орбитальная скорость - orbitinis greitis statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Greitis, kuriuo kūnas arba dalelė juda tam tikra orbita. atitikmenys: angl. orbital velocity vok. orbitale Geschwindigkeit, f rus. орбитальная скорость, f pranc.… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas
орбитальная скорость - orbitinis greitis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. orbital velocity vok. orbitale Geschwindigkeit, f rus. орбитальная скорость, f pranc. vitesse orbitale, f … Fizikos terminų žodynas
Запрос «Точка стояния» перенаправляется сюда; см. также другие значения. Точка стояния или Орбитальная позиция положение спутника, находящегося на геостационарной орбите. Поскольку спутник, находящийся на … Википедия
Анализ первой и второй космической скорости по Исааку Ньютону. Снаряды A и B падают на Землю. Снаряд C выходит на круговую орбиту, D на эллиптическую. Снаряд E улетает в открытый космос. Первая космическая скорость (кругова … Википедия
Анализ первой и второй космической скорости по Исааку Ньютону. Снаряды A и B падают на Землю. Снаряд C выходит на круговую орбиту, D на эллиптическую. Снаряд E улетает в открытый космос. Вторая космическая скорость (параболическая скорость … Википедия
- (первая v1, вторая v2, третья v3 и четвёртая v4) это мин … Википедия
Третья космическая скорость минимальная скорость, которую необходимо сообщить находящемуся вблизи поверхности Земли телу, чтобы оно могло преодолеть гравитационное притяжение Земли и Солнца и покинуть пределы Солнечной системы. При… … Википедия
Млечный путь Четвёртая космическая скорость минимально необходимая скорость тела, позволяющая преодолеть притяжение … Википедия
Подобно тому, как места в театре позволяют по-разному взглянуть на представление, различные орбиты спутников дают перспективу, каждая из которых имеет свое назначение. Одни кажутся висящими над точкой поверхности, они обеспечивают постоянный обзор одной стороны Земли, в то время как другие кружат вокруг нашей планеты, за день проносясь над множеством мест.
Типы орбит
На какой высоте летают спутники? Различают 3 типа околоземных орбит: высокие, средние и низкие. На высокой, наиболее удаленной от поверхности, как правило, находятся многие погодные и некоторые спутники связи. Сателлиты, вращающиеся на средней околоземной орбите, включают навигационные и специальные, предназначенные для мониторинга конкретного региона. Большинство научных космических аппаратов, в том числе флот системы наблюдения за поверхностью Земли НАСА, находится на низкой орбите.
От того, на какой высоте летают спутники, зависит скорость их движения. По мере приближения к Земле гравитация становится все сильнее, и движение ускоряется. Например, спутнику НАСА Aqua требуется около 99 минут, чтобы облететь вокруг нашей планеты на высоте около 705 км, а метеорологическому аппарату, удаленному на 35 786 км от поверхности, для этого потребуется 23 часа, 56 минут и 4 секунды. На расстоянии 384 403 км от центра Земли Луна завершает один оборот за 28 дней.
Аэродинамический парадокс
Изменение высоты спутника также изменяет его скорость движения по орбите. Здесь наблюдается парадокс. Если оператор спутника хочет повысить его скорость, он не может просто запустить двигатели для ускорения. Это увеличит орбиту (и высоту), что приведет к уменьшению скорости. Вместо этого следует запустить двигатели в направлении, противоположном направлению движения спутника, т. е. совершить действие, которое на Земле бы замедлило движущееся транспортное средство. Такое действие переместит его ниже, что позволит увеличить скорость.
Характеристики орбит
В дополнение к высоте, путь движения спутника характеризуется эксцентриситетом и наклонением. Первый относится к форме орбиты. Спутник с низким эксцентриситетом движется по траектории, близкой к круговой. Эксцентричная орбита имеет форму эллипса. Расстояние от космического аппарата до Земли зависит от его положения.
Наклонение - это угол орбиты по отношению к экватору. Спутник, который вращается непосредственно над экватором, имеет нулевой наклон. Если космический аппарат проходит над северным и южным полюсами (географическими, а не магнитными), его наклон составляет 90°.
Все вместе - высота, эксцентриситет и наклонение - определяют движение сателлита и то, как с его точки зрения будет выглядеть Земля.
Высокая околоземная
Когда спутник достигает ровно 42164 км от центра Земли (около 36 тыс. км от поверхности), он входит в зону, где его орбита соответствует вращению нашей планеты. Поскольку аппарат движется с той же скоростью, что и Земля, т. е. его период обращения равен 24 ч, кажется, что он остается на месте над единственной долготой, хотя и может дрейфовать с севера на юг. Эта специальная высокая орбита называется геосинхронной.
