Что летает вокруг земли
40 лет полёта «Вояджеров». Скоро они замолчат навсегда
40 лет назад ученые Земли отправили в далекий полет две межпланетные станции, которые получили названия «Вояджер-1» и «Вояджер-2». Эти станции идентичны, различает их лишь название и время запуска.
Станцию «Вояджер-2» запустили 20 августа 1977 года, её близнеца — 5 сентября того же года. До сорокалетия «Вояджера-1» осталось подождать еще пару недель. Путаницы с нумерацией зондов нет, поскольку специалисты изначально запланировали, что «Вояджер-1» должен обогнать своего собрата. Так и получилось: зонд с номером один смог вырваться вперед между орбитой Марса и поясом астероидов.
Обе станции направились по разным маршрутам, что позволило им войти в историю. «Вояджер-1» на данный момент — самый удаленный от нашей планеты объект, созданный человеком. А «Вояджер-2» — первый и единственный пока зонд, который смог нанести визит сразу четырем планетам-газовым гигантам Солнечной системы: Юпитеру, Сатурну, Урану и Нептуну.
«Вояджер-1» — не только самый удаленный от Земли рукотворный объект, но и самый быстрый. Его скорость составляет 17 км/с. Сейчас он находится на расстоянии в 139 астрономических единиц, это 21 миллиард километров. Данные полета обоих «Вояджеров» постоянно обновляются на специальной странице Лаборатории реактивного движения НАСА.
Границы Солнечной системы
Говорят, что «Вояджер-1» покинул границы Солнечной системы. Это случалось не единожды. Ученые несколько раз анонсировали, что зонд «уже точно» покинул нашу систему, после чего оказывалось, что это все-таки не так.
Над трудностью определения космических рекордов шутил комикс xkcd. Количество раз, которые «Вояджер-1» покинул границы Солнечной системы, xkcd:1189
Границы были нащупаны в 2012 году. В это время аппарат вошел в зону гелиопаузы, где давление солнечного ветра уравновешивает давление межзвездной среды. Сама гелиосфера — это область околосолнечного пространства, где солнечный ветер всё ещё преобладает над “галактическим ветром” — потоком частиц межзвёздной среды.
В 2013 году несколько раз сообщалось, что «Вояджер-1» вышел за границы влияния Солнца, и в сентябре того же года поступило подтверждение.
Таким образом, зонд все же оказался в межзвездном пространстве. Окончательно ученые убедились в этом лишь в 2014 году. Сейчас плазма, которая окружает зонд, примерно в 40 раз более плотная, чем это было в пределах Солнечной системы.
Надо заметить, что ученые, говоря о том, что аппарат покинул систему, говорят именно о гелиосфере. Если же говорить о выходе за пределы орбиты небесных тел, которые вращаются вокруг Солнца, то этого еще не произошло. Зонд не достиг еще орбиты Седны, транснептунового объекта, не говоря об облаке Оорта. Это облако, «населенное» долгопериодическими кометами, считается внешним краем Солнечной системы.
Набор скорости
Для того, чтобы аппараты смогли набрать достаточную скорость, их запускали при помощи тяжелой ракеты Titan 3E с дополнительной четвертой ступенью. Первая и вторая ступень была заправлена азотным тетраоксидом и аэрозином. В третьей ступени использовался жидкий водород и кислород, а в четвертой уже твердое топливо.
Особенности зондов
Ученые учли, что через несколько лет после старта «Вояджерам» не хватит энергии солнечных панелей для работы всех систем. Поэтому каждый из аппаратов оснащен сразу тремя радиоизотопными термоэлектрическими генераторами, мощность которых на момент запуска составляла 470 Ватт. Сейчас из-за полураспада мощность уже ниже — около 300 Ватт. С течением времени она будет падать. Считается, что уже через несколько лет получаемой зондами энергии будет не хватать для нормальной работы, так что системы продолжат путь в радиомолчании.
Конструкция устройств также предусматривает наличие трех типов компьютеров. Первый служит для управления научными инструментами и приборами, второй — управляет полетами, третий — командный. Для резервирования компьютеров каждого типа установлено по два.
Работа над созданием «Вояджера» продолжается (9 июля 1976), НАСА
Весточка Земли
40 лет назад конструкторы, которые разрабатывали зонды, захотели связаться с инопланетным разумом. Авторы проекта заложили в аппараты весточку от землян.
