Na kojoj visini sateliti lete, izračun orbite, brzinu i smjer gibanja

Baš kao što mjesta u kazalištu dopuštaju drugačiji pogled na pogled, različite orbite satelita pružaju perspektivu, od kojih svaka ima svoju svrhu. Neki Čini se da visi preko točke na površini, oni pružaju konstantnu pregled jednoj strani Zemlje, dok je druga kruže oko naše planete, jednog dana pomesti nad više lokacija.

Vrste orbita

Na kojoj visini sateliti lete? Postoje tri vrste prizemnih orbita: visoka, srednja i niska. Na najvišoj, najudaljenijoj od površine, u pravilu, postoji mnogo vremena i nekih komunikacijskih satelita. Sateliti koji rotiraju u srednjoj orbiti uključuju navigaciju i posebnu, dizajniranu za praćenje određene regije. Većina znanstvenih svemirskih vozila, uključujući NASA-inu flotu za promatranje Zemlje, su u maloj orbiti.

Brzina njihova kretanja ovisi o tome koliko su sateliti letjeli. Dok približavamo Zemlji, gravitacija postaje jača, a gibanje se ubrzava. Na primjer, satelit NASA Aqua traje oko 99 minuta kako bi letio oko našeg planeta na nadmorskoj visini od oko 705 km, a meteorološki uređaj udaljen od 35,786 km od površine trebat će 23 sata, 56 minuta i 4 sekunde. Na udaljenosti od 384,403 km od središta Zemlje, Mjesec završava jednu revoluciju za 28 dana.

Aerodinamički paradoks

Promjena visine satelita također mijenja svoju orbitalnu brzinu. Ovdje postoji paradoks. Ako operator satelita želi povećati brzinu, ne može samo pokrenuti motore za ubrzanje. To će povećati orbitu (i visinu), što će dovesti do smanjenja brzine. Umjesto toga, pokrenite motore u smjeru suprotnom smjeru kretanja satelita, to jest, izvršite akciju koja će usporiti pokretno vozilo na Zemlji. Ova akcija će ga premjestiti ispod, što će povećati brzinu.

Karakteristike orbita

Uz visinu, put satelitskog kretanja karakterizira ekscentričnost i nagib. Prvi se odnosi na oblik orbite. Saturn s niskim ekscentricitetom kreće se duž putanja blizu kružnog. Ekscentrična orbita imaju oblik elipse. Udaljenost od letjelice do Zemlje ovisi o položaju.

Nagib je kut orbite u odnosu na ekvator. Satelit koji se rotira izravno iznad ekvatora, ima nulu. Ako letjelica prolazi preko sjevernih i južnih polova (zemljopisna, ne magnetska), nagib je 90 °.

Sve zajedno - visina, ekscentričnost i nagib - određuju kretanje satelita i način na koji će Zemlja izgledati sa svoje točke gledišta.

Visoka Zemlja

Kada satelit dosegne točno 42164 km od središta Zemlje (oko 36 tisuća kilometara od površine), ulazi u zonu gdje njegova orbita odgovara rotaciji našeg planeta. Budući da se aparat kreće istom brzinom kao i Zemlja, to jest razdoblje revolucije je 24 sata, čini se da ostaje na mjestu na jednoj dužini, iako može nestati od sjevera prema jugu. Ova posebna visoka orbita naziva se geosinkroni.

Sateliti se kreću u kružnoj orbiti neposredno iznad ekvatora (ekscentričnost i nagib su nula) i relativno prema Zemlji stoji mirno. Uvijek se nalazi iznad iste točke na svojoj površini.

Geostacionarna orbita iznimno je vrijedno za praćenje vremena, budući da sateliti na njemu pružaju konstantan pregled iste površine. Svakih nekoliko minuta meteorološki instrumenti kao što su GOES pružaju informacije o oblacima, vodenim parama i vjetrovima, a taj stalni protok informacija služi kao osnova za praćenje i prognoziranje vremena.

Nadalje, geostacionarni uređaji mogu biti korisni za komunikaciju (telefon, televizija, radio). Sateliti GOES omogućuju rad traganja i spašavanja koji služi za pomoć pri traženju brodova i zrakoplova u nevolji.

Konačno, mnogi Zemljin orbitalni sateliti visoke Zemlje prate solarnu aktivnost i prate razine magnetskog polja i zračenja.

Izračunavanje visine GSO

Centripetalna sila F djeluje na satelitu_u= (M₁v²) / R i gravitacijska sila F_t= (GM₁M₂) / R². Budući da su ove sile jednake, može se izjednačiti desne dijelove i izrezati ih masom M₁. Kao rezultat, dobivamo jednakost v²= (GM²) / R. Stoga je brzina v = ((GM₂) / R)^1/2

Budući da je geostacionarna orbita krug duljine 2pi-r, orbitalna brzina je v = 2pi-R / T.