Спутник движется по круговой орбите прямо над экватором (эксцентриситет и наклонение равны нулю) и относительно Земли стоит на месте. Он всегда расположен над одной и той же точкой на ее поверхности.
Орбита «Молния» (наклонение 63,4°) используется для наблюдения в высоких широтах. Геостационарные спутники привязаны к экватору, поэтому они не подходят для дальних северных или южных регионов. Эта орбита весьма эксцентрична: космический аппарат движется по вытянутому эллипсу с Землей, расположенной близко к одному краю. Так как спутник ускоряется под действием силы тяжести, он движется очень быстро, когда находится близко к нашей планете. При удалении его скорость замедляется, поэтому он больше времени проводит на вершине орбиты в самом дальнем от Земли краю, расстояние до которого может достигать 40 тыс. км. Период обращения составляет 12 ч, но около двух третей этого времени спутник проводит над одним полушарием. Подобно полусинхронной орбите сателлит проходит по одному и тому же пути через каждые 24 ч. Используется для связи на крайнем севере или юге.
Низкая околоземная
Большинство научных спутников, многие метеорологические и космическая станция находятся на почти круговой низкой околоземной орбите. Их наклон зависит от того, мониторингом чего они занимаются. TRMM был запущен для мониторинга осадков в тропиках, поэтому имеет относительно низкое наклонение (35°), оставаясь вблизи экватора.
Многие из спутников системы наблюдения НАСА имеют почти полярную высоконаклонную орбиту. Космический аппарат движется вокруг Земли от полюса до полюса с периодом 99 мин. Половину времени он проходит над дневной стороной нашей планеты, а на полюсе переходит на ночную.
По мере движения спутника под ним вращается Земля. К тому времени, когда аппарат переходит на освещенный участок, он находится над областью, прилегающей к зоне прохождения своей последней орбиты. За 24-часовой период полярные спутники покрывают большую часть Земли дважды: один раз днем и один раз ночью.
Солнечно-синхронная орбита
Подобно тому как геосинхронные спутники должны находиться над экватором, что позволяет им оставаться над одной точкой, полярно-орбитальные имеют способность оставаться в одном времени. Их орбита является солнечно-синхронной - при пересечении космическим аппаратом экватора местное солнечное время всегда одно и то же. Например, спутник Terra пересекает его над Бразилией всегда в 10:30 утра. Следующее пересечение через 99 мин над Эквадором или Колумбией происходит также в 10:30 по местному времени.
Солнечно-синхронная орбита необходима для науки, так как позволяет сохранять угол падения солнечного света на поверхность Земли, хотя он будет меняться в зависимости от сезона. Такое постоянство означает, что ученые могут сравнивать изображения нашей планеты одного времени года в течение нескольких лет, не беспокоясь о слишком больших скачках в освещении, которые могут создать иллюзию изменений. Без солнечно-синхронной орбиты было бы сложно отслеживать их с течением времени и собирать информацию, необходимую для изучения изменений климата.
Путь спутника здесь очень ограничен. Если он находится на высоте 100 км, орбита должна иметь наклон 96°. Любое отклонение будет недопустимым. Поскольку сопротивление атмосферы и сила притяжения Солнца и Луны изменяют орбиту аппарата, ее необходимо регулярно корректировать.
Выведение на орбиту: запуск
Запуск спутника требует энергии, количество которой зависит от расположения места старта, высоты и наклона будущей траектории его движения. Чтобы добраться до удаленной орбиты, требуется затратить больше энергии. Спутники со значительным наклоном (например, полярные) более энергозатратны, чем те, которые кружат над экватором. Выведению на орбиту с низким наклоном помогает вращение Земли. движется под углом 51,6397°. Это необходимо для того, чтобы космическим челнокам и российским ракетам было легче добраться до нее. Высота МКС - 337-430 км. Полярные спутники, с другой стороны, от импульса Земли помощи не получают, поэтому им требуется больше энергии, чтобы подняться на такое же расстояние.
Корректировка
После запуска спутника необходимо приложить усилия, чтобы удержать его на определенной орбите. Поскольку Земля не является идеальной сферой, ее гравитация в некоторых местах сильнее. Эта неравномерность, наряду с притяжением Солнца, Луны и Юпитера (самой массивной планеты Солнечной системы), изменяет наклон орбиты. На протяжении всего своего срока службы положение спутников GOES корректировалось три или четыре раза. Низкоорбитальные аппараты НАСА должны регулировать свой наклон ежегодно.
Кроме того, на околоземные спутники оказывает воздействие атмосфера. Самые верхние слои, хотя и достаточно разрежены, оказывают достаточно сильное сопротивление, чтобы притягивать их ближе к Земле. Действие силы тяжести приводит к ускорению спутников. Со временем они сгорают, по спирали опускаясь все ниже и быстрее в атмосферу, или падают на Землю.
