V jaké výšce jsou létající satelity, výpočet oběžné dráhy, rychlost a směr pohybu

Stejně jako křesla v divadle umožňují jiný pohled na pohled, různé oběžné dráhy družic poskytují perspektivu, z nichž každá má svůj vlastní účel. Někteří se zdá, že se vznášejí nad bodem povrchu, poskytují neustálý pohled na jednu stranu Země, zatímco jiní obíhají kolem naší planety a zametávají na mnoha místech během jednoho dne.

Druhy oběžných drah

V jaké výšce létají satelity? Existují 3 typy oběžných drah blízké země: vysoké, střední a nízké. Na nejvyšším, nejvíce vzdáleném od povrchu je zpravidla mnoho počasí a některé komunikační satelity. Satelity, které se otáčejí na oběžné dráze na střední Zemi, zahrnují navigaci a speciální, určené k monitorování určité oblasti. Většina vědeckých vesmírných vozidel, včetně vozového parku NASA, je na nízké oběžné dráze.

Rychlost jejich pohybu závisí na tom, jak vysoko létají satelity. Při přiblížení se k Zemi se gravitace stává silnějším a pohyb se zrychluje. Například NASA Aqua satelitní trvá asi 99 minut létat kolem planety u zhruba 705 km, a meteorologický přístroj, ke vzdálenému 35786 km od povrchu, to by vyžadovalo 23 hodin, 56 minut a 4 sekundy. Ve vzdálenosti 384,403 km od středu Země měsíc dokončí jednu revoluci za 28 dní.

Aerodynamický paradox

Změna v nadmořské výšce satelitu také mění její orbitální rychlost. Zde je paradox. Pokud provozovatel družice chce zvýšit svou rychlost, nemůže spustit pouze motory pro zrychlení. To zvýší oběžnou dráhu (a výšku), což povede ke snížení rychlosti. Místo toho spusťte motory ve směru opačném ke směru pohybu družice, to znamená provedení akce, která zpomaluje pohyblivé vozidlo na Zemi. Tato akce se bude pohybovat níže, což zvýší rychlost.

Vlastnosti orbity

Kromě nadmořské výšky je cesta družicového pohybu charakterizována excentricitou a sklonem. První se týká tvaru oběžné dráhy. Satelit s nízkou excentricitou se pohybuje po trajektorii blízko kruhové. Excentrická oběžná dráha má tvar elipsy. Vzdálenost od kosmické lodi na Zemi závisí na její poloze.

Sklon je úhel oběžné dráhy vzhledem k rovníku. Satelit, který se otáčí přímo nad rovníkem, má nulový sklon. Pokud kosmická loď přechází přes severní a jižní póly (zeměpisné, ne magnetické), její svah je 90 °.

Všichni dohromady - výška, excentricita a sklon - určují pohyb družice a jak Země bude vypadat z jeho pohledu.

Vysoká Země

Když satelit dosáhne přesně 42164 km od středu Země (asi 36 tisíc km od povrchu), vstupuje do oblasti, kde jeho orbita odpovídá rotaci naší planety. Vzhledem k tomu, že se přístroj pohybuje se stejnou rychlostí jako Země, to znamená, že jeho doba otáčení je 24 hodin, zdá se, že zůstává na místě nad celou délkou, ačkoli se může posunout ze severu na jih. Tato speciální oběžná dráha se nazývá geosynchronní.

Satelit se pohybuje v kruhové oběžné dráze těsně nad rovníkem (výstřednost a sklon jsou nulové) a vzhledem k Zemi zůstává klidná. Vždy se nachází nad stejným bodem na svém povrchu.

Geostacionární oběžná dráha je mimořádně cenná pro sledování počasí, protože satelity na něm poskytují neustálý přehled o stejné ploše. Každých pár minut meteorologické přístroje, jako jsou GOES, poskytují informace o oblacích, vodních parách a větru a tento konstantní tok informací slouží jako základ pro monitorování a předpovědi počasí.

Navíc mohou být geostacionární přístroje užitečné pro komunikaci (telefonie, televize, rádio). Satelity GOES poskytují provoz pátracího a záchranného záchranného majáku používaného při hledání lodí a letadel v nouzi.

A konečně, mnoho z velkých pozemských družic oběžné dráhy Země monitoruje činnost slunečního záření a monitoruje úrovně magnetického pole a záření.

Výpočet nadmořské výšky GSO

Centrální síla F působí na satelit_centrály= (M₁v²) / R a gravitační síla F_t= (GM₁M₂) / R². Vzhledem k tomu, že tyto síly jsou stejné, je možné vyrovnat pravé části a vyříznout je hmotou M₁. V důsledku toho získáváme rovnost v²= (GM²) / R. Proto rychlost v = ((GM₂) / R)^1/2

Vzhledem k tomu, že geostacionární oběžná dráha je kruh délky 2pi-r, rychlost orbitality je v = 2pi-R / T.