Stoga R³= T²GM / (4pi-²).

Od T = 8,64x10⁴s, G = 6,673 x 10^-11 Nmiddot th²kg², M = 5,98x10²⁴kg, zatim R = 4,23 x 10⁷ m. Ako oduzmemo od R radijus Zemlje, jednako 6,38 x 10⁶ m, možete saznati na kojoj visini sateliti lete preko jedne točke površine - 3,59x10⁷m.

Lagrange bodova

Ostale izvanredne orbite su Lagrange bodovi, gdje gravitacijska sila Zemlje nadoknađuje gravitacija Sunca. Sve što je tamo, jednako je privlačno tim nebeskim tijelima i rotira s našim planetom oko zvijezde.

Od pet Lagrange bodova u Sun-Earth sustavu, samo posljednja dva, zvane L4 i L5, su stabilna. U ostalom društvu je poput balansiranja na vrhu strmog brežuljka: bilo koja lagana perturbacija će ga ugasiti. Da ostane u uravnoteženom stanju, svemirska letjelica mora biti stalno prilagođena. Na posljednje dvije točke Lagrangea, sateliti se uspoređuju s loptom u kuglu: čak i nakon jakog perturbacije, vratit će se.

L1 se nalazi između Zemlje i Sunca, omogućuje da sateliti u njemu imaju konstantan pogled na našu svjetiljku. SOHO solarni opservatorij, satelit NASA i Europska svemirska agencija Slijedi Sunce s prve točke Lagranga, 1,5 milijuna kilometara od našeg planeta.

L2 se nalazi na istoj udaljenosti od Zemlje, ali je iza njega. Sateliti na ovom mjestu zahtijevaju samo jedan toplinski štit kako bi se zaštitili od svjetla i vrućine Sunca. Ovo je dobro mjesto za svemirske teleskope koji se koriste za proučavanje prirode svemira promatranjem pozadine mikrovalnog zračenja.

Treća točka Lagrangea nalazi se nasuprot Zemlji s druge strane Sunca, tako da je zvijezda uvijek između njega i našeg planeta. Satelit na ovom položaju neće moći komunicirati s Zemljom.

Četvrta i peta točka Lagrangea u orbitalnoj putanji našeg planeta su izuzetno stabilna na 60 ° ispred i iza Zemlje.

Srednja Zemljina orbita

Biti bliže Zemlji, sateliti se kreću brže. Postoje dvije srednje orbite blizu Zemlje: polusinkroni i "Munja".

Na kojoj visini sateliti lete u polu-sinkronoj orbiti? Gotovo je okrugla (niska ekscentričnost) i uklanja se na udaljenosti od 26.560 km od središta Zemlje (oko 20.200 km iznad površine). Sat na ovoj nadmorskoj visini u potpunosti se okreće za 12 sati. Dok se kreće, Zemlja se okreće ispod nje. Za 24 sata prelazi 2 identične točke na ekvatoru. Ova orbita je dosljedna i vrlo predvidljiva. Koristi sustav globalno pozicioniranje GPS.

Molniya orbite (nagib 63,4 °) koriste se za promatranje na visokim geografskim širinama. Geostacionarni sateliti vezani su za ekvator, pa nisu prikladni za udaljene sjeverne ili južne regije. Ova orbita je vrlo ekscentrična: letjelica se kreće duž elongirane elipse s Zemljom koja se nalazi blizu jednog ruba. Budući da se satelit ubrzava pod djelovanjem gravitacije, kreće se vrlo brzo kada je blizu našeg planeta. Kada ga uklonite, brzina se usporava, pa troši više vremena na vrhu orbite na najudaljenijem rubu Zemlje, a udaljenost do kojega može doseći 40 tisuća kilometara. Razdoblje cirkulacije je 12 sati, ali oko dvije trećine tog vremena satelit troši preko jedne hemisfere. Kao polu-sinkrona orbita, satelit putuje istim putem svakih 24 sata, a koristi se za komunikaciju na krajnjem sjeveru ili jugu.

Niska zemlja

Većina znanstvenih satelita, mnoge meteorološke i svemirske postaje nalaze se na gotovo kružnoj orbite niskoj zemlji. Njihova sklonost ovisi o tome što oni nadgledaju. TRMM je pokrenut za praćenje padalina u tropima, stoga ima relativno nizak nagib (35 °), koji ostaje blizu ekvatora.

Mnogi sateliti NASA-inog sustava promatranja imaju gotovo polarnu, vrlo sklonu orbitu. Svemirska letjelica kreće se oko Zemlje od pola do pola u razdoblju od 99 minuta. Polovica vremena prolazi kroz današnju stranu našeg planeta, a na polu ide noć.

Dok se satelit pomiče, Zemlja se okreće ispod nje. Kad se aparat prebacuje na osvijetljenu površinu, ona je iznad područja koja se nalazi uz zonu svoje posljednje orbite. Tijekom razdoblja od 24 sata, polarni sateliti pokrivaju većinu Zemlje dva puta: jednom u dan i jednom noću.