Главное, что хотели указать ученые в сообщении — местоположение Земли. Это и было сделано путем создания специфической карты, где основные ориентиры — это пульсары. Всего их четырнадцать, и каждый обладает уникальными характеристиками. Инопланетной цивилизации, которая сможет перехватить «Вояджер» (любой из них) об особенностях пульсаров должно быть известно. Каждый из них существует миллионы лет, так что это достаточно надежный маяк, который будет работать еще очень долго. Инопланетный разум сможет понять, где находится Земля и через миллион лет. Возможно, некоторые пульсары могут существовать несколько миллиардов лет. Все они быстро вращаются, плюс имеют уникальный «профиль» импульсов электромагнитного излучения. Задержка между импульсами тоже уникальна. В итоге пульсары решили считать «космическими маяками», и составить карту на основе именно пульсаров.
Длина линий, которые соединяют каждый пульсар с Солнцем (это центральный элемент на карте) показывают, насколько далеко каждый из них находится от нашей звезды. Скорость вращения пульсаров записана в бинарном коде, так что все данные удалось сократить всего до 12 символов. Помимо местоположения Земли, карта способна дать понимание того, когда был запущен зонд.
Информация, о которой идет речь, была записана на золотых пластинах. Автором карты является Фрэнк Дрейк. Его дочь, Кетрин Деннинг, говорит, что ученые во время подготовки карты и изготовления золотых пластин не особо спорили на тему возможных рисков контакта с «братьями по разуму». Сейчас, кстати, Деннинг занимается изучением плюсов и минусов отправки сообщений внеземным цивилизациям. Что характерно, сейчас все больше специалистов, не говоря уж об обычных людях, считают, что не стоит пытаться быть услышанными — лучше, как и раньше, просто слушать космос в поисках «родственников».
«Вояджеры» — угроза Земле?
Как уже говорилось выше, все больше людей сейчас склоняется к мысли, что «Вояджеры» представляют собой угрозу для человечества, поскольку они несут информацию о точном местоположении Земли. Эти данные могут быть использованы инопланетным разумом, например, для нападения на нашу планету.
Почему ученые все же решили отправить карту и золотую пластину, где подробнейшим образом рассказывается о жизни на Земле и человечестве? Фрэнсис Дрейк говорит, что когда были запущены «Вояджеры», то ученые даже не знали, существуют ли другие планеты за пределами Солнечной системы. Точнее, большинство специалистов считали, что конечно, они существуют. Но доказательств этому не было.
Сейчас, благодаря телескопу «Кеплер», ученые уже знают, что экзопланеты — это правило для Вселенной, а не исключение, причем землеподобных планет тоже много. В итоге вполне может быть, что жизнь в космосе — тоже правило, а не исключение.
Но поскольку мы даже не представляем о том, что может быть «по ту сторону космоса», то отправлять какие-либо данные о себе может быть крайне необдуманным поступком. «В те годы почти все люди, с которыми я общался, были оптимистами, считающими, что если инопланетяне и существуют, то они, скорее всего, дружелюбны», — заявил недавно Дрейк. «Никто не думал о том, что то, чем мы занимаемся, может быть попросту опасным».
Тем не менее, тот же Дрейк считает, что вероятность того, что карты на борту зондов попадут к внеземной цивилизации, крайне мала. «Они движутся со скоростью более 10 километров в секунду. При этой скорости аппараты смогут добраться до ближайшей звезды лишь через полмиллиона лет, затем еще полмиллиона понадобится для того, чтобы прибыть к другой звезде. И понятно, что они не направлены к конкретному светилу. Они просто летят туда, куда их направили».
Если уж инопланетяне и обнаружат Землю, считает ученый, то по радиошуму и другим признакам существования на планете цивилизации. А вот зонды, скорее всего, будут лететь в тишине Вселенной вечно, оставаясь незамеченными в течение миллионов лет.
Пока аппараты продолжают работать, а значит, они до сих пор присылают на Землю ценнейшие данные о том, что представляет собой дальний космос.
Так что «Вояджеры» — все же благо, а не зло. Они принесли огромную пользу, а вред послания человечества вряд ли возможен.
Какие спутники летают у нас над головой?
Первый искусственный спутник, запущенный в СССР ничего не умел. Он только транслировал в пространство «бип-бип» и быстро сгорел в плотных слоях атмосферы. С тех пор прошло каких-то 60 лет. а жизнь без космических аппаратов уже невозможна. Что же за спутники кружат у нас над головой?