Атмосферное сопротивление сильнее, когда Солнце активно. Так же, как воздух в воздушном шаре расширяется и поднимается при нагревании, атмосфера поднимается и расширяется, когда Солнце дает ей дополнительную энергию. Разреженные слои атмосферы поднимаются, а их место занимают более плотные. Поэтому спутники на орбите Земли должны изменять свое положение примерно четыре раза в год, чтобы компенсировать сопротивление атмосферы. Когда солнечная активность максимальна, положение аппарата приходится корректировать каждые 2-3 недели.
Космический мусор
Третья причина, вынуждающая менять орбиту - космический мусор. Один из коммуникационных спутников Iridium столкнулся с нефункционирующим российским космическим аппаратом. Они разбились, образовав облако мусора, состоящее из более чем 2500 частей. Каждый элемент был добавлен в базу данных, которая сегодня насчитывает свыше 18000 объектов техногенного происхождения.
НАСА тщательно отслеживает все, что может оказаться на пути спутников, т. к. из-за космического мусора уже несколько раз приходилось менять орбиты.
Инженеры отслеживают положение космического мусора и сателлитов, которые могут помешать движению и по мере необходимости тщательно планируют маневры уклонения. Эта же команда планирует и выполняет маневры по регулировке наклона и высоты спутника.
Точка стояния
,где - масса спутника, - масса Земли в килограммах , - гравитационная постоянная , а - расстояние в метрах от спутника до центра Земли или, в данном случае, радиус орбиты.
Величина центробежной силы равна:
,где - центростремительное ускорение, возникающее при круговом движении по орбите.
Как можно видеть, масса спутника присутствует как множитель в выражениях для центробежной силы и для гравитационной силы, то есть высота орбиты не зависит от массы спутника, что справедливо для любых орбит и является следствием равенства гравитационной и инертной массы . Следовательно, геостационарная орбита определяется лишь высотой, при которых центробежная сила будет равна по модулю и противоположна по направлению гравитационной силе, создаваемой притяжением Земли на данной высоте.
Центростремительное ускорение равно:
,где - угловая скорость вращения спутника, в радианах в секунду.
Сделаем одно важное уточнение. В действительности, центростремительное ускорение имеет физический смысл только в инерциальной системе отсчета, в то время как центробежная сила является так называемой мнимой силой и имеет место исключительно в системах отсчета (координат), которые связаны с вращающимися телами. Центростремительная сила (в данном случае - сила гравитации) вызывает центростремительное ускорение. По модулю центростремительное ускорение в инерциальной системе отсчета равно центробежному в системе отсчета, связанной в нашем случае со спутником. Поэтому далее, с учетом сделанного замечания, мы можем употреблять термин «центростремительное ускорение» вместе с термином «центробежная сила».
Уравнивая выражения для гравитационной и центробежной сил с подстановкой центростремительного ускорения, получаем:
.Сокращая , переводя влево, а вправо, получаем:
.Можно записать это выражение иначе, заменив на - геоцентрическую гравитационную постоянную:
Угловая скорость вычисляется делением угла, пройденного за один оборот ( радиан) на период обращения (время, за которое совершается один полный оборот по орбите: один сидерический день , или 86 164 секунды). Получаем:
рад/сПолученный радиус орбиты составляет 42 164 км. Вычитая экваториальный радиус Земли, 6 378 км, получаем высоту 35 786 км.
Можно сделать вычисления и иначе. Высота геостационарной орбиты - это такое удаление от центра Земли, где угловая скорость спутника, совпадающая с угловой скоростью вращения Земли, порождает орбитальную (линейную) скорость, равную первой космической скорости (для обеспечения круговой орбиты) на данной высоте.
Линейная скорость спутника, движущегося с угловой скоростью на расстоянии от центра вращения равна
Первая космическая скорость на расстоянии от объекта массой равна
Приравняв правые части уравнений друг другу, приходим к полученному ранее выражению радиуса ГСО:
Орбитальная скорость
Скорость движения по геостационарной орбите вычисляется умножением угловой скорости на радиус орбиты:
км/сЭто примерно в 2.5 раза меньше, чем первая космическая скорость равная 8 км/с на околоземной орбите (с радиусом 6400 км). Так как квадрат скорости для круговой орбиты обратно пропорционален её радиусу,
то уменьшение скорости по отношению к первой космической достигается увеличением радиуса орбиты более чем в 6 раз.
Длина орбиты
Длина геостационарной орбиты: . При радиусе орбиты 42 164 км получаем длину орбиты 264 924 км.
Длина орбиты крайне важна для вычисления «точек стояния» спутников.
