehajtására használják tudományos kutatásés különféle problémák megoldása. Tehát vannak katonai, kutatási, navigációs műholdak és mások. Megjelennek az egyetemi alkalmazottak vagy rádióamatőrök által készített eszközök is.
"Stop pont"
A geostacionárius műholdak 35 786 kilométeres tengerszint feletti magasságban helyezkednek el. Ez a magasság egy olyan forgási periódust biztosít, amely megfelel a Föld csillagokhoz viszonyított keringési periódusának. A mesterséges jármű álló helyzetben van, ezért geostacionárius pályán való elhelyezkedését „állomáspontnak” nevezzük. A lebegés állandó, hosszú távú kapcsolatot biztosít, ha az antenna be van állítva, mindig a megfelelő műholdra lesz irányítva.
Mozgalom
A műholdak kis magasságú pályáról geostacionáriusra helyezhetők át geo-transzfer mezők segítségével. Ez utóbbiak egy elliptikus pályák, amelyeknek egy pontja kis magasságban, a csúcs pedig a geostacionárius körhöz közeli magasságban található. A további munkára használhatatlanná vált műholdat a GSO felett 200-300 kilométerrel elhelyezkedő ártalmatlanító pályára küldik.
Geostacionárius pályamagasság
Egy adott mezőben lévő műhold bizonyos távolságot tart a Földtől, nem közeledik és nem távolodik el. Mindig az Egyenlítő valamelyik pontja felett helyezkedik el. Ezen jellemzők alapján az következik, hogy a gravitációs erők ill centrifugális erő egyensúlyba hozza egymást. A geostacionárius pálya magasságát a klasszikus mechanikán alapuló módszerekkel számítják ki. Ez figyelembe veszi a gravitációs és centrifugális erők megfelelőségét. Az első mennyiség értékét az egyetemes gravitáció Newton-törvénye alapján határozzuk meg. A centrifugális erőindexet úgy számítjuk ki, hogy a műhold tömegét megszorozzuk a centripetális gyorsulással. A gravitációs és a tehetetlenségi tömegek egyenlőségének eredménye az a következtetés, hogy a pálya magassága nem függ a műhold tömegétől. Ezért a geostacionárius pályát csak az a magasság határozza meg, amelyen a centrifugális erő abszolút értékben egyenlő és ellentétes irányú a Föld vonzása által adott magasságban keltett gravitációs erővel.
A centripetális gyorsulás kiszámítására szolgáló képletből megtalálhatja a szögsebességet. A geostacionárius pálya sugarát is ez a képlet határozza meg, vagy a geocentrikus gravitációs állandó elosztása a szögsebesség négyzetével. Ez 42164 kilométer. A Föld egyenlítői sugarát figyelembe véve 35786 kilométeres magasságot kapunk.
A számításokat más módon is el lehet végezni, azon az állításon alapulva, hogy a pálya magassága, amely a Föld középpontjától mért távolság, a műhold szögsebességével, egybeesik a bolygó forgásának mozgásával, ad okot. lineáris sebesség, amely egyenlő az első szóközzel egy adott magasságban.
sebesség geostacionárius pályán. Hossz
Ezt a mutatót úgy számítjuk ki, hogy a szögsebességet megszorozzuk a mező sugarával. A keringési sebesség értéke 3,07 kilométer per másodperc, ami jóval kisebb, mint a Föld-közeli pályán az első űrsebesség. A kitevő csökkentéséhez a pálya sugarát több mint hatszorosára kell növelni. A hosszúságot úgy számítjuk ki, hogy a pi-t megszorozzuk a sugárral kettővel. Ez 264924 kilométer. A mutatót figyelembe veszik a műholdak "álláspontjainak" kiszámításakor.
Az erők hatása
Annak a pályának a paraméterei, amelyen a mesterséges mechanizmus kering, a gravitációs hold-napperturbációk, a Föld mezőjének inhomogenitása és az egyenlítői ellipticitás hatására változhatnak. A mező átalakulása olyan jelenségekben fejeződik ki, mint:
- Egy műhold elmozdulása a pályája mentén elhelyezkedő helyzetéből a stabil egyensúlyi pontok felé, amelyeket potenciális lyukaknak nevezünk a geostacionárius pályán.