Ученые говорят, что над землей летает уже около 100 тыс рукотворных космических объектов. Но сколько точно — не знает никто. Ведь большинство из этих объектов — так называемый космический мусор: обломки ракет, навсегда умолкшие старые спутники, оброненный космонавтами инструмент… Исправных аппаратов на орбите сегодня около 700.
Формально космос начинается на высоте 100 км. Но, двигаясь от Земли вертикально вверх, на этой высоте мы не встретим ни одного космического аппарата. Первый рукотворный объект попадется нам на 370-м километре. Он будет и самым крупным: это МКС, Международная космическая станция. Поднимать ее выше слишком дорого: вывод на орбиту одного килограмма груза стоит десятки тысяч долларов, а станция весит сотни тонн. И опускать ниже тоже нерационально: с уменьшением высоты возрастает сила торможения.
Орбиту МКС, если нужно, можно периодически поднимать с помощью грузовых кораблей но со спутником так не выйдет. Поэтому, чтобы они дольше летали, их обычно забрасывают выше 500 км. Орбиты, по которым летают спутники, простираются от 500 до 100 тыс. км от Земли. А дальше начинается космическая пустыня — открытый космос, холодный и бездонный.
Что находится на орбите?
Высоты от 100 до 300 км, хотя и являются космосом, не используются человеком. Спутников здесь нет. Разве что попадется частный космоплан Берта Рутана, но он суборбитальный аппарат и не делает витков вокруг Земли. На самых «низких» орбитах обычно летают самые большие космические объекты. Ни один из орбитальных комплексов не поднимался выше 400 км, а Юрий Гагарин сделал виток совсем низко по сегодняшним меркам — от 170 до 300 км. Самый крупный объект на этой высоте — МКС, но уже через несколько десятилетий ближний космос будет, видимо, застроен частными космическими отелями. А вот космического мусора здесь практически не бывает: он быстро тормозится сверхразреженным воздухом, опускается ниже и сгорает.
Космический телескоп Hubble.
590 км. Орбита знаменитого космического телескопа Hubble. Это самый большой орбитальный телескоп, диаметр его зеркала 2,4 м. Для наземных аппаратов это не очень много, но на орбите наблюдениям не мешает атмосфера, поэтому изображения с телескопа поступают исключительно четкие. Hubble был запущен американским NASA в 1990 году, с его помощью сделано множество научных открытий. Так, именно Hubble помог точно установить возраст нашей Вселенной. Он открыл неизвестные ранее галактики, нашел свидетельства существования массивных черных дыр в центрах галактик и даже несколько планетарных систем, похожих на Солнечную.
650 км. Орбита запущенного NASA спутника SORCE, который изучает влияние солнечного излучения на климат Земли. Для этого у аппарата есть спектрометр и фотометр.
700 км. Здесь «живет» американский спутник TERRA, один из участников большой научной программы, задача которой — понять, как связаны между собой суша, океаны, атмосфера и биосфера Земли. Спутник вращается вокруг планеты в районе экватора. Часть его инструментов служит для изучения образования облаков, другая следит за теплообменными процессами между сушей и океаном.
750 км. На этой высоте обитает французский аппарат SARA — 11-метровая радиоастрономическая обсерватория, направленная на Юпитер.
800 км. Спутник RADARSAT-2 занимается сбором информации для океанографов, климатологов и геологов, следит за косяками рыбы в южных морях и проводит разведку нефти.
820 км. Здесь находится американский спутник QuickSCAT, который специализируется на измерении скорости ветра вблизи поверхности океана. Это очень важно и для климатологов, и для метеорологов.
1200 км. Нижняя точка орбиты спутника IMAGE. В верхней точке этот аппарат уходит очень далеко от Земли на 45 тыс. км. IMAGE занимается изучением влияния солнечного ветра на магнитосферу Земли — того, что в прогнозах погоды называют «магнитными бурями».
1340 км. Здесь некогда расположился аппарат Poseidon, миссия которого заключалась в точнейших измерениях уровня моря. Объектом его наблюдений было гигантское океанское течение Эль-Ниньо, а основная задача американо-французского проекта ТОРЕХ, в рамках которого он был запущен,- изучать влияние глобального потепления на климат. Вместо потепления спутник, как ни странно, зафиксировал очень слабое похолодание. Аппарат покрывал 90% площади мирового океана за 11 дней. Миссия прекратилась в 2006 году.