Удержание спутника в орбитальной позиции на геостационарной орбите
Спутник, обращающийся на геостационарной орбите, находится под воздействием ряда сил (возмущений), изменяющих параметры этой орбиты. В частности, к таким возмущениям относятся гравитационные лунно-солнечные возмущения, влияние неоднородности гравитационного поля Земли, эллиптичность экватора и т. д. Деградация орбиты выражается в двух основных явлениях:
1) Спутник смещается вдоль орбиты от своей первоначальной орбитальной позиции в сторону одной из четырех точек стабильного равновесия, т. н. «потенциальных ям геостационарной орбиты» (их долготы 75,3°E, 104,7°W, 165,3°E, и 14,7°W) над экватором Земли;
2) Наклонение орбиты к экватору увеличивается (от первоначального 0) со скоростью порядка 0,85 градусов в год и достигает максимального значения 15 градусов за 26,5 лет.
Для компенсации этих возмущений и удержания спутника в назначенной точке стояния спутник оснащается двигательной установкой (химической или электроракетной). Периодическими включениями двигателей малой тяги (коррекция «север-юг» для компенсации роста наклонения орбиты и «запад-восток» для компенсации дрейфа вдоль орбиты) спутник удерживается в назначенной точке стояния. Такие включения производятся по нескольку раз в несколько (10-15) суток. Существенно, что для коррекции «север-юг» требуется значительно большее приращение характеристической скорости (около 45-50 м/с в год), чем для долготной коррекции (около 2 м/с в год). Для обеспечения коррекции орбиты спутника на протяжении всего срока его эксплуатации (12-15 лет для современных телевизионных спутников) требуется значительный запас топлива на борту (сотни килограммов, в случае применения химического двигателя). Химический ракетный двигатель спутника имеет вытеснительную подачу топлива (газ наддува-гелий), работает на долгохранимых высококипящих компонентах (обычно несимметричный диметилгидразин и диазотный тетраоксид). На ряде спутников устанавливаются плазменные двигатели. Их тяга существенно меньше по отношению к химическим, однако большая эффективность позволяет (за счет продолжительной работы, измеряемой десятками минут для единичного маневра) радикально снизить потребную массу топлива на борту. Выбор типа двигательной установки определяется конкретными техническими особенностями аппарата.
Эта же двигательная установка используется, при необходимости, для маневра перевода спутника в другую орбитальную позицию. В некоторых случаях - как правило, в конце срока эксплуатации спутника, для сокращения расхода топлива коррекция орбиты «север-юг» прекращается, а остаток топлива используется только для коррекции «запад-восток».
Запас топлива является основным лимитирующим фактором срока службы спутника на геостационарной орбите.
Недостатки геостационарной орбиты
Задержка сигнала
Связь через геостационарные спутники характеризуется большими задержками в распространении сигнала. При высоте орбиты 35 786 км и скорости света около 300 000 км/с ход луча «Земля-спутник» требует около 0,12 с. Ход луча «Земля (передатчик) → спутник → Земля (приемник)» ≈0,24 с. Ping (ответ) составит полсекунды (точнее 0,48 с). С учетом задержки сигнала в аппаратуре ИСЗ и аппаратуре наземных служб общая задержка сигнала на маршруте «Земля → спутник → Земля» может достигать 2-4 секунд . Такая задержка делает невозможной применение спутниковой связи с использованием ГСО в различных сервисах реального времени (например в онлайн-играх) .
Невидимость ГСО с высоких широт
Так как геостационарная орбита не видна с высоких широт (приблизительно от 81° до полюсов), а на широтах выше 75° наблюдается очень низко над горизонтом (в реальных условиях, спутники просто скрываются выступающими объектами и рельефом местности) и виден лишь небольшой участок орбиты (см. таблицу ), то невозможна связь и телетрансляция с использованием ГСО в высокоширотных районах Крайнего Севера (Арктики) и Антарктиды . К примеру, американские полярники на станции Амундсен-Скотт для связи с внешним миром (телефония, интернет) используют оптоволоконный кабель длиной 1670 километров до расположеной на 75° ю.ш. французской станции Конкордия , с которой уже видно несколько американских геостационарных спутников .
Таблица наблюдаемого сектора геостационарной орбиты в зависимости от широты места
Все данные приведены в градусах и их долях.
| Широта местности |
Видимый сектор орбиты | |
|---|---|---|
| Теоретический сектор |
Реальный (с уч. рельефа) сектор |
|
| 90 | -- | -- |
| 82 | -- | -- |
| 81 | 29,7 | -- |
| 80 | 58,9 | -- |
| 79 | 75,2 | -- |
| 78 | 86,7 | 26,2 |
| 75 | 108,5 | 77 |
| 60 | 144,8 | 132,2 |
| 50 | 152,8 | 143,3 |
| 40 | 157,2 | 149,3 |
| 20 | 161,5 | 155,1 |
| 0 | 162,6 | 156,6 |
Из вышележащей таблицы видно например, что если на широте С.-Петербурга (~60°) видимый сектор орбиты (и соответственно кол-во принимаемых спутников) равен 84 % от максимально возможного (на экваторе), то на широте по-ва Таймыр (~75°) видимый сектор составляет 49 %, а на широте Шпицбергена и мыса Челюскина (~78°) лишь 16 % от наблюдаемого на экваторе. В этот сектор орбиты в районе Сибири попадает 1-2 спутника (не всегда необходимой страны).