- A mező dőlésszöge az Egyenlítőhöz képest bizonyos ütemben nő, és 26 év és 5 hónap alatt egyszer eléri a 15 fokot.
Ahhoz, hogy a műhold a kívánt „állásponton” maradjon, meghajtórendszerrel van felszerelve, amely 10-15 naponta többször is bekapcsol. Tehát a pálya dőlésszögének növekedésének kompenzálására az "észak-dél" korrekciót, a mező menti elsodródás kompenzálására pedig a "nyugat-kelet" korrekciót alkalmazzák. A műhold útjának szabályozásához a működése teljes időtartama alatt nagy mennyiségű üzemanyagra van szükség a fedélzeten.
Propulziós rendszerek
Az eszköz kiválasztását a műhold egyedi műszaki jellemzői határozzák meg. Például egy vegyi rakétamotor lökettérfogatú üzemanyag-ellátással rendelkezik, és hosszú ideig tárolt, magas forráspontú komponensekkel (diazote-tetroxid, aszimmetrikus dimetil-hidrazin) működik. A plazmaeszközök lényegesen kisebb tolóerővel rendelkeznek, de a hosszú, egyetlen mozdulatnál több tíz percben mérhető működés miatt jelentősen csökkenthetik a fedélzeten elfogyasztott üzemanyag mennyiségét. Az ilyen típusú propulziós rendszert arra használják, hogy a műholdat egy másik orbitális pozícióba irányítsák. A készülék élettartamának fő korlátozó tényezője az üzemanyag-ellátás geostacionárius pályán.
A mesterséges mező hátrányai
A geostacionárius műholdakkal való kölcsönhatás jelentős hibája a jelterjedés nagy késése. Tehát 300 ezer kilométer per másodperces fénysebességgel és 35 786 kilométeres orbitális magassággal a Föld-műhold sugár mozgása körülbelül 0,12 másodperc, a Föld-műhold-Föld sugár 0,24 másodpercig tart. Figyelembe véve a földfelszíni szolgáltatások berendezéseinek és kábeles átviteli rendszereinek jelkésleltetését, a "forrás - műhold - vevő" jel teljes késleltetése eléri a 2-4 másodpercet. Egy ilyen mutató jelentősen megnehezíti a pályán lévő eszközök használatát a telefonálásban, és lehetetlenné teszi a műholdas kommunikáció használatát a valós idejű rendszerekben.
További hátránya a geostacionárius pálya láthatatlansága a magas szélességi fokokról, ami zavarja a kommunikációt és a televíziós adásokat az Északi-sarkvidék és az Antarktisz térségében. Azokban a helyzetekben, amikor a nap és az adóműhold egy vonalban van a vevőantennával, a jel csökken, sőt néha teljesen hiányzik. Geostacionárius pályákon a műhold mozdulatlansága miatt ez a jelenség különösen szembetűnő.
Doppler effektus
Ez a jelenség az elektromágneses rezgések frekvenciájának megváltoztatásában áll az adó és a vevő kölcsönös előrehaladásával. A jelenséget a távolság időbeli változása, valamint mesterséges járművek keringési pályán való mozgása fejezi ki. A hatás a műholdrezgések vivőfrekvenciájának instabilitásában nyilvánul meg, ami hozzáadódik a fedélzeti átjátszó és a földi állomás műszeres frekvenciájának instabilitásához, ami megnehezíti a jelek vételét. A Doppler-effektus hozzájárul a moduláló rezgések frekvenciájának megváltozásához, amely nem szabályozható. Abban az esetben, ha kommunikációs és közvetlen televíziós műsorszórás műholdakat használnak a pályán, ez a jelenség gyakorlatilag megszűnik, vagyis a vételi ponton nem változik a jelszint.