Sunčeva sinkrona orbita

Baš kao što je geosinkroni satelit mora biti iznad ekvatora, dopuštajući im da ostanu na jednom mjestu, polarni-u orbiti imaju sposobnost da ostane u isto vrijeme. Njihova orbita su sinkronizirana na suncu - pri prelasku ekvatorijalne svemirske letjelice, lokalno sunčevo vrijeme je uvijek ista. Na primjer, Terra satelit prelazi preko Brazila uvijek u 10:30 ujutro. Sljedeći križanje u 99 minuta nad Ekvadorom ili Kolumbijom također je u 10:30 po lokalnom vremenu.

Sunčeva-sinkrona orbita je neophodna za znanost, jer omogućuje da se kut sunčeve svjetlosti pada na Zemljinu površinu, iako će ovisiti o sezoni. Takva postojanost znači da znanstvenici mogu usporediti slike našeg planeta za jednu godinu u nekoliko godina bez brige o previše skokova u rasvjeti koji mogu stvoriti iluziju promjene. Bez sunčane-sinkrone orbite bilo bi teško pratiti ih tijekom vremena i prikupiti informacije potrebne za proučavanje klimatskih promjena.

Put satelita ovdje je vrlo ograničen. Ako je na nadmorskoj visini od 100 km, orbita mora imati nagib od 96 °. Svako odstupanje bit će neprihvatljivo. Budući da se otpor atmosfere i atrakcijska sila Sunca i Mjeseca mijenjaju orbitu aparata, ona se mora redovito prilagoditi.

Pokretanje u orbitu: pokretanje

Pokretanje satelita zahtijeva energiju, čija količina ovisi o lokaciji lansirnog mjesta, visini i sklonosti buduće putanje njezina kretanja. Da biste došli do udaljenih orbita, morate potrošiti više energije. Sateliti s značajnom nagibom (na primjer, polarni) su energetski intenzivniji od onih koji cirkuliraju iznad ekvatora. Rotacija u orbitu s malom nagibom olakšava se rotacijom Zemlje. Međunarodna svemirska stanica kreće se pod kutom od 51.6397 °. To je neophodno kako bi se olakšale prostorne i ruske rakete. Visina ISS je 337-430 km. Polarni sateliti, s druge strane, ne dobivaju pomoć od Zemljinog impulsa pa im je potrebna veća energija da se penju na istu udaljenost.

podešavanje

Nakon pokretanja satelita, potrebno je uložiti napore da se zadrži u određenoj orbiti. Budući da Zemlja nije idealna sfera, njezina je gravitacija u nekim mjestima jača. Ova neravnina, zajedno s privlačenjem Sunca, Mjeseca i Jupitera (najmasivnija planeta Sunčevog sustava), mijenja sklonost orbite. Tijekom svog životnog vijeka položaj GOES satelita bio je podešen tri ili četiri puta. NASA-ini niskotarifni automobili trebali bi regulirati svoj pad godišnje.

Osim toga, na atmosferu utječu sateliti blizu Zemlje. Najgornji slojevi, premda prilično rijetki, imaju dovoljno jak otpor da bi ih privukli bliže Zemlji. Akcija gravitacije dovodi do ubrzanja satelita. Tijekom vremena, oni spaljuju spiralno niže i niže u atmosferu ili pada na Zemlju.

Atmosferska otpornost je jača kada je sunce aktivno. Baš kao što se zrak u balonu širi i diže kada se grije, atmosfera se diže i širi kada Sunce daje dodatnu energiju. Rijetki slojevi atmosfere rastu, a njihovo mjesto zauzima gustija. Zato sateliti na Zemljinoj orbiti trebali bi promijeniti njihov položaj oko četiri puta godišnje kako bi nadoknadili otpor atmosfere. Kada je solarna aktivnost maksimalna, položaj uređaja mora se podesiti svaka 2-3 tjedna.

Prostornih otpadaka

Treći razlog prisiljavanja da promijeni orbitu jest svemirski otpad. Jedan od komunikacijskih satelita Iridium se sudario s disfunkcionalnom ruskom letjelicom. Razbili su se, stvarajući oblak krhotina, koji se sastoji od više od 2500 komada. Svaki je element dodan u bazu podataka, koja sada ima više od 18.000 objekata tehnogenog podrijetla.

NASA pažljivo prati sve što bi moglo biti na putu satelita, jer je zbog prostornih ostataka već nekoliko puta promijenio orbite.

inženjeri Centar za nadzor misije pratiti položaj svemirskih otpadaka i satelita koji mogu ometati kretanje i po potrebi pažljivo planirati manevre izbjegavanja. Isti tim planira i manevrima prilagoditi padinu i nadmorsku visinu satelita.