Солнечная интерференция
Одним из самых неприятных недостатков геостационарной орбиты, является уменьшение и полное отсутствие сигнала в ситуации, когда солнце и спутник-передатчик находятся на одной линии с приёмной антенной (положение «солнце за спутником»). Данное явление присуще и другим орбитам, но именно на геостационарной, когда спутник «неподвижен» на небе, проявляется особенно ярко. В средних широтах северного полушария солнечная интерференция проявляется в периоды с 22 февраля по 11 марта и с 3 по 21 октября, с максимальной длительностью до десяти минут . В ясную погоду, сфокусированые светлым покрытием антенны солнечные лучи могут повредить (расплавить) приёмо-передающую аппаратуру спутниковой антенны .
См. также
- Квази-геостационарная орбита
Примечания
- Noordung Hermann The Problem With Space Travel. - DIANE Publishing, 1995. - P. 72. - ISBN 978-0788118494
- Extra-Terrestrial Relays - Can Rocket Stations Give Worldwide Radio Coverage? (англ.) (pdf). Arthur C. Clark (October 1945). Архивировано
- Требование неподвижности спутников относительно Земли на своих орбитальных позициях на геостационарной орбите, а также большое количество спутников на этой орбите в разных её точках, приводят к интересному эффекту при наблюдении и фотографировании звёзд с помощью телескопа с использованием гидирования - удержания ориентации телескопа на заданной точке звёздного неба для компенсации суточного вращения Земли (задача, обратная геостационарной радиосвязи). Если наблюдать в такой телескоп звёздное небо вблизи небесного экватора , где проходит геостационарная орбита, то при определённых условиях можно видеть, как спутники друг за другом проходят на фоне неподвижных звёзд в пределах узкого коридора, как автомобили по оживлённой автотрассе. Особенно хорошо это заметно на фотографиях звёзд с длительными экспозициями, смотри, например: Babak A. Tafreshi. GeoStationary HighWay. (англ.) . The World At Night (TWAN). Архивировано из первоисточника 23 августа 2011. Проверено 25 февраля 2010. Источник: Бабак Тафреши (Ночной мир). Геостационарная магистраль. (рус.) . Астронет.ру. Архивировано из первоисточника 23 августа 2011. Проверено 25 февраля 2010.
- для орбит спутников, масса которых пренебрежимо мала по сравнению с массой притягивающего его астрономического объекта
- Орбиты искусственных спутников Земли. Вывод спутников на орбиту
- The Teledesic Network: Using Low-Earth-Orbit Satellites to Provide Broadband, Wireless, Real-Time Internet Access Worldwide
- Журнал «Вокруг Света».№ 9 Сентябрь 2009. Орбиты, которые мы выбираем
- Мозаика. Часть II
- взято превышение спутником горизонта в 3°
- Внимание! Настаёт период активной солнечной интерференции!
- Солнечная интерференция
Ссылки
| Орбиты | ||
|---|---|---|
|
Типы
|
|
Планета (карликовая планета ) |
Орбитальная скорость, км/с |
|
Меркурий | |
|
Макемаке | |
Орбиты космических аппаратов вокруг Земли
|
Орбита |
Расстояние между центрами масс |
Высота над поверхностью Земли |
Орбитальная скорость |
Орбитальный период |
specific orbital energy (англ.) |
|
Поверхность Земли, для сравнения | |||||
|
Низкая опорная орбита |
6,600 - 8,400 км |
200 - 2 000 км |
Круговая орбита: 6.9 - 7.8 км/с эллиптическая орбита: 6.5 - 8.2 км/с |
89 - 128 мин | |
|
Высокоэллиптическая орбита спутников Молния |
6 900 - 46 300 км |
500 - 39 900 км |
1.5 - 10.0 км/с |
11 ч 58 мин | |
|
Геостационарная орбита |
23 ч 56 мин | ||||
|
Орбита Луны |
363 000 - 406 000 км |
357 000 - 399 000 км |
0.97 - 1.08 км/с |
Низкая опорная орбита (НОО , низкая околоземная орбита) – орбита космического аппарата около Земли. Орбиту правомерно называть «опорной», если предполагается её изменение – увеличение высоты или изменение наклонения. Если же маневры не предусмотрены или космический аппарат вообще не имеет собственной двигательной установки, предпочтительно использование названия «низкая околоземная орбита». В общем случае считается, что космический аппарат находится на опорной орбите, если он движется с первой космической скоростью, и находится на высоте, где соответствующая плотность верхних слоёв атмосферы, в первом приближении, допускает круговое или эллиптическое движение. При этом на орбите такого типа аппарат может находиться не менее одного витка. Типичные параметры опорной орбиты, на примере космического корабля «Союз-ТМА» составляют:
минимальная высота над уровнем моря (вперигее) – 193 км,
максимальная высота над уровнем моря (вапогее) – 220 км,
наклонение – 51,6 градуса,
период обращения – около 88,3 минуты.
