Wie Sie wissen, hängen geostationäre Satelliten bewegungslos über der Erde über demselben Punkt. Warum fallen sie nicht? Gibt es in dieser Höhe keine Schwerkraft?
Antworten
Ein geostationärer künstlicher Erdsatellit ist ein Apparat, der sich in östlicher Richtung (in der gleichen Richtung, in der sich die Erde selbst dreht) um den Planeten bewegt, in einer kreisförmigen äquatorialen Umlaufbahn mit einer Umlaufdauer, die der Umlaufdauer der Erde entspricht.
Wenn wir also von der Erde aus auf einen geostationären Satelliten blicken, sehen wir ihn bewegungslos an derselben Stelle hängen. Aufgrund dieser Unbeweglichkeit und Hohe Höhe etwa 36.000 km, von denen fast die Hälfte der Erdoberfläche sichtbar ist, werden Relaissatelliten für Fernsehen, Funk und Kommunikation in eine geostationäre Umlaufbahn gebracht.
Aus der Tatsache, dass ein geostationärer Satellit ständig über demselben Punkt auf der Erdoberfläche hängt, ziehen manche Menschen den falschen Schluss, dass die Anziehungskraft zur Erde nicht auf den geostationären Satelliten wirkt, dass die Schwerkraft in einer bestimmten Entfernung verschwindet von der Erde, d.h. sie widerlegen selbst Newton. Natürlich ist es nicht. Der Start von Satelliten in den geostationären Orbit wird genau nach dem Gesetz berechnet Schwere Newton.
Geostationäre Satelliten fallen wie alle anderen Satelliten tatsächlich auf die Erde, erreichen aber nicht ihre Oberfläche. Sie werden von der Anziehungskraft zur Erde (Schwerkraft) beeinflusst, die auf ihren Mittelpunkt gerichtet ist, und in der entgegengesetzten Richtung wird der Satellit von der Zentrifugalkraft beeinflusst, die sich von der Erde abstößt (Trägheitskraft), die sich gegenseitig ausgleichen - die Satellit fliegt nicht von der Erde weg und fällt nicht genau so auf sie, wie ein Eimer, der sich an einem Seil dreht, in seiner Umlaufbahn bleibt.
Wenn sich der Satellit überhaupt nicht bewegen würde, würde er unter dem Einfluss der Anziehungskraft auf die Erde fallen, aber Satelliten bewegen sich, einschließlich geostationärer (geostationärer - mit einer Winkelgeschwindigkeit, die der Winkelgeschwindigkeit der Erdrotation entspricht, d.h. eine Umdrehung pro Tag, und für Satelliten mit niedrigeren Umlaufbahnen ist die Winkelgeschwindigkeit größer, d.h. sie haben Zeit, an einem Tag mehrere Umdrehungen um die Erde zu machen). Die lineare Geschwindigkeit, die dem Satelliten parallel zur Erdoberfläche während des direkten Starts in die Umlaufbahn gemeldet wird, ist relativ groß (in einer niedrigen Erdumlaufbahn - 8 Kilometer pro Sekunde, in einer geostationären Umlaufbahn - 3 Kilometer pro Sekunde). Wenn es keine Erde gäbe, würde der Satellit mit einer solchen Geschwindigkeit in einer geraden Linie fliegen, aber die Anwesenheit der Erde führt dazu, dass der Satellit unter dem Einfluss der Schwerkraft darauf fällt und die Flugbahn in Richtung der Erde biegt, aber die Oberfläche von Die Erde ist nicht flach, sie ist gekrümmt. Soweit sich der Satellit der Erdoberfläche nähert, geht die Erdoberfläche unter dem Satelliten hervor und somit befindet sich der Satellit ständig auf gleicher Höhe und bewegt sich entlang einer geschlossenen Bahn. Der Satellit fällt die ganze Zeit, aber er kann niemals fallen.
Alle künstlichen Satelliten der Erde fallen also auf die Erde, aber - entlang einer geschlossenen Flugbahn. Satelliten befinden sich wie alle fallenden Körper in einem Zustand der Schwerelosigkeit (wenn der Aufzug in einem Wolkenkratzer ausfällt und frei zu fallen beginnt, befinden sich die Menschen darin ebenfalls in einem Zustand der Schwerelosigkeit). Astronauten innerhalb der ISS befinden sich in der Schwerelosigkeit, nicht weil die Anziehungskraft zur Erde im Orbit nicht wirkt (sie ist dort fast dieselbe wie auf der Erdoberfläche), sondern weil die ISS frei auf die Erde fällt - entlang eines geschlossenen Kreises Flugbahn.
So wie die Sitze in einem Theater unterschiedliche Perspektiven auf eine Aufführung bieten, bieten die unterschiedlichen Umlaufbahnen der Satelliten eine Perspektive, die jeweils einem anderen Zweck dient. Einige scheinen über einem Punkt auf der Oberfläche zu schweben und bieten einen konstanten Blick auf eine Seite der Erde, während andere unseren Planeten umkreisen und an einem Tag viele Orte überfliegen.