Hozzáállás a világban a geostacionárius mezőkhöz
Az űrpálya megszületése számos kérdést és nemzetközi jogi problémát vetett fel. Számos bizottság, különösen az Egyesült Nemzetek Szervezete foglalkozik velük. Néhány, az Egyenlítőn található ország azt állította, hogy szuverenitásukat kiterjesztik az űrmező területük feletti részére. Az államok kijelentették, hogy a geostacionárius pálya az fizikai tényező, amely a bolygó létezésével függ össze és a Föld gravitációs terétől függ, így a mező szegmensei országaik területének folytatását jelentik. De az ilyen állításokat elutasították, mivel a világban létezik a világűr nem kisajátításának elve. A pályák és a műholdak működésével kapcsolatos összes probléma világszinten megoldódik.
A nulla dőlésszögű és 35 756 km-es tengerszint feletti magasságú geostacionárius pálya a mai napig stratégiailag fontos pálya a mesterséges földi műholdak számára. Az ezen a pályán elhelyezett műholdak ugyanolyan szögsebességgel keringenek a Föld középpontja körül, mint a Föld felszíne. Ennek köszönhetően nincs szükség műholdantennákra a geostacionárius műholdak nyomon követéséhez – a Föld felszínének egy bizonyos helyére szánt geostacionárius műhold mindig az égbolt egy pontján található.
Példa az orosz geostacionárius kommunikációs műholdak konstellációjára 2005-ben:
A Gunther webhelyén található legfrissebb grafikonon azonban kiderül, hogy 2017-ben legfeljebb 40 geostacionárius műholdat indítottak fel, még akkor sem, ha ez a szám magában foglalja a műholdak felbocsátását is. GPO (geotransfer orbit)és Molnija típusú pályák (Kozmosz-2518). Ezzel az eltéréssel összefüggésben megpróbáltam önállóan értékelni a geostacionárius pályára történő éves felbocsátások dinamikáját, valamint az ugyanazon Gunther-helyen felbocsátott geostacionárius műholdak össztömegében bekövetkező változások dinamikáját.
A legtöbb geostacionárius műholdat felbocsátják geotranszfer pályák (GTO-k), majd saját hajtóműveik segítségével már emelik a perihéliumot és lépnek a geostacionárius pályára. Ennek oka a stratégiailag fontos geostacionárius pálya eltömődésének minimalizálása (az LV felső szakaszai a GPO-n sokkal gyorsabban égnek ki, mint a GSO-n a pályák alacsony perihéliumának köszönhetően). Ebben a tekintetben a geostacionárius műholdak kiindulási tömegét leggyakrabban a GPO kezdeti indításakor jelzik. Ezért úgy döntöttem, hogy kiszámolom a geostacionárius műholdak tömegét GPO-ban, és a számításba bevonom azokat a műholdakat is, amelyeket eredetileg GPO-ban vagy más alacsony és geostacionárius pályák közötti elliptikus pályákon (főleg Molniya típusú pályákon) való működésre terveztek. Másrészt bizonyos esetekben a műholdakat közvetlenül geostacionárius pályára bocsátják (például szovjet, orosz és amerikai katonai műholdak esetében), ráadásul a katonai műholdak esetében gyakran egyszerűen ismeretlen a tömeg (ebben az esetben , a GPO-n történő indításkor jelezni kell a hordozórakéta képességeinek felső határát). Ebben a tekintetben a számítások csak előzetesek. Eddig 60 évből 35-öt dolgoztak fel űrkorszak, és a következő helyzet alakul ki az évek során:
1) 2017-ben valóban új rekord született a GPO és Molniya pályán kibocsátott tömeg tekintetében (192 tonna):
2) Nincs jelentős növekedés az ilyen típusú pályákra indított járművek számában (a fekete vonal egy trendvonal):
3) Hasonló helyzet figyelhető meg az indítások számánál:
Általánosságban elmondható, hogy az erősen ellipszis alakú magas pályákra irányuló teherforgalom folyamatos növekedése irányába mutat. Évtizedes átlagok:
Által közepes területűrobjektumok ( kumulatív keresztmetszeti terület, mérve négyzetméter) a geostacionárius műholdak még jobbak az alacsony pályán keringő járműveknél (még ha figyelembe vesszük a felső fokozatokat is - R.B.):
Ez valószínűleg a geostacionárius műholdak számára telepíthető szerkezetek (antennák, napelemek és hőszabályozó akkumulátorok) nagy számának köszönhető.