При определении высоты НОО важно указывать, от какой модели Земли она отсчитывается. Российские баллистики традиционно указывают высоту над эллипсоидом, а американские – над сферой, в результате разница может достигать 20 км (примерно соответствует разнице экваториального и полярного радиусов Земли), а положения апогея и перигея – смещаться.
Так как суточное вращение Земли участвует в выведении ракеты-носителя на орбиту, то грузоподъёмность зависит от наклонения орбиты к плоскости экватора. Наилучшие условия достигаются, если НОО имеет наклон к экватору, который совпадает с широтой стартовой площадки, с которой был осуществлён запуск. Другие наклонения орбиты ведут к уменьшению параметров ракеты-носителя по способности вывода груза на орбиту. Однако, не для всех космодромов возможен запуск в наиболее энергетически выгодном направлении, так, например, для Байконура с широтой около 46 градусов невозможен запуск на наклонения меньше 48,5 градусов из-за ограничений по расположению территорий падения отделяющихся частей ракет (зон отчуждения). Наиболее часто используемое наклонение при запусках с Байконура – 51,6 градуса, меньшие наклонения используются редко.
Время жизни, или время нахождения КА на НОО , зависят от баллистических параметров искусственного небесного тела и от активности Солнца в этот период, которая влияет на высоту верхних слоёв атмосферы Земли.
Чем ниже орбита, тем больше масса груза, который может вывести на неё ракета-носитель при прочих равных условиях. Поэтому опорную орбиту выгодно делать как можно ниже. На практике время орбитального полёта (до вхождения в плотные слои атмосферы) менее одних суток может вызвать проблемы при отказах на борту космического аппарата, поэтому такие низкие орбиты практически не используются. Кроме того, на минимальную высоту опорной орбиты влияет величина погрешности выведения, так как при неблагоприятном сочетании ошибок измерительных приборов, органов управления и внешних факторов орбита может оказаться слишком низкой и КА вернётся в атмосферу Земли и сгорит, прежде чем успеет сманеврировать. Тем не менее, известны случаи выведения аппаратов на орбиты с периодом обращения менее 88 минут и высотой перигея 121-150 км. Например, на опорную орбиту с перигеем 129 км была выведена автоматическая станция Луна-7.
Понятие «опорная орбита» вошло в обиход с началом запусков четырёхступенчатой ракеты 8К78 «Молния», четвёртая ступень которой запускалась в невесомости после совершения примерно 3/4 оборота вокруг Земли, как требовалось для межпланетных и лунных АМС.
Низкая околоземная орбита может использоваться не только как опорная, но и как рабочая. В общем случае низкими считаются орбиты с высотой апогея до 2000 км. Особой разновидностью низких околоземных орбит является солнечно-синхронная орбита. На такие орбиты запускаются спутники дистанционного зондирования Земли.
На низкой околоземной орбите находится МКС. После завершения в 1972 году программы «Аполлон» все пилотируемые полёты в космосе происходят по низкой околоземной орбите. В связи с интенсивным использованием на низких орбитах обращается большое количество космического мусора, что приводит к осложнениям в эксплуатации МКС.
Время нахождения спутника на НОО зависит от многих факторов, особенно сильно зависит от влияния Луны и высоты над плотными слоями атмосферы. Например, орбита ИСЗ «Эксплорер-6» (США) менялась каждые 3 месяца от 250 до 160 км, что привело к сроку службы спутника в 2 года вместо 20 запланированных, также первый спутник Земли просуществовал 3 месяца (перигей 215 км, апогей 939 км). Возросшая солнечная активность может привести к резкому увеличению плотности верхней атмосферы – в результате спутник тормозится сильнее, а высота его орбиты снижается быстрее. Существенную роль играет и форма спутника, а именно площадь его миделя (поперечного сечения); для спутников, специально предназначенных к работе на низких орбитах, зачастую выбирают стреловидную, аэродинамически обтекаемую форму корпуса.