Orbit-Typen
In welcher Höhe fliegen Satelliten? Es gibt 3 Arten von Erdumlaufbahnen: hoch, mittel und niedrig. In der Regel befinden sich viele Wetter- und einige Kommunikationssatelliten auf der Höhe, die am weitesten von der Oberfläche entfernt ist. Zu den Satelliten, die sich in einer mittleren erdnahen Umlaufbahn drehen, gehören Navigations- und Spezialsatelliten, die zur Überwachung einer bestimmten Region entwickelt wurden. Die meisten wissenschaftlichen Raumfahrzeuge, einschließlich der Flotte des NASA Earth Observation System, befinden sich in einer niedrigen Umlaufbahn.
Die Geschwindigkeit, mit der Satelliten fliegen, hängt von der Geschwindigkeit ihrer Bewegung ab. Je näher wir der Erde kommen, desto stärker wird die Schwerkraft und die Bewegung beschleunigt sich. Beispielsweise benötigt der Aqua-Satellit der NASA etwa 99 Minuten, um unseren Planeten in einer Höhe von etwa 705 km zu umfliegen, während ein meteorologischer Apparat in 35.786 km Entfernung von der Oberfläche 23 Stunden, 56 Minuten und 4 Sekunden benötigt. In einer Entfernung von 384.403 km vom Erdmittelpunkt vollzieht der Mond in 28 Tagen eine Umdrehung.
Aerodynamisches Paradoxon
Die Änderung der Höhe eines Satelliten ändert auch seine Umlaufgeschwindigkeit. Hier liegt ein Paradoxon vor. Wenn der Betreiber eines Satelliten seine Geschwindigkeit erhöhen möchte, kann er nicht einfach die Triebwerke starten, um ihn zu beschleunigen. Dies erhöht die Umlaufbahn (und Höhe), was zu einer Verringerung der Geschwindigkeit führt. Stattdessen sollten Sie die Motoren in die entgegengesetzte Richtung zur Richtung des Satelliten starten, dh eine Aktion ausführen, die auf der Erde die Bewegung verlangsamen würde Fahrzeug. Diese Aktion bewegt es nach unten, was die Geschwindigkeit erhöht.
Orbit-Eigenschaften
Neben der Höhe ist die Bahn eines Satelliten durch Exzentrizität und Neigung gekennzeichnet. Die erste bezieht sich auf die Form der Umlaufbahn. Ein Satellit mit geringer Exzentrizität bewegt sich auf einer nahezu kreisförmigen Bahn. Die exzentrische Umlaufbahn hat die Form einer Ellipse. Die Entfernung des Raumfahrzeugs zur Erde hängt von seiner Position ab.
Die Neigung ist der Winkel der Umlaufbahn in Bezug auf den Äquator. Ein Satellit, der direkt über dem Äquator umkreist, hat keine Neigung. Wenn das Raumschiff über den nördlichen und Südpole(geografisch, nicht magnetisch), seine Neigung beträgt 90°.
Alles zusammen – Höhe, Exzentrizität und Neigung – bestimmen die Bewegung des Satelliten und wie die Erde aus seiner Sicht aussehen wird.
hoch in der Nähe der Erde
Wenn ein Satellit genau 42.164 km vom Erdmittelpunkt (etwa 36.000 km von der Oberfläche entfernt) erreicht, tritt er in eine Zone ein, in der seine Umlaufbahn der Rotation unseres Planeten entspricht. Da sich das Fahrzeug mit der gleichen Geschwindigkeit wie die Erde bewegt, d. h. seine Umlaufzeit 24 Stunden beträgt, scheint es über einen einzigen Längengrad an Ort und Stelle zu bleiben, obwohl es von Norden nach Süden driften kann. Diese spezielle hohe Umlaufbahn wird als geosynchron bezeichnet.
Der Satellit bewegt sich auf einer Kreisbahn direkt über dem Äquator (Exzentrizität und Neigung sind Null) und steht relativ zur Erde still. Es befindet sich immer über demselben Punkt seiner Oberfläche.
Die Molniya-Umlaufbahn (Neigung 63,4°) wird für die Beobachtung in hohen Breiten verwendet. Geostationäre Satelliten sind an den Äquator gebunden, daher eignen sie sich nicht für weit nördliche oder südlichen Regionen. Diese Umlaufbahn ist ziemlich exzentrisch: Das Raumschiff bewegt sich in einer langgestreckten Ellipse, wobei die Erde nahe an einem Rand liegt. Da der Satellit unter dem Einfluss der Schwerkraft beschleunigt, bewegt er sich sehr schnell, wenn er sich unserem Planeten nähert. Wenn er sich entfernt, verlangsamt sich seine Geschwindigkeit, sodass er mehr Zeit an der Spitze der Umlaufbahn am äußersten Rand der Erde verbringt, deren Entfernung 40.000 km erreichen kann. Die Umlaufzeit beträgt 12 Stunden, aber der Satellit verbringt etwa zwei Drittel dieser Zeit auf einer Hemisphäre. Wie in einer halbsynchronen Umlaufbahn folgt der Satellit alle 24 Stunden der gleichen Bahn, die für die Kommunikation im hohen Norden oder Süden verwendet wird.