Az évek során a geostacionárius pályán működő műholdak száma is folyamatosan nőtt. Csak a mostani évtizedben számuk négyről ötszázra nőtt:
Az aktív műholdak adatbázisa szerint a közvetítő műhold jelenleg a legrégebbi aktív műhold a GSO-ban. TDRS-3 1988-ban indult. Jelenleg összesen 40 olyan készülék üzemel a GSO-nál, amelyek életkora meghaladta a 20 évet:
A geostacionárius műholdak összlétszáma a végleges pályákat is figyelembe véve már meghaladja az ezer műholdat (minimális felső fokozatszámmal ( R.B.) rakéták ezeken a pályákon):
Példák műholdak geostacionárius konstellációira:
A geostacionárius pályán a növekvő torlódás folytatja a geostacionárius műholdak egyre nehezebbé váló tendenciáját. Ha az első GSO a műholdak mindössze 68 kg-ot nyomtak, majd 2017-ben Kína megpróbált beindítani egy 7,6 tonnás gépet. Nyilvánvaló, hogy a geostacionárius pálya növekvő túlzsúfoltsága a jövőben nagy geostacionárius platformok létrehozásához vezet majd újra felhasználható elemekkel. Valószínűleg az ilyen platformok egyszerre több problémát is megoldanak: kommunikáció és a Föld felszínének megfigyelése meteorológiai, védelmi igények stb.
7,6 tonna tömegű geostacionárius kommunikációs műhold, egy új kínai platform alapján DFH-5
Mint ismeretes, általános esetben bármely műhold elliptikus pályán mozog. Az ellipszis azoknak a pontoknak a helye, amelyeknél két adott F1 és F2 fókusz távolságának összege állandó érték, amely megegyezik az ellipszis főtengelyének hosszával:
2a \u003d r 1 + r 2. (1.1)
Az F1 és F2 gócok az ellipszis főtengelyén helyezkednek el (1.2. ábra, a) a középpont két oldalán egymástól távol.
Az ellipszis alakját az e = c/a excentricitás jellemzi. Ellipszishez e< 1. При эксцентриситете, равном нулю, эллипс превращается в окружность. Расстояние от точки М на эллипсе до первого фокуса F 1 выражается формулой:
r 1 \u003d MF 1 \u003d a - e x. (1.3)
A perturbációk nélküli műholdpálya (1.2. ábra, b) egy ellipszis, amelynek egyik góca egybeesik a Föld tömegközéppontjával. A fókusztengely és az elliptikus pálya legközelebbi metszéspontját perigeumnak (P), a legtávolabbi pontot pedig apogeumnak (A) nevezzük.
A műhold helyzete a pályán a Földhöz képest hat Kepleri elemmel határozható meg, amelyek közül kettő a pálya méretét és alakját, három - a pálya tájolását és a műhold mozgási irányát, a hatodik pedig a pálya méretét és alakját jellemzi. - a műhold helyzete a pályán. Ez a hat elem a következő:
a fél-nagy tengely,
excentricitás e,
hajlam i,
a felszálló csomópont hosszúsága Ω,
periapszis argumentum ω,
átlagos anomália M o. (a műhold áthaladásának ideje a perigee-n)
Az ábrán egy elliptikus műholdpálya látható az abszolút geocentrikus (ekvatoriális) koordinátarendszerben. A rendszer kezdete a Föld középpontjához igazodik. Az OZ tengely a Föld forgástengelye mentén irányul északi sark. Az OX tengely az egyenlítői síkban fekszik, és a tavaszi napéjegyenlőség felé irányul. Az y tengely kiegészíti a derékszögű jobb koordináta-rendszert
Az a pálya fél-nagy tengelyét az (1.1) képlet számítja ki, és a mozgó műholdnak a Föld középpontjától való átlagos távolságát jellemzi. A pálya fő tengelye áthalad a Föld középpontján, és összeköti az apogeus és a perigee pontokat.