2651 км. На этой высоте витает один из наших многочисленных «Интеркосмосов», запущенных еще в советское время.
4619 км. Это высота орбиты американского спутника EXOS D, который занят изучением космических частиц, вызывающих магнитные бури и северные сияния.
10.000 км. Это нижняя точка орбиты еще одного астрономического прибора NASA — радиотелескопа Chandra, названного в честь великого астрофизика XX века Субраманьяна Чандрасекара. В высшей точке он поднимается более чем на 140 тыс. км. Именно с его помощью была открыта «темная материя», которая, как предполагается, в конце концов поглотит наш мир.
14.000 км. Тут работает еще один рентгеновский телескоп, запущенный Европейским космическим агентством,- он называется Newton и занят массой дел: слежением за двойными звездами, скоплениями межзвездного газа и изучением сверхновых, то есть взорвавшихся звезд в ближних галактиках. Высшая точка у Newton — 107 тыс. км.
20.000 км. Здесь расположены спутники американской системы GPS и отечественной ГЛОНАСС (читайте подробнее о данной системе ТУТ ), без которых не будет работать ни один электронным навигатор ни в самолете, ни на корабле, ни в вашем автомобиле. На каждом спутнике установлены две пары суперточных атомных часов. Благодаря им сегодня можно определить свое местоположение с точностью до одного-двух метров.
36.000 км. Это так называемая геостационарная орбита. На такой высоте спутники совершают один оборот точно за сутки. Поскольку Земля вращается с той же скоростью, то получается, что спутники как бы зависают над ней. Здесь около двухсот космических аппаратов. Больше всего телевизионных спутников, и ваш любимый европейский Hotbird, на который настроена «тарелка», летает тоже на этой высоте. Немало и спутников связи, например, для обслуживания спутниковых телефонов. Есть здесь и отечественные аппараты. Один из них, «Экспресс-AM1», занят, в частности, обслуживанием президентской и правительственной спецсвязи. Аппарат охватывает территорию европейской части России, СНГ, Европы, Северной Африки, Ближнего Востока и Индии.
Проблема «космического мусора»
Проблема «космического мусора» актуальна уже сегодня, а через 10-15 лет от этих отходов некуда будет деться.Но решение есть. Американские ученые разработали так называемую «привязь терминатора». Это катушка с тонким кабелем длиной 5 км. Как только спутник получит с Земли команду на самоуничтожение, кабель будет размотан. При движении через ионосферу, насыщенную электронами, по кабелю потечет электрический ток. От этого возникнет сила, которая быстро стащит спутник с орбиты. Если аппарат летает на высоте 1400 км, то самостоятельно он упадет через 9 тысяч лет, а с помощью «привязи» сгорит в атмосфере уже через 37 суток.
Конструкция спутников
Спутники, хотя и выглядят на картинках очень хитрыми устройствами, на самом деле не так уж сложны. Дело в том, что конструкция подавляющего большинства спутников модульная: их собирают из отдельных блоков наподобие конструктора. Одни блоки обеспечивают спутник питанием, другие отвечают за передачу данных на Землю, третьи обслуживают измерительную аппаратуру. Такой тип аппаратов называется унифицированной космической платформой. В мире нисколько платформ, одну из них использует российская РКК «Энергия». На ее базе были созданы спутники связи «Ямал» и другие аппараты.
Специфика спутников
Исследования космоса, планет и Солнца, изучение Мирового океана и поверхности Земли, радионавигация, контроль за посевами и изучение эрозии почв, наблюдение за состоянием лесов и загрязнением воды, разведка косяков рыбы, полезных ископаемых, прогнозирование погоды, топосъемка, связь и телевещание — вот что делают для нас спутники.
Выглядит страшно: Какие советские спутники до сих пор на орбите и в чём их опасность
Ведущий научный сотрудник Института космических исследований — о том, куда могут полететь обломки аппарата «Космос-1408» и сколько ещё хлама летает вокруг Земли.
Это короткое видео производит впечатление, если знать, что именно снято: летящие обломки советского военного спутника «Космос-1408». Ролик предоставила американская компания Numerica, у неё есть целая сеть наземных телескопов для отслеживания спутников и вообще ближнего космоса.