Niedrige Erde
Die meisten wissenschaftlichen Satelliten, viele meteorologische und Raumstationen befinden sich in einer nahezu kreisförmigen niedrigen Erdumlaufbahn. Ihre Neigung hängt davon ab, was sie überwachen. TRMM wurde eingeführt, um den Niederschlag in den Tropen zu überwachen, daher hat es eine relativ geringe Neigung (35°), bleibt aber nahe am Äquator.
Viele der Überwachungssatelliten der NASA haben eine polnahe, stark geneigte Umlaufbahn. Das Raumschiff bewegt sich in 99 Minuten von Pol zu Pol um die Erde. Die Hälfte der Zeit passiert es die Tagseite unseres Planeten und am Pol geht es auf die Nachtseite.
Während sich der Satellit bewegt, dreht sich die Erde darunter. Wenn sich das Raumfahrzeug zu dem beleuchteten Bereich bewegt, befindet es sich über dem Bereich, der an die Durchgangszone seiner letzten Umlaufbahn angrenzt. Innerhalb von 24 Stunden bedecken Polarsatelliten den größten Teil der Erde zweimal: einmal tagsüber und einmal nachts.
Sonnensynchrone Umlaufbahn
So wie geosynchrone Satelliten über dem Äquator sein müssen, was es ihnen ermöglicht, über demselben Punkt zu bleiben, haben polarumlaufende Satelliten die Fähigkeit, in der gleichen Zeit zu bleiben. Ihre Umlaufbahn ist sonnensynchron - beim Kreuzen RaumfahrzeugÄquator lokal Sonnenzeit immer gleich. Zum Beispiel überquert der Satellit Terra ihn immer um 10:30 Uhr über Brasilien. Die nächste Überfahrt in 99 Minuten über Ecuador oder Kolumbien findet ebenfalls um 10:30 Uhr Ortszeit statt.
Eine sonnensynchrone Umlaufbahn ist für die Wissenschaft notwendig, da sie es ermöglicht, das Sonnenlicht auf der Erdoberfläche zu halten, obwohl es sich mit der Jahreszeit ändert. Diese Konsistenz bedeutet, dass Wissenschaftler Bilder unseres Planeten von einer Jahreszeit zur nächsten über mehrere Jahre hinweg vergleichen können, ohne sich Gedanken über zu viele Lichtsprünge machen zu müssen, die den Eindruck von Veränderungen erwecken können. Ohne eine sonnensynchrone Umlaufbahn wäre es schwierig, sie im Laufe der Zeit zu verfolgen und die für die Untersuchung des Klimawandels erforderlichen Informationen zu sammeln.
Die Bahn des Satelliten ist hier sehr begrenzt. Bei einer Höhe von 100 km sollte die Umlaufbahn eine Neigung von 96° haben. Jede Abweichung ist ungültig. Da der atmosphärische Widerstand und die Anziehungskraft von Sonne und Mond die Umlaufbahn des Raumfahrzeugs verändern, muss er regelmäßig korrigiert werden.
Orbitale Insertion: Start
Der Start eines Satelliten erfordert Energie, deren Menge von der Lage des Startplatzes, der Höhe und Neigung der zukünftigen Flugbahn seiner Bewegung abhängt. Um in eine entfernte Umlaufbahn zu gelangen, wird mehr Energie benötigt. Satelliten mit einer erheblichen Neigung (z. B. polare) verbrauchen mehr Energie als solche, die den Äquator umkreisen. Die Umlaufbahn mit geringer Neigung wird durch die Erdrotation unterstützt. bewegt sich in einem Winkel von 51,6397°. Dies ist notwendig, damit Raumfähren und russische Raketen es leichter erreichen können. Die Höhe der ISS beträgt 337-430 km. Polarsatelliten hingegen werden nicht vom Erdimpuls unterstützt, sodass sie mehr Energie benötigen, um die gleiche Entfernung zurückzulegen.
Einstellung
Nach dem Start eines Satelliten müssen Anstrengungen unternommen werden, um ihn auf einer bestimmten Umlaufbahn zu halten. Da die Erde keine perfekte Kugel ist, ist ihre Schwerkraft an manchen Stellen stärker. Diese Ungleichmäßigkeit, zusammen mit der Anziehungskraft von Sonne, Mond und Jupiter (dem massereichsten Planeten Sonnensystem), ändert die Neigung der Umlaufbahn. GOES-Satelliten wurden im Laufe ihrer Lebensdauer drei- oder viermal korrigiert. Die LEOs der NASA müssen ihre Neigung jährlich anpassen.