Proto R³= T²GM / (4pi-²).

Protože T = 8,64x10⁴s, G = 6,673 x 10^-11 Nmiddot²/ kg², M = 5,98x10²⁴kg, pak R = 4,23 × 10^7. m. Pokud odečteme z R poloměr Země, rovnající se 6,38x10^6. m, zjistíte, v jaké výšce létají satelity přes jeden bod povrchu - 3,59x10^7.m.

Lagrange body

Další pozoruhodné orbity jsou Lagrangeovy body, kde gravitační síla Země je kompenzována gravitací Slunce. Vše, co je tam, je stejně přitahováno těmito nebeskými těly a rotuje se s naší planetou kolem hvězdy.

Z pěti Lagrangeových bodů v systému Sun-Earth jsou pouze poslední dvě, nazvané L4 a L5, stabilní. Ve zbytku je společník jako balancování míčů na vrcholku strmého kopce: jakékoliv nepatrné rozrušení ho vytlačí. Chcete-li zůstat ve vyváženém stavu, musí být kosmická loď neustále upravována. V posledních dvou bodech Lagrange jsou satelity přirovnány k míči v míči: i po silném narušení se vrátí zpět.

L1 leží mezi Zemí a Sluncem, dovoluje, aby satelity v něm měly neustálý pohled na naše svítidlo. SOHO Solar Observatory, satelit NASA a Evropská kosmická agentura Sledují Slunce z prvního bodu Lagrangeu, 1,5 milionu kilometrů od naší planety.

L2 je umístěna ve stejné vzdálenosti od Země, ale je za ní. Satelity na tomto místě vyžadují pouze jeden tepelný štít, aby se ochránili před světlem a teplem Slunce. Toto je dobré místo pro vesmírné dalekohledy, které se používají ke studiu povahy vesmíru pozorováním pozadí mikrovlnného záření.

Třetí bod Lagrangeu se nachází naproti Zemi na druhé straně Slunce, takže hvězda je vždy mezi ní a naší planetou. Satelit v této pozici nebude schopen komunikovat se Zemí.

Čtvrtý a pátý bod Lagrange v orbitální trajektorii naší planety jsou extrémně stabilní 60 ° před a za Zemi.

Středozemní orbita

Blížící se k Zemi, satelity se pohybují rychleji. Existují dvě středně oběžné dráhy blízké Země: polosynchronní a "blesk".

V jaké výšce létají družice v polosynchronní oběžné dráze? Je téměř kulatá (nízká excentricita) a je odstraněna ve vzdálenosti 26,560 km od středu Země (asi 20 200 km nad povrchem). Satelitka v této nadmořské výšce je za 12 hodin plná. Během pohybu se Země otáčí pod ním. Za 24 hodin přechází na rovník 2 identické body. Tato orbita je konzistentní a velmi předvídatelná. Používá se systémem globální polohování GPS.

Oběžné dráhy Molniya (sklon 63,4 °) se používají k pozorování ve vysokých zeměpisných šířkách. Geostacionární družice jsou svázány s rovníkem, takže nejsou vhodné pro vzdálené severní či jižní oblasti. Tato orbita je velmi excentrická: kosmická loď se pohybuje podél prodloužené elipsy se zemí, která se nachází blízko jednoho okraje. Vzhledem k tomu, že se satelit zrychluje působením gravitace, pohybuje se velmi rychle, když je blízko naší planety. Když je odstraníte, rychlost se zpomalí, takže tráví více času v horní části oběžné dráhy na nejvzdálenějším okraji Země, jejíž vzdálenost může dosáhnout 40 tisíc km. Doba oběhu je 12 hodin, ale asi dvě třetiny tohoto času družice tráví přes jednu polokouli. Stejně jako polosynchronní oběžná dráha prochází družice stejnou cestou každých 24 hodin. Používá se pro komunikaci na extrémním severu nebo jihu.

Nízká země

Většina vědeckých družic, mnoho meteorologických a kosmických stanic leží na téměř kruhové nízké oběžné dráze. Jejich sklon závisí na tom, co monitorují. TRMM byla spuštěna pro monitorování srážek v tropických oblastech, proto má relativně malý sklon (35 °), který zůstává blízko rovníku.

Mnoho satelitů pozorovacího systému NASA má téměř polární, vysoce nakloněnou oběžnou dráhu. Kosmická loď se pohybuje po celé Zemi od pole k pólu po dobu 99 minut. Polovina času, kdy přechází přes denní stranu naší planety, a na tyči jde do noci.