In addition to these images, Slingshot Aerospace’s partner @numerica_corp has also provided a video from shortly after impact. The circled areas show the newly created debris in LEO from the Russian anti-satellite test (#ASAT) against #Cosmos1408. pic.twitter.com/E1FZbjVZEy
«Космос-1408» запустили в 1982 году, тогда он занял своё место на орбите высотой примерно в 650–680 километров и совершал один оборот почти за 100 минут. За прошедшие почти 40 лет он понемногу приближался к Земле под действием гравитации, но всё равно оставался выше МКС. Напомним, Международная космическая станция работает на высоте около 400 километров.
Этот спутник уже много лет не работал — типичный экземпляр космического мусора. Поэтому его и выбрали как подходящую мишень для испытаний противоспутниковой ракеты. Надо сказать, это уже не первое и не второе подобное мероприятие в мире. Стоит вспомнить хотя бы сбитый Китаем в 2007 году метеоспутник — тогда в разные стороны разлетелись две тысячи обломков. Или американскую ракету ASM-135, запущенную в 1985 году. Её задачей было ударить по отработавшему своё спутнику Пентагона.
Всё это, конечно, обостряет и без того неспокойную ситуацию с космическим мусором, потому что помимо таких военных демонстраций на орбите случаются и столкновения аппаратов. Взять, например, инцидент 2009 года: тогда друг в друга ударились советский зонд «Космос-2251» и американский Iridium-33. От них осталось 1150 обломков. Многие из них были настолько крупными, что их было даже видно на экранах радаров. А ещё бывают самопроизвольные взрывы — из-за перегрева остатков топлива в баках. Плюс по разным причинам от аппаратов отламываются детали. Одним словом, хаос. Причём то количество обломков, которое удаётся подсчитать, — это лишь более-менее крупные, а именно от 10 сантиметров. Всё, что мельче, вообще счёту не поддаётся. А ведь даже мельчайшая песчинка на орбите может, к примеру, пробить скафандр или обшивку станции, потому что она носится там с чудовищной скоростью.
Прогнозы на этот счёт в основном примерно такие: скоро в околоземном пространстве станет тесно, хлам будет мешать работающим спутникам и угрожать космическим станциям, а в конце концов у Земли сформируется кольцо, как у Сатурна.
Положение дел с космическим хламом Лайфу разъяснил ведущий научный сотрудник Института космических исследований РАН Натан Эйсмонт.
Как работают спутники?
«Человек должен подняться над Землей — в атмосферу и за ее пределы — ибо только так он полностью поймет мир, в котором живет».
Сократ сделал это наблюдение за века до того, как люди успешно вывели объект на земную орбиту. И все же древнегреческий философ, кажется, понял, насколько ценным может быть вид из космоса, хотя совершенно не знал, как этого достичь.
Этому понятию — о том, как вывести объект «в атмосферу и за ее пределы» — пришлось ждать до тех пор, пока Исаак Ньютон не опубликовал свой знаменитый мысленный эксперимент с пушечным ядром в 1729 году. Выглядит он примерно так:
В октябре 1957 года Советский Союз наконец подтвердил догадку Ньютона, запустив «Спутник-1» — первый искусственный спутник на орбите Земли. Это инициировало космическую гонку и многочисленные запуски объектов, которым предназначалось летать вокруг Земли и других планет Солнечной системы. С момента запуска «Спутника» некоторые страны, по большей части США, Россия и Китай, запустили более 3000 спутников в космос. Некоторые из этих сделанными людьми объектов, например МКС, большие. Другие отлично умещаются в небольшом сундучке. Благодаря спутникам мы получаем прогнозы погоды, смотрим телевизор, сидим в Интернете и звоним по телефону. Даже те спутники, работу которых мы не ощущаем и не видим, отлично служат в пользу военных.
Конечно, запуск и эксплуатация спутников привели к проблемам. Сегодня, учитывая более 1000 рабочих спутников на земной орбите, наш ближайший космический район стал оживленнее, чем крупный город в час пик. Приплюсуйте к этому нерабочее оборудование, заброшенные спутники, части аппаратного обеспечения и фрагменты от взрывов или столкновений, которые наполняют небеса вместе с полезным оборудованием. Этот орбитальный мусор, о котором мы подробно писали, накапливался на протяжении многих лет и представляет серьезную угрозу для спутников, в настоящее время кружащим вокруг Земли, а также для будущих пилотируемых и непилотируемых запусков.