Außerdem werden erdnahe Satelliten von der Atmosphäre beeinflusst. Die obersten Schichten bieten, obwohl sie ziemlich verdünnt sind, einen ausreichend starken Widerstand, um sie näher an die Erde zu ziehen. Die Wirkung der Schwerkraft führt zur Beschleunigung der Satelliten. Mit der Zeit verglühen sie, wirbeln tiefer und schneller in die Atmosphäre oder stürzen auf die Erde.
Der Luftwiderstand ist stärker, wenn die Sonne aktiv ist. Genau wie die Luft drin Heißluftballon dehnt sich aus und steigt beim Erhitzen, die Atmosphäre steigt und dehnt sich aus, wenn die Sonne ihr zusätzliche Energie gibt. Die dünnen Schichten der Atmosphäre steigen auf und dichtere nehmen ihren Platz ein. Daher müssen Satelliten im Erdorbit etwa viermal im Jahr ihre Position ändern, um den Luftwiderstand auszugleichen. Bei maximaler Sonnenaktivität muss die Position des Gerätes alle 2-3 Wochen angepasst werden.
Weltraumschrott
Der dritte Grund, der eine Änderung der Umlaufbahn erzwingt, ist Weltraumschrott. Einer der Iridium-Kommunikationssatelliten kollidierte mit einem nicht funktionierenden russischen Raumschiff. Sie stürzten ab und bildeten eine Trümmerwolke, die aus mehr als 2500 Teilen bestand. Jedes Element wurde der Datenbank hinzugefügt, die heute über 18.000 von Menschenhand geschaffene Objekte umfasst.
Die NASA überwacht sorgfältig alles, was sich im Weg von Satelliten befinden könnte, denn Weltraumschrott musste bereits mehrmals die Umlaufbahn wechseln.
Ingenieure überwachen die Position von Weltraumschrott und Satelliten, die die Bewegung stören können, und planen bei Bedarf sorgfältig Ausweichmanöver. Dasselbe Team plant und führt Manöver aus, um die Neigung und Höhe des Satelliten anzupassen.
Oder warum Satelliten nicht fallen? Die Umlaufbahn eines Satelliten ist ein empfindliches Gleichgewicht zwischen Trägheit und Schwerkraft. Die Schwerkraft zieht den Satelliten kontinuierlich in Richtung Erde, während die Trägheit des Satelliten dazu neigt, seine Bewegung in einer geraden Linie zu halten. Wenn es keine Schwerkraft gäbe, würde die Trägheit des Satelliten ihn direkt aus der Erdumlaufbahn heraus schicken Weltraum. An jedem Punkt der Umlaufbahn hält die Schwerkraft den Satelliten jedoch fest.
Um ein Gleichgewicht zwischen Trägheit und Schwerkraft zu erreichen, muss der Satellit eine genau definierte Geschwindigkeit haben. Fliegt er zu schnell, überwindet die Trägheit die Schwerkraft und der Satellit verlässt die Umlaufbahn. (Die Berechnung der sogenannten zweiten Raumgeschwindigkeit, die es dem Satelliten ermöglicht, die Erdumlaufbahn zu verlassen, spielt eine wichtige Rolle beim Start interplanetarer Raumstationen.) Wenn sich der Satellit zu langsam bewegt, gewinnt die Schwerkraft den Kampf gegen die Trägheit und der Satellit stürzt auf die Erde. Genau das geschah 1979, als die amerikanische Raumstation Skylab aufgrund des wachsenden Widerstands zu verfallen begann. obere Schichten Erdatmosphäre. In die eisernen Zangen der Schwerkraft gefallen, stürzte die Station bald auf die Erde.
Geschwindigkeit und Distanz
Weil die Schwere mit der Entfernung schwächer wird, variiert die Geschwindigkeit, die erforderlich ist, um einen Satelliten im Orbit zu halten, mit der Höhe. Ingenieure können berechnen, wie schnell und wie hoch ein Satellit umkreisen muss. Zum Beispiel ein geostationärer Satellit, der sich immer über demselben Punkt befindet Erdoberfläche, muss in 24 Stunden (das entspricht der Zeit einer Umdrehung der Erde um ihre Achse) in einer Höhe von 357 Kilometern eine Umdrehung machen.
Schwerkraft und Trägheit
Das Ausbalancieren eines Satelliten zwischen Schwerkraft und Trägheit kann simuliert werden, indem eine Last an einem daran befestigten Seil gedreht wird. Die Trägheit der Last neigt dazu, sie vom Rotationszentrum wegzubewegen, während die Spannung des Seils, die als Schwerkraft wirkt, die Last auf einer kreisförmigen Umlaufbahn hält. Wenn das Seil durchtrennt wird, fliegt die Last auf einer geraden Flugbahn senkrecht zum Radius ihrer Umlaufbahn davon.
