Искусственные спутники Земли

ВВЕДЕНИЕ Стремительное развитие космонавтики, успехи в изучении и исследовании околоземного и межпланетного космического пространства в огромной степени расширили наши представления о Солнце и Луне, о Марсе, Венере и дру­гих планетах. Очень результативным оказалось изучение верхних слоев атмосферы, ионосферы, магнитосферы. Вме­сте с тем выявилась весьма высокая эффективность ис­пользования околоземного космоса и космической техни­ки в интересах многих наук о Земле.
Использование искусственных спутников Земли для связи и телевидения, оперативного и долгосрочного про­гнозирования погоды и гидрометеорологической обстанов­ки, для навигации на морских путях и авиационных трас­сах, для высокоточной геодезии, изучения природных ре­сурсов Земли и контроля среды обитания становится все более привычным. В ближайшей и в более отдаленной перспективе разностороннее использование космоса и космической техники, в различных областях хозяйства значительно возрастет. Для нашей эпохи характерен огромный рост информации во всех сферах деятельности человека. Помимо прогрессирующего развития традиционных средств передачи информации—телефонии, телеграфии, радиовещания, возникла потребность в создании новых ее видов — телевидения, обмена данными в автоматических системах управления и ЭВМ, передачи матриц для печа­тания газет. Глобальный характер различных хозяйственных про­блем и научных исследований, широкая межгосударствен­ная интеграция и кооперация в производстве, торговле, научно-исследовательской деятельности, расширение обме­на в области культуры привели к значительному росту международных и межконтинентальных связей, включая обмен телевизионными программами. Традиционные средства связи в отношении их ви­дов, объема, дальности, оперативности и надежности пе­редачи информации будут непрерывно совершенствовать­ся. Однако дальнейшее развитие их встречает немалые затруднения как технического, так и экономического ха­рактера. Уже теперь ясно, что требования, предъявляе­мые к пропускной способности, качеству, надежности ка­налов дальней связи, не могут быть полностью удовле­творены наземными средствами проводной и радиосвязи. Сооружение дальних наземных и подводных кабель­ных линий занимает много времени. Они сложны и доро­гостоящи не только в строительстве, но и в эксплуата­ции, и в отношении дальнейшего развития. Обычные ка­бельные