В этой статье мы залезем в кишки обычного спутника и заглянем в его глаза, чтобы увидеть виды нашей планеты, о которых Сократ и Ньютон не могли и мечтать. Но сначала давайте подробнее разберемся, чем, собственно, спутник отличается от других небесных объектов.
Что такое спутник?
Чтобы понять, почему спутники движутся таким образом, мы должны навестить нашего друга Ньютона. Он предположил, что сила гравитации существует между двумя любыми объектами во Вселенной. Если бы этой силы не было, спутники, летящие вблизи планеты, продолжали бы свое движение с одной скоростью и в одном направлении — по прямой. Эта прямая — инерционный путь спутника, который, однако, уравновешивается сильным гравитационным притяжением, направленным к центру планеты.
Иногда орбита спутника выглядит как эллипс, приплюснутый круг, который проходит вокруг двух точек, известных как фокусы. В этом случае работают все те же законы движения, разве что планеты расположены в одном из фокусов. В результате, чистая сила, приложенная к спутнику, не проходит равномерно по всему его пути, и скорость спутника постоянно меняется. Он движется быстро, когда находится ближе всего к планете — в точке перигея (не путать с перигелием), и медленнее, когда находится дальше от планеты — в точке апогея.
Спутники бывают самых разных форм и размеров и выполняют самые разнообразные задачи.
Когда были изобретены спутники?
Ученые не понимали Кларка — до 4 октября 1957 года. Тогда Советский Союз запустил «Спутник-1», первый искусственный спутник, на орбиту Земли. «Спутник» был 58 сантиметров в диаметре, весил 83 килограмма и был выполнен в форме шарика. Хотя это было замечательное достижение, содержание «Спутника» было скудным по сегодняшним меркам:
На внешней стороне «Спутника» четыре штыревые антенны передавали на коротковолновой частоте выше и ниже нынешнего стандарта (27 МГц). Станции слежения на Земле поймали радиосигнал и подтвердили, что крошечный спутник пережил запуск и успешно вышел на курс вокруг нашей планеты. Месяцем позже Советский Союз запустил на орбиту «Спутник-2». Внутри капсулы была собака Лайка.
В декабре 1957 года, отчаянно пытаясь идти в ногу со своими противниками по холодной войне, американские ученые попытались вывести спутник на орбиту вместе с планетой Vanguard. К сожалению, ракета разбилась и сгорела еще на стадии взлета. Вскоре после этого, 31 января 1958 года, США повторили успех СССР, приняв план Вернера фон Брауна, который заключался в выводе спутника Explorer-1 с ракетой U.S. Redstone. Explorer-1 нес инструменты для обнаружения космических лучей и обнаружил в ходе эксперимента Джеймса Ван Аллена из Университета Айовы, что космических лучей гораздо меньше, чем ожидалось. Это привело к открытию двух тороидальных зон (в конечном счете названных в честь Ван Аллена), наполненных заряженными частицами, захваченными магнитным полем Земли.
Воодушевленные этими успехами, некоторые компании начали разрабатывать и запускать спутники в 60-х годах. Одной из них была Hughes Aircraft вместе со звездным инженером Гарольдом Розеном. Розен возглавил команду, которая воплотила идею Кларка — спутник связи, размещенный на орбите Земли таким образом, что мог отражать радиоволны из одного места в другое. В 1961 году NASA заключило контракт с Hughes, чтобы построить серию спутников Syncom (синхронная связь). В июле 1963 года Розен и его коллеги увидели, как Syncom-2 взлетел в космос и вышел на грубую геосинхронную орбиту. Президент Кеннеди использовал новую систему, чтобы поговорить с премьер-министром Нигерии в Африке. Вскоре взлетел и Syncom-3, который на самом деле мог транслировать телевизионный сигнал.
Эпоха спутников началась.
Какая разница между спутником и космическим мусором?
Техногенные объекты, вроде «Спутника» и Explorer, также можно классифицировать как спутники, поскольку они, как и луны, вращаются вокруг планеты. К сожалению, человеческая активность привела к тому, что на орбите Земли оказалось огромное количество мусора. Все эти куски и обломки ведут себя как и крупные ракеты — вращаются вокруг планеты на высокой скорости по круговому или эллиптическому пути. В строгом толковании определения можно каждый такой объект определить как спутник. Но астрономы, как правило, считают спутниками те объекты, которые выполняют полезную функцию. Обломки металла и другой хлам попадают в категорию орбитального мусора.