Um einen Satelliten in eine erdnahe Umlaufbahn zu bringen, muss ihm eine Anfangsgeschwindigkeit gegeben werden, die gleich der ersten Raumgeschwindigkeit oder etwas höher als diese ist. Dies geschieht nicht sofort, sondern nach und nach. Eine mehrstufige satellitentragende Rakete nimmt langsam Fahrt auf. Wenn die Fluggeschwindigkeit den berechneten Wert erreicht, wird der Satellit von der Rakete getrennt und beginnt seine freie Bewegung im Orbit. Die Form der Umlaufbahn hängt von der ihr gegebenen Anfangsgeschwindigkeit und ihrer Richtung ab: ihren Abmessungen und ihrer Exzentrizität.
Wenn es keinen Widerstand der Umgebung und die störende Anziehungskraft von Mond und Sonne gäbe und die Erde eine Kugelform hätte, würde sich die Umlaufbahn des Satelliten nicht ändern und der Satellit selbst würde sich ewig darauf bewegen. In Wirklichkeit ändert sich jedoch die Umlaufbahn jedes Satelliten unter dem Einfluss verschiedener Gründe.
Die Hauptkraft, die die Umlaufbahn des Satelliten verändert, ist die Verzögerung, die aufgrund des Widerstands des verdünnten Mediums auftritt, durch das der Satellit fliegt. Mal sehen, wie sich das auf seine Bewegung auswirkt. Da die Umlaufbahn eines Satelliten in der Regel elliptisch ist, ändert sich seine Entfernung zur Erde periodisch. Sie nimmt zum Perigäum hin ab und erreicht am Apogäum ihre maximale Entfernung. Die Dichte der Erdatmosphäre nimmt mit zunehmender Höhe rapide ab, weshalb der Satellit in der Nähe des Perigäums auf den größten Widerstand trifft. Nachdem er einen Teil der kinetischen Energie aufgewendet hat, um diesen, wenn auch geringen, Widerstand zu überwinden, kann der Satellit nicht mehr auf seine vorherige Höhe steigen, und sein Apogäum nimmt allmählich ab. Die Abnahme des Perigäums tritt ebenfalls auf, aber viel langsamer als die Abnahme des Apogäums. Somit nehmen die Abmessungen der Umlaufbahn und ihre Exzentrizität allmählich ab: elliptische Umlaufbahn nähert sich einem Kreis. Der Satellit bewegt sich in einer sich langsam windenden Spirale um die Erde und beendet schließlich seine Existenz in den dichten Schichten der Erdatmosphäre, wo er sich erwärmt und wie ein Meteoroid verdunstet. Bei großen Größen kann es die Erdoberfläche erreichen.
Es ist interessant festzustellen, dass die Verzögerung des Satelliten seine Geschwindigkeit nicht verringert, sondern im Gegenteil erhöht. Machen wir ein paar einfache Berechnungen.
Aus Keplers drittem Gesetz folgt das
wobei C eine Konstante ist, M die Masse der Erde ist, m die Masse des Satelliten ist, P die Periode seiner Umdrehung ist und a die große Halbachse der Umlaufbahn ist. Vernachlässigung
durch die Masse des Satelliten im Vergleich zur Masse der Erde erhalten wir
Nehmen wir zur Vereinfachung der Berechnungen die Umlaufbahn des Satelliten als kreisförmig an. Bei einer konstanten Geschwindigkeit υ durchläuft der Satellit während einer vollständigen Umdrehung die Strecke υ Р = 2 πа auf der Umlaufbahn, woraus Р = 2πa/υ folgt. Setzen wir diesen Wert von P in Formel (9.1) ein und führen Transformationen durch, finden wir
Wenn also die Größe der Umlaufbahn abnimmt und die Geschwindigkeit des Satelliten v zunimmt: Die kinetische Energie des Satelliten nimmt aufgrund der schnellen Abnahme der potentiellen Energie zu.
Die zweite Kraft, die die Form der Umlaufbahn des Satelliten verändert, ist der Druck der Sonnenstrahlung, also Licht- und Korpuskularströme (Sonnenwind). Bei kleinen Satelliten wirkt sich diese Kraft praktisch nicht aus, aber bei Satelliten wie Pageos ist sie sehr bedeutsam. Beim Start hatte Pageos eine kreisförmige Umlaufbahn und wurde zwei Jahre später zu einer sehr langgestreckten Ellipse.
Die Bewegung des Satelliten wird auch durch das Erdmagnetfeld beeinflusst, da der Satellit etwas erfassen kann elektrische Ladung und wenn es sich in einem Magnetfeld bewegt, sollten Änderungen in der Flugbahn auftreten.
All diese Kräfte sind jedoch beunruhigend. Die Hauptkraft, die den Satelliten auf seiner Umlaufbahn hält, ist die Schwerkraft. Und hier treffen wir auf einige Features. Das wissen wir daher axiale Drehung die Figur der Erde von einer Kugelform abweicht und die Schwerkraft der Erde nicht exakt auf den Erdmittelpunkt gerichtet ist. Dies betrifft keine sehr weit entfernten Objekte, aber ein erdnaher Satellit reagiert auf das Vorhandensein von „äquatorialen Ausbuchtungen“ in der Nähe der Erde. Die Ebene seiner Umlaufbahn dreht sich langsam, aber recht regelmäßig um die Rotationsachse der Erde. Dieses Phänomen ist aus Beobachtungen, die über einen Zeitraum von einer Woche gemacht wurden, deutlich sichtbar. Alle diese Bahnänderungen sind von großem wissenschaftlichem Interesse, weshalb die Bewegung künstlicher Satelliten systematisch beobachtet wird.