Солнечно-синхронная орбита (иногда именуемая гелиосинхронной) –геоцентрическая орбитас такими параметрами, что объект, находящийся на ней, проходит над любой точкой земной поверхности приблизительно в одно и то же местное солнечное время. Таким образом, угол освещения земной поверхности будет приблизительно одинаковым на всех проходах спутника. Такие постоянные условия освещения очень хорошо подходят для спутников, получающих изображения земной поверхности (в том числе спутников дистанционного зондирования земли, метеоспутников). Однако присутствуютгодовые колебания солнечного времени, вызванные эллиптичностью земной орбиты.
Например, спутник LandSat-7, находящийся на солнечно-синхронной орбите, может пересекать экватор пятнадцать раз в сутки, каждый раз в 10:00 местного времени.
Для достижения подобных характеристик параметры орбитывыбираются таким образом, чтобы орбитапрецессировалав восточном направлении на 360 градусов в год (приблизительно на 1 градус в день), компенсируя вращение Земли вокруг Солнца. Прецессия происходит за счёт взаимодействия спутника с Землёй, несферичной из-за полярного сжатия. Скорость прецессии зависит от наклонения орбиты. Нужной скорости прецессии можно достичь лишь для определённого диапазона высот орбит (как правило, выбираются значения 600-800 км, с периодами 96-100 мин.), необходимое наклонение для упомянутого диапазона высот около 98°. Для орбит с бо́льшими высотами требуются весьма большие значения наклонения, из-за чего в зону посещений спутника перестают попадать полярные области.
Данный тип орбит может иметь различные вариации. Например, возможны солнечно-синхронные орбиты с большим эксцентриситетом. В этом случае солнечное время прохода будет зафиксировано только для одной точки орбиты (как правило, перигея).
Период обращения выбирается в соответствии с необходимым периодом повторных проходов над одной и той же точкой поверхности. Хотя спутник на круговой солнечно-синхронной орбите пересекает экватор в одно и то же местное время, это происходит в разных точках экватора (на разной долготе) из-за того, что Земля поворачивается на некоторый угол между проходами спутника. Предположим, период обращения составляет 96 мин. Это значение нацело делит солнечные сутки 7 на пятнадцать. Таким образом, за сутки спутник пройдёт над пятнадцатью разными точками экватора на дневной стороне орбиты (и еще над пятнадцатью - на ночной) и вернется к первой точке. Подбором более сложных (нецелых) отношений, число посещаемых точек может быть увеличено за счёт увеличения периода посещения одной и той же точки.
Специальным случаем солнечно-синхронной орбиты является орбита, на которой посещение экватора происходит в полдень/полночь, а также орбита, лежащая в плоскости терминатора 8 , то есть в полосе закатов и восходов. Последний вариант не имеет смысла для спутников, осуществляющих оптическую фотосъёмку, но хорош для радарных спутников, так как обеспечивает отсутствие участков орбиты, на которых спутник попадает в тень Земли. Таким образом, на такой орбите солнечные батареи спутника постоянно освещаются Солнцем.
Геоцентрическая орбита – траектория движения небесного тела по эллиптической траектории вокругЗемли.
Один из двух фокусов эллипса, по которому движется небесное тело, совпадает с Землёй. Для того, чтобыкосмический корабльоказался на этой орбите, ему необходимо сообщить скорость, которая меньшевторой космической скорости, но не меньше чемпервая космическая скорость.
Высокая эллиптическая орбита (ВЭО) – это тип эллиптической орбиты, у которой высота в апогее во много раз превышает высоту в перигее.
По законам Кеплера спутники, использующие высокие эллиптические орбиты, двигаются с очень высокой скоростью в перигее, а затем сильно замедляются в апогее. Когда КА находится близко от апогея, у наземного наблюдателя создаётся впечатление, что спутник почти не двигается в течение нескольких часов, то есть его орбита становится квазигеостационарной. В течение 3,5 часов сигнал с него можно принимать на антенну диаметром 0,6 м без использования поворотного устройства. С другой стороны, точка квазигеостационара может быть расположена над любой точкой земного шара, а не только над экватором, как у геостационарных спутников. Это свойство используется в северных и южных широтах, сильно удалённых от экватора (выше 76 – 78° с.ш./ю.ш.), где угол места геостационарных спутников может быть очень низким, или даже отрицательным. В этих зонах приём с геостационарного спутника сильно затруднён или вовсе невозможен, и спутники на высокоэллиптических орбитах являются единственной возможностью обеспечить обслуживание. Углы мест у высокоэллиптических спутников превышают 40° на краях зоны обслуживания и достигают 90° в её центре.
Орбиты ВЭО могут иметь любое наклонение, но часто имеют наклонение близкое к для обнуления возмущения вызванного неправильной формой Земли, похожей на сплюснутый эллипсоид. При использовании такого наклонения орбита стабилизируется.