Jak se družina pohybuje, Země se otáčí pod ním. V době, kdy se přístroj přepne na osvětlenou oblast, je nad oblastí přilehlým k zóně jeho poslední oběžné dráhy. V průběhu 24 hodin polární satelity pokrývají většinu Země dvakrát: jednou za den a jednou v noci.

Solární synchronní orbita

Stejně jako geosynchronní družice musí být nad rovníkem, což jim umožňuje zůstat nad jedním bodem, mají polární orbitální satelity schopnost zůstat ve stejnou dobu. Jejich oběžná dráha je synchronní se slunečními zářeními - při překonávání rovníkové kosmické lodi je místní sluneční čas vždy stejný. Satelit Terra například překračuje Brazílii vždy v 10:30 ráno. Další příjezd v 99 minutách nad Ekvádorem nebo Kolumbií je také v 10:30 místního času.

Solární synchronní oběžná dráha je pro vědu nezbytná, protože umožňuje udržet úhel slunečního světla na povrchu Země, i když se bude lišit v závislosti na ročním období. Taková stálost znamená, že vědci mohou srovnávat obrazy naší planety po dobu jednoho roku za několik let, aniž by se obávali přílišných skoků osvětlení, které mohou vytvořit iluzi změn. Bez sluneční synchronní oběžné dráhy by bylo obtížné je sledovat v průběhu času a shromáždit informace potřebné pro studium změny klimatu.

Cesta družice je zde velmi omezená. Pokud je v nadmořské výšce 100 km, musí mít oběžná dráha sklon 96 °. Jakákoli odchylka bude nepřijatelná. Vzhledem k tomu, že odpor atmosféry a přitažlivost Slunce a Měsíce mění dráhu přístroje, musí být pravidelně upravována.

Spuštění na oběžné dráze: spuštění

Spuštění družice vyžaduje energii, jejíž výše závisí na umístění místa startu, výšce a sklonu budoucí trajektorie jeho pohybu. Chcete-li se dostat na vzdálenou oběžnou dráhu, musíte utrácet více energie. Satelity s významným sklonem (například polární) jsou energeticky náročnější než ty, které cirkulují nad rovníkem. Rotace na oběžné dráze s nízkým sklonem je usnadněna rotací Země. Mezinárodní kosmická stanice pohybuje se pod úhlem 51,6397 °. To je nezbytné, aby se vesmírné raketoplány a ruské střely dostaly k tomu snadnějšímu. Výška ISS je 337-430 km. Polární družice, na druhé straně, nedostávají pomoc od impulsu Země, takže potřebují více energie k lezení na stejnou vzdálenost.

Úprava

Po spuštění satelitu je třeba vyvinout úsilí, aby se udrželo na určité dráze. Vzhledem k tomu, že Země není ideální sférou, její gravitace je na některých místech silnější. Tato nerovnost, spolu s přitažlivostí Slunce, Měsíce a Jupitera (nejsilnější planety sluneční soustavy), mění sklon orbity. Během své životnosti byla pozice satelitů GOES upravena třikrát nebo čtyřikrát. Nízká oběžná vozidla NASA by měla každoročně regulovat svah.

Kromě toho je atmosféra ovlivněna družicemi blízko Země. Nejvyšší vrstvy, i když poměrně řídké, mají dostatečně silný odpor, aby je přilákaly blíž ke Zemi. Působení gravitace vede k zrychlení družic. V průběhu času spálí, spirálovitě se spouští a snižují do atmosféry nebo spadají na Zemi.

Atmosférický odpor je silnější, když je aktivní slunce. Stejně jako vzduch v balónu expanduje a stoupá po zahřátí, atmosféra stoupá a expanduje, když mu slunce dodává energii. Vzácné vrstvy atmosféry stoupají a jejich místo je obsazeno hustšími vrstvami. Proto by satelity na oběžné dráze Země měly změnit svou polohu asi čtyřikrát ročně, aby kompenzovaly odpor atmosféry. Pokud je aktivita slunečního záření maximální, musí být nastavení přístroje nastaveno každé 2-3 týdny.

Prostorové úlomky

Třetím důvodem, který nutí změnit oběžnou dráhu, je prostorové úlomky. Jeden z komunikačních satelitů Iridium se srazil s nefunkčními ruskými kosmickými loděmi. Rozpadli a tvořili oblak trosky, skládající se z více než 2500 kusů. Každý prvek byl přidán do databáze, která má nyní více než 18 000 objektů technogenního původu.

NASA pečlivě sleduje vše, co může být v cestě družic, protože kvůli vesmírným úlomkům již několikrát změnilo dráhy.

Inženýři Kontrolní centrum mise sledovat pozici vesmírných úlomků a družic, které mohou zasahovat do pohybu a podle potřeby pečlivě naplánovat manévry při útěku. Stejný tým plánuje a manévruje nastavení svahu a nadmořské výšky satelitu.