Was ist geostationäre Umlaufbahn? Dies ist ein kreisförmiges Feld, das sich über dem Äquator der Erde befindet, entlang dem ein künstlicher Satellit mit der Winkelgeschwindigkeit der Rotation des Planeten um seine Achse kreist. Er ändert seine Richtung im horizontalen Koordinatensystem nicht, sondern hängt bewegungslos am Himmel. Die geostationäre Umlaufbahn der Erde (GSO) ist eine Art geostationäres Feld und dient zur Unterbringung von Kommunikations-, Fernseh- und anderen Satelliten.
Die Idee, künstliche Geräte zu verwenden
Das eigentliche Konzept der geostationären Umlaufbahn wurde vom russischen Erfinder K. E. Tsiolkovsky initiiert. In seinen Arbeiten schlug er vor, den Weltraum mit Hilfe von Orbitalstationen zu bevölkern. Ausländische Wissenschaftler beschrieben auch die Arbeit von Weltraumfeldern, zum Beispiel G. Oberth. Die Person, die das Konzept der Nutzung des Orbits für die Kommunikation entwickelt hat, ist Arthur Clarke. 1945 veröffentlichte er einen Artikel in der Zeitschrift Wireless World, in dem er die Vorteile des geostationären Bereichs beschrieb. Für die aktive Arbeit in diesem Bereich zu Ehren des Wissenschaftlers erhielt die Umlaufbahn ihren zweiten Namen - "Clarks Gürtel". Viele Theoretiker haben über das Problem nachgedacht, einen qualitativen Zusammenhang zu implementieren. So äußerte Herman Potochnik 1928 die Idee, wie geostationäre Satelliten genutzt werden können.
Eigenschaften des "Clark-Gürtels"
Damit eine Umlaufbahn als geostationär bezeichnet werden kann, muss sie eine Reihe von Parametern erfüllen:
1. Geosynchronie. Diese Charakteristik umfasst ein Feld, das eine Periode hat, die der Periode der Erdumdrehung entspricht. Ein geostationärer Satellit beendet seine Umlaufbahn um den Planeten an einem Sterntag, der 23 Stunden 56 Minuten und 4 Sekunden dauert. Die gleiche Zeit benötigt die Erde, um eine Umdrehung in einem festen Raum zu vollenden.
2. Um einen Satelliten an einem bestimmten Punkt zu halten, muss die geostationäre Umlaufbahn kreisförmig und ohne Neigung sein. Ein elliptisches Feld führt entweder zu einer Ost- oder Westverschiebung, da sich das Raumschiff an bestimmten Punkten seiner Umlaufbahn unterschiedlich bewegt.
3. Der "Schwebepunkt" des Weltraummechanismus muss auf dem Äquator liegen.
4. Die Position von Satelliten im geostationären Orbit sollte so sein, dass eine kleine Anzahl von Frequenzen, die für die Kommunikation bestimmt sind, nicht zu einer Überlappung von Frequenzen verschiedener Geräte beim Empfang und Senden führen, sowie deren Kollision auszuschließen.
5. Genügend Treibstoff, um das Raumfahrzeug stationär zu halten.
Die geostationäre Umlaufbahn eines Satelliten ist insofern einzigartig, als es nur durch die Kombination seiner Parameter möglich ist, die Unbeweglichkeit des Geräts zu erreichen. Ein weiteres Merkmal ist die Fähigkeit, die Erde in einem Winkel von siebzehn Grad von denen zu sehen, die sich darauf befinden Raumfeld Satelliten. Jedes Gerät bedeckt ungefähr ein Drittel der Umlaufbahnoberfläche, sodass drei Mechanismen in der Lage sind, fast den gesamten Planeten abzudecken.
künstliche satelliten
Satelliten wurden von vielen Ländern und Unternehmen gestartet. Der weltweit erste künstliche Apparat wurde in der UdSSR gebaut und flog am 4. Oktober 1957 ins All. Er trug den Namen „Sputnik-1“. 1958 brachten die Vereinigten Staaten ein zweites Gerät auf den Markt, den Explorer 1. Der erste Satellit, der 1964 von der NASA gestartet wurde, hieß Syncom-3. Künstliche Geräte sind meistens vom Umtausch ausgeschlossen, aber es gibt auch solche, die teilweise oder vollständig retournieren. Sie dienen der Durchführung wissenschaftliche Forschung und verschiedene Probleme lösen. Es gibt also Militär-, Forschungs-, Navigationssatelliten und andere. Auch Geräte, die von Universitätsmitarbeitern oder Funkamateuren erstellt wurden, werden gestartet.