Орбитальный мусор поступает из многих источников:
NASA вывело специальный спутник под названием LDEF для изучения долгосрочных эффектов от столкновения с космическим мусором. За шесть лет инструменты спутника зарегистрировали около 20 000 столкновений, некоторые из которых были вызваны микрометеоритами, а другие орбитальным мусором. Ученые NASA продолжают анализировать данные LDEF. А вот в Японии уже планируют развернуть гигантскую сеть для отлова космического мусора.
Что внутри обычного спутника?
У всех спутников есть источник питания (обычно солнечные батареи) и аккумуляторы. Массивы солнечных батарей позволяют заряжать аккумуляторы. Новейшие спутники включают и топливные элементы. Энергия спутников очень дорога и крайне ограничена. Ядерные элементы питания обычно используются для отправки космических зондов к другим планетам.
У всех спутников есть бортовой компьютер для контроля и мониторинга различных систем. У всех есть радио и антенна. Как минимум, у большинства спутников есть радиопередатчик и радиоприемник, поэтому экипаж наземной команды может запросить информацию о состоянии спутника и наблюдать за ним. Многие спутники позволяют массу различных вещей: от изменения орбиты до перепрограммирования компьютерной системы.
Как и следовало ожидать, собрать все эти системы воедино — непростая задача. Она занимает годы. Все начинается с определения цели миссии. Определение ее параметров позволяет инженерам собрать нужные инструменты и установить их в правильном порядке. Как только спецификация утверждена (и бюджет), начинается сборка спутника. Она происходит в чистой комнате, в стерильной среде, что позволяет поддерживать нужную температуру и влажность и защищать спутник во время разработки и сборки.
Искусственные спутники, как правило, производятся на заказ. Некоторые компании разработали модульные спутники, то есть конструкции, сборка которых позволяет устанавливать дополнительные элементы согласно спецификации. К примеру, у спутников Boeing 601 было два базовых модуля — шасси для перевозки двигательной подсистемы, электроника и батареи; и набор сотовых полок для хранения оборудования. Эта модульность позволяет инженерам собирать спутники не с нуля, а с заготовки.
Как спутники запускаются на орбиту?
В большинстве запусков спутников запуск ракеты происходит прямо вверх, это позволяет быстрее провести ее через толстый слой атмосферы и минимизировать расход топлива. После того, как ракета взлетает, механизм управления ракеты использует инерциальную систему наведения для расчета необходимых корректировок сопла ракеты, чтобы обеспечить нужный наклон.
После того как ракета выходит в разреженный воздух, на высоту около 193 километров, система навигации выпускает небольшие ракетки, чего достаточно для переворота ракеты в горизонтальное положение. После этого выпускается спутник. Небольшие ракеты выпускаются снова и обеспечивают разницу в расстоянии между ракетой и спутником.
Орбитальная скорость и высота
Ракета должна набрать скорость в 40 320 километров в час, чтобы полностью сбежать от земной гравитации и улететь в космос. Космическая скорость куда больше, чем нужно спутнику на орбите. Они не избегают земной гравитации, а находятся в состоянии баланса. Орбитальная скорость — это скорость, необходимая для поддержания баланса между гравитационным притяжением и инерциальным движением спутника. Это примерно 27 359 километров в час на высоте 242 километра. Без гравитации инерция унесла бы спутник в космос. Даже с гравитацией, если спутник будет двигаться слишком быстро, его унесет в космос. Если спутник будет двигаться слишком медленно, гравитация притянет его обратно к Земле.
Орбитальная скорость спутника зависит от его высоты над Землей. Чем ближе к Земле, тем быстрее скорость. На высоте в 200 километров орбитальная скорость составляет 27 400 километров в час. Для поддержания орбиты на высоте 35 786 километров спутник должен обращаться со скорость 11 300 километров в час. Эта орбитальная скорость позволяет спутнику делать один облет в 24 часа. Поскольку Земля также вращается 24 часа, спутник на высоте в 35 786 километров находится в фиксированной позиции относительно поверхности Земли. Эта позиция называется геостационарной. Геостационарная орбита идеально подходит для метеорологических спутников и спутников связи.