Az e pályaexcentricitás a fókuszpontok és a nagytengely távolságának aránya, e = c/a a pálya alakját jellemzi. Műholdpályák esetén e ≤ 1. A rádiókommunikációs műholdak pályáinak excentricitása általában nem haladja meg a 0,5 értéket. e = 0 esetén a pálya kör alakú, amelyre az apogeus és a perigeus magassága egyenlő. Egy műhold állandó sebességgel körpályán mozog. Elliptikus pálya mentén haladva a műhold sebessége megváltozik, maximumot a perigeus tartományban és minimumot az apogeus régióban ér el.
Osztható kinézetöt csoportba kering:
e=0 - kör
0< е <1 - эллипс
e \u003d 1 - parabola
1< е < ∞ - гипербола
e =∞ - egyenes vonal (elfajult eset)
Az i orbitális dőlés a pálya síkja és az egyenlítő síkja közötti diéderszög (az ekliptika síkjának metszésvonala (a műholdak egyenlítője) (a Föld forgástengelyének dőlése körülbelül 23,44 °)) a műhold pályájának síkjával), az Egyenlítő síkjától az óramutató járásával ellentétes irányban számolva a felszálló csomópontban (UA) elhelyezkedő megfigyelő esetében. A felszálló csomópont az a pont, ahol a műhold a déli féltekéről az északi felé halad. Az ellentétes pontot csökkenő csomópontnak nevezzük. A dőlésszög mérése szögfokban, percekben és másodpercekben történik.
A dőlésszög szerint a pályákat egyenlítőire (i ≈ 0°), ferde (0° ≤ i ≤ 90°) és polárisra (i ≈ 90°) osztják.
Ha 0 Ha 90° A Naprendszerre vonatkoztatva általában a Föld keringési síkját (az ekliptika síkját) választják referenciasíknak. A Naprendszer és a Hold többi bolygójának pályájának síkjai csak néhány fokkal térnek el az ekliptika síkjától. A Föld mesterséges műholdai esetében általában a Föld egyenlítőjének síkját választják referenciasíknak. A Naprendszer más bolygóinak műholdjai esetében általában a megfelelő bolygó egyenlítőjének síkját választják referenciasíknak. Exobolygók és kettőscsillagok esetében a képsíkot tekintjük referenciasíknak. Ismerve két pálya dőlését ugyanahhoz a referenciasíkhoz és felszálló csomópontjaik hosszúságát, a szög koszinusz képlet segítségével kiszámítható a két pálya síkjai közötti szög - kölcsönös dőlésük. Az Ω pálya felszálló csomópontjának hosszúsága a ferde vagy poláris pályák síkjának a Föld forgástengelye (ОZ) körüli forgását jellemzi. A felszálló csomópont hosszúsága az egyenlítői régióban elhelyezkedő szög, amelyet a tavaszi napéjegyenlőség irányától (OX tengely) a csomópontok vonaláig mérünk. A felszálló csomópont hosszúsága a pálya egyik alapeleme, a pályasík alapsíkhoz viszonyított orientációjának matematikai leírására szolgál. Megadja azt a szöget a referenciasíkban, amely a nullponthoz tartó referenciairány és a pálya felszálló csomópontjához bezárt irány között képződik, és amelynél a pálya dél-észak irányban metszi a referenciasíkot. A felszálló és leszálló csomópontok meghatározásához egy bizonyos (ún. alap) síkot választunk, amely tartalmazza a vonzási központot. Alapként általában az ekliptikus síkot használják (bolygók, üstökösök, aszteroidák mozgása a Nap körül), a bolygó egyenlítőjének síkját (a műholdak mozgása a bolygó körül) stb. A nullapont az első pont Kos (a tavaszi napéjegyenlőség pontja). A szöget az óramutató járásával ellentétes irányban mérjük az iránytól a nulla pontig. Az ω perigeus argumentum az ellipszis főtengelyének a pálya síkjában való tájolását jellemzi. A perigee argumentum becslése a felszálló csomópont (AS) és a perigeus (P) közötti szögtávolság, amelyet a műhold mozgásának irányában lévő pályasíkban számolunk. A periapszis argumentum a vonzási középpont és a pálya felszálló csomópontja és a periapszis (a műhold pályájának a vonzásközépponthoz legközelebb eső pontja) közötti szög, vagy a csomópontok vonala és a az apszisok sora. A súlyponttól számítva a műhold irányába, általában 0°-360° között van kiválasztva