"Haltepunkt"
Geostationäre Satelliten befinden sich in einer Höhe von 35.786 Kilometern über dem Meeresspiegel. Diese Höhe liefert eine Umlaufzeit, die der Umlaufzeit der Erde in Relation zu den Sternen entspricht. Das künstliche Fahrzeug ist stationär, daher wird seine Position in der geostationären Umlaufbahn als „Stationspunkt“ bezeichnet. Das Schweben bietet eine dauerhafte und dauerhafte Verbindung, denn wenn die Antenne einmal ausgerichtet ist, wird sie immer auf den richtigen Satelliten gerichtet.
Bewegung
Mithilfe von Geotransferfeldern können Satelliten von einer niedrigen Umlaufbahn in eine geostationäre Umlaufbahn überführt werden. Letztere sind eine elliptische Bahn mit einem Punkt in geringer Höhe und einem Gipfel in einer Höhe nahe dem geostationären Kreis. Ein Satellit, der für weitere Arbeiten unbrauchbar geworden ist, wird auf eine Entsorgungsbahn geschickt, die sich 200 bis 300 Kilometer über dem GSO befindet.
Geostationäre Umlaufbahnhöhe
Ein Satellit in einem bestimmten Feld hält sich in einem bestimmten Abstand von der Erde, ohne sich zu nähern oder zu entfernen. Es befindet sich immer über einem Punkt auf dem Äquator. Aus diesen Merkmalen ergibt sich, dass sich Schwerkraft und Zentrifugalkraft die Waage halten. Die Höhe der geostationären Umlaufbahn wird mit Methoden berechnet, die auf der klassischen Mechanik basieren. Dabei wird die Entsprechung von Gravitations- und Zentrifugalkräften berücksichtigt. Der Wert der ersten Größe wird anhand des Newtonschen Gravitationsgesetzes bestimmt. Der Zentrifugalkraftindex wird berechnet, indem die Masse des Satelliten mit der Zentripetalbeschleunigung multipliziert wird. Aus der Gleichheit von schwerer und träger Masse folgt, dass die Höhe der Umlaufbahn nicht von der Masse des Satelliten abhängt. Daher wird die geostationäre Umlaufbahn nur durch die Höhe bestimmt, in der die Zentrifugalkraft betragsmäßig gleich und entgegengesetzt gerichtet ist Erdanziehungskraft, geschaffen durch die Anziehungskraft der Erde in einer bestimmten Höhe.
Aus der Formel zur Berechnung der Zentripetalbeschleunigung können Sie die Winkelgeschwindigkeit ermitteln. Der Radius der geostationären Umlaufbahn wird ebenfalls durch diese Formel oder durch Teilen der geozentrischen Gravitationskonstante durch die Winkelgeschwindigkeit im Quadrat bestimmt. Es sind 42164 Kilometer. Angesichts des Äquatorradius der Erde erhalten wir eine Höhe von 35786 Kilometern.
Berechnungen können auf andere Weise durchgeführt werden, basierend auf der Aussage, dass die Höhe der Umlaufbahn, die der Abstand vom Erdmittelpunkt ist, mit der Winkelgeschwindigkeit des Satelliten, die mit der Bewegung der Planetenrotation zusammenfällt, entsteht lineare Geschwindigkeit, das gleich dem ersten Leerzeichen in einer bestimmten Höhe ist.
Geschwindigkeit im geostationären Orbit. Länge
Dieser Indikator wird berechnet, indem die Winkelgeschwindigkeit mit dem Radius des Feldes multipliziert wird. Der Wert der Geschwindigkeit im Orbit beträgt 3,07 Kilometer pro Sekunde, was viel weniger ist als die erste Raumgeschwindigkeit auf der erdnahen Bahn. Um den Exponenten zu reduzieren, muss der Radius der Umlaufbahn um mehr als das Sechsfache erhöht werden. Die Länge wird berechnet, indem Pi mal Radius mit zwei multipliziert wird. Es sind 264924 Kilometer. Der Indikator wird bei der Berechnung der "Stehpunkte" der Satelliten berücksichtigt.
Einfluss von Kräften
Die Parameter der Umlaufbahn, entlang der der künstliche Mechanismus zirkuliert, können sich unter dem Einfluss von gravitativen lunisolaren Störungen, der Inhomogenität des Erdfelds und der Elliptizität des Äquators ändern. Die Transformation des Feldes drückt sich in solchen Phänomenen aus wie:
- Die Verschiebung eines Satelliten von seiner Position entlang der Umlaufbahn zu Punkten stabilen Gleichgewichts, die als potenzielle Löcher in der geostationären Umlaufbahn bezeichnet werden.
- Der Neigungswinkel des Feldes zum Äquator wächst mit einer bestimmten Geschwindigkeit und erreicht einmal in 26 Jahren und 5 Monaten 15 Grad.