В целом, чем выше орбита, тем дольше спутник может оставаться на ней. На низкой высоте спутник находится в земной атмосфере, которая создает сопротивление. На большой высоте нет практически никакого сопротивления, и спутник, как луна, может находиться на орбите веками.
Типы спутников
Полярно-орбитальные спутники также проходят через полюсы с каждым оборотом, хотя их орбиты менее эллиптические. Полярные орбиты остаются фиксированными в космосе, в то время как вращается Земля. В результате, большая часть Земли проходит под спутником на полярной орбите. Поскольку полярные орбиты дают прекрасный охват планеты, они используются для картографирования и фотографии. Синоптики также полагаются на глобальную сеть полярных спутников, которые облетают наш шар за 12 часов.
Можно также классифицировать спутники по их высоте над земной поверхностью. Исходя из этой схемы, есть три категории:
И наконец, можно подумать о спутниках в том смысле, где они «ищут». Большинство объектов, отправленных в космос за последние несколько десятилетий, смотрят на Землю. У этих спутников есть камеры и оборудование, которое способно видеть наш мир в разных длинах волн света, что позволяет насладиться захватывающим зрелищем в ультрафиолетовых и инфракрасных тонах нашей планеты. Меньше спутников обращают свой взгляд к пространству, где наблюдают за звездами, планетами и галактиками, а также сканируют объекты вроде астероидов и комет, которые могут столкнуться с Землей.
Известные спутники
Однако есть настоящие герои орбиты. Давайте с ними познакомимся.
Сколько стоят спутники?
Строительство такой сложной машины требует массы ресурсов, поэтому исторически только правительственные ведомства и корпорации с глубокими карманами могли войти в спутниковый бизнес. Большая часть стоимости спутника лежит в оборудовании — транспондерах, компьютерах и камерах. Обычный метеорологический спутник стоит около 290 миллионов долларов. Спутник-шпион обойдется на 100 миллионов долларов больше. Добавьте к этому стоимость содержания и ремонта спутников. Компании должны платить за пропускную полосу спутника так же, как владельцы телефонов платят за сотовую связь. Обходится иногда это более чем в 1,5 миллиона долларов в год.
Другим важным фактором является стоимость запуска. Запуск одного спутника в космос может обойтись от 10 до 400 миллионов долларов, в зависимости от аппарата. Ракета Pegasus XL может поднять 443 килограмма на низкую околоземную орбиту за 13,5 миллиона долларов. Запуск тяжелого спутника потребует большей подъемной силы. Ракета Ariane 5G может вывести на низкую орбиту 18 000-килограммовый спутник за 165 миллионов долларов.
Несмотря на затраты и риски, связанные с постройкой, запуском и эксплуатацией спутников, некоторые компании сумели построить целый бизнес на этом. К примеру, Boeing. В 2012 году компания доставила в космос около 10 спутников и получила заказы на более чем семь лет, что принесло ей почти 32 миллиарда долларов дохода.
Будущее спутников
Другое решение — сокращение размера и сложности спутников. Ученые Калтеха и Стэнфордского университета с 1999 года работают над новым типом спутника CubeSat, в основе которого лежат строительные блоки с гранью в 10 сантиметров. Каждый куб содержит готовые компоненты и может объединиться с другими кубиками, чтобы повысить эффективность и снизить нагрузку. Благодаря стандартизации дизайна и сокращению расходов на создание каждого спутника с нуля, один CubeSat может стоить всего 100 000 долларов.
В апреле 2013 года NASA решила проверить этот простой принцип и запустило три CubeSat на базе коммерческих смартфонов. Цель состояла в том, чтобы вывести микроспутники на орбиту на короткое время и сделать несколько снимков на телефоны. Теперь агентство планирует развернуть обширную сеть таких спутников.
Будучи большими или маленькими, спутники будущего должны быть в состоянии эффективно сообщаться с наземными станциями. Исторически сложилось так, что NASA полагалось на радиочастотную связь, но РЧ достигла своего предела, поскольку возник спрос на большую мощность. Чтобы преодолеть это препятствие, ученые NASA разрабатывают систему двусторонней связи на основе лазеров вместо радиоволн. 18 октября 2013 года ученые впервые запустили лазерный луч для передачи данных с Луны на Землю (на расстоянии 384 633 километра) и получили рекордную скорость передачи в 622 мегабита в секунду.