У эллиптических орбит аргумент перигея, находящийся между 180° и 360°, означает, что апогей находится над Северным полушарием. Если аргумент перигея находится между 0° и 180° – апогей находится над Южным полушарием. Апогей орбиты с аргументом перигея 0° или 180° будет находиться точно над экватором, что с практической точки зрения не имеет смысла, поскольку в этом случае дешевле и проще использовать КА на геостационарной орбите (понадобится всего лишь один спутник вместо трёх).
Спутники на ВЭО обладают следующими достоинствами:
возможность обслуживания очень большой территории. Так, например, такая система может обслуживать всю территориюРоссии;
возможность обслуживания высоких широт. Угол места в этих зонах у систем на ВЭО гораздо больше, чем у геостационарных спутников;
широкое использование различных частотных диапазонов на ВЭО без регистрации (в отличие от геостационарной орбиты, где уже практически не осталось ни свободного места, ни свободных частот);
более дешевый вывод на орбиту (примерно в 1,8 раза).
В то же время, в настоящее время у систем на высокоэллиптических орбитах больше недостатков, чем достоинств. К недостаткам относятся:
необходимость иметь, по крайней мере, три спутника на орбите (вместо одного геостационарного) для создания квазигеостационарной системы. В случае обеспечения круглосуточного непрерывного вещания, количество КА возрастает до семи;
приемная антеннадолжна обладать функцией слежения (привод для разворота). Поэтому первоначальная стоимость такой антенны и стоимость её обслуживания будут выше, чем у простой фиксированной антенны;
в высоких широтах плотность населения гораздо ниже, чем в средних районах, поэтому вопрос окупаемости такой системы очень сомнителен;
апогей спутников на ВЭО выше, чем у ГСО, поэтому мощность передатчиков должна быть выше, до 400-500 ватт. Это удорожает спутники;
орбита спутников на ВЭО обычно пересекает радиационные пояса, что сильно сокращает срок службы КА. Для того чтобы избавиться от этой проблемы, необходимо иметь орбиту с апогеем около 50 тыс. км и перигеем около 20 тыс. км;
так как КА движутся по орбите, эффект Доплера создает дополнительные трудности для приемников на Земле;
из-за большого времени распространения сигнала, возникают сложности при использовании приложений, работающих в реальном масштабе времени (например,телефония).
Геопереходная орбита (ГПО ) – орбита, являющаяся переходной между низкой опорной орбитой (НОО) (высота порядка 200 км) и геостационарной орбитой (ГСО) (35 786 км). В отличие от НОО и ГСО, которые в первом приближении являются круговыми, переходная орбита – это сильно вытянутая эллиптическая траектория движения КА, перигей которой лежит на расстоянии НОО от Земли, а апогей на расстоянии ГСО (орбита Гомана - Ветчинкина).
Завершение вывода КАнаГСОпроисходит, когда он достигает апогея при движении по геопереходной орбите. В этот момент разгонный блок сообщает аппарату разгонный импульс, который превращает его эллиптическое движение в круговое, с периодом обращения вокругЗемли, равным длинесуток.
Геостационарная орбита (ГСО) – круговая орбита, расположенная над экватором Земли (0° широты), находясь на которой искусственный спутник обращается вокруг планеты с угловой скоростью, равной угловой скорости вращения Земли вокруг оси. В горизонтальной системе координат направление на спутник не изменяется ни по азимуту ни по высоте над горизонтом, спутник «висит» в небе неподвижно. Геостационарная орбита является разновидностью геосинхронной орбиты и используется для размещения искусственных спутников (коммуникационных, телетрансляционных и т.п.).
Спутник должен обращаться в направлении вращения Земли, на высоте 35 786 км над уровнем моря. Именно такая высота обеспечивает спутнику период обращения, равный периоду вращения Земли относительно звёзд (Звёздные сутки: 23 часа 56 минут 4,091 секунды).
Преимущества геостационарной орбиты получили широкую известность после выхода в свет научно-популярной статьи Артура Кларка в журнале «Wireless World» в 1945 году, поэтому на Западе геостационарная и геосинхронные орбиты иногда называются «орбитами Кларка ». А «поясом Кларка » называют область космического пространства на расстоянии 36000 км над уровнем моря в плоскости земного экватора, где параметры орбит близки к геостационарной. Первым спутником, успешно выведенным на ГСО, былSyncom-3 , запущенный NASA в августе 1964 года.
Спутник, находящийся на геостационарной орбите, неподвижен относительно поверхности Земли, поэтому его местоположение на орбите называется точкой стояния. В результате, сориентированная на спутник и неподвижно закреплённая направленная антенна может сохранять постоянную связь с этим спутником длительное время.
Геостационарная орбита может быть точно обеспечена только на окружности, расположенной прямо над экватором, с высотой, очень близкой к 35 786 км.
После завершения активной эксплуатации на остатках топлива спутник должен быть переведён на орбиту захоронения, расположенную на 200-300 км выше ГСО.