Um den Satelliten auf dem gewünschten „Standpunkt“ zu halten, ist er mit einem Antriebssystem ausgestattet, das alle 10-15 Tage mehrmals eingeschaltet wird. Um das Wachstum der Neigung der Umlaufbahn zu kompensieren, wird die "Nord-Süd"-Korrektur verwendet, und um die Drift entlang des Feldes zu kompensieren, wird die "West-Ost"-Korrektur verwendet. Um die Bahn des Satelliten während der gesamten Betriebsdauer zu regulieren, ist ein großer Treibstoffvorrat an Bord erforderlich.
Antriebssysteme
Die Geräteauswahl wird durch die individuellen technischen Eigenschaften des Satelliten bestimmt. Zum Beispiel Chemie Raketenantrieb hat eine Verdrängungskraftstoffversorgung und arbeitet mit langzeitgelagerten Hochsiedern (Diazotettroxid, unsymmetrisches Dimethylhydrazin). Plasmageräte haben einen deutlich geringeren Schub, aber aufgrund des langen Betriebs, der für eine einzelne Bewegung in mehreren zehn Minuten gemessen wird, können sie den Kraftstoffverbrauch an Bord erheblich reduzieren. Diese Art von Antriebssystem wird verwendet, um den Satelliten zu einer anderen Orbitalposition zu manövrieren. Der Hauptbegrenzungsfaktor für die Lebensdauer des Geräts ist die Treibstoffversorgung im geostationären Orbit.
Nachteile eines künstlichen Feldes
Ein wesentlicher Fehler bei der Interaktion mit geostationären Satelliten sind große Verzögerungen bei der Signalausbreitung. Bei einer Lichtgeschwindigkeit von 300.000 Kilometern pro Sekunde und einer Umlaufbahnhöhe von 35.786 Kilometern dauert die Bewegung des Strahls Erde-Satellit etwa 0,12 Sekunden und der Strahl Erde-Satellit-Erde 0,24 Sekunden. Unter Berücksichtigung der Signalverzögerung in den Geräten und Kabelübertragungssystemen der terrestrischen Dienste beträgt die Gesamtverzögerung des Signals "Quelle - Satellit - Empfänger" etwa 2-4 Sekunden. Ein solcher Indikator erschwert die Verwendung von Geräten im Orbit in der Telefonie erheblich und macht es unmöglich, Satellitenkommunikation in Echtzeitsystemen zu verwenden.
Ein weiterer Nachteil ist die Unsichtbarkeit der geostationären Umlaufbahn aus hohen Breiten, die die Leitung von Kommunikation und Fernsehübertragungen in den Regionen der Arktis und Antarktis stört. In Situationen, in denen die Sonne und der Sendesatellit auf einer Linie mit der Empfangsantenne stehen, kommt es zu einer Abnahme und manchmal sogar zu einem vollständigen Fehlen des Signals. In geostationären Umlaufbahnen ist dieses Phänomen aufgrund der Unbeweglichkeit des Satelliten besonders ausgeprägt.
Doppler-Effekt
Dieses Phänomen besteht darin, die Frequenzen elektromagnetischer Schwingungen mit der gegenseitigen Weiterentwicklung von Sender und Empfänger zu ändern. Das Phänomen äußert sich durch eine zeitliche Abstandsänderung sowie durch die Bewegung künstlicher Fahrzeuge im Orbit. Der Effekt äußert sich in einer geringen Stabilität der Trägerfrequenz der Satellitenschwingungen, die zu der instrumentellen Frequenzinstabilität des Bord-Repeaters und der Erdfunkstelle hinzukommt, was den Empfang von Signalen erschwert. Der Doppler-Effekt trägt zu einer nicht kontrollierbaren Frequenzänderung der modulierenden Schwingungen bei. Im Fall der Verwendung von Kommunikations- und Direktfernsehsatelliten im Orbit wird dieses Phänomen praktisch eliminiert, dh es gibt keine Änderungen des Signalpegels am Empfangspunkt.
Einstellung in der Welt zu geostationären Feldern
Die Geburt der Weltraumbahn hat viele Fragen und internationale rechtliche Probleme aufgeworfen. Eine Reihe von Ausschüssen, insbesondere die Vereinten Nationen, befassen sich mit ihnen. Einige am Äquator gelegene Länder erhoben Anspruch auf die Ausweitung ihrer Souveränität auf den Teil des Weltraumfeldes, der sich über ihrem Territorium befindet. Staaten haben erklärt, dass die geostationäre Umlaufbahn ein physikalischer Faktor ist, der mit der Existenz eines Planeten verbunden ist und davon abhängt Schwerkraftfeld Land, also sind die Segmente des Feldes eine Erweiterung des Territoriums ihrer Länder. Aber solche Behauptungen wurden zurückgewiesen, da es in der Welt ein Prinzip der Nichtaneignung gibt Weltraum. Alle Probleme im Zusammenhang mit dem Betrieb von Umlaufbahnen und Satelliten werden auf Weltebene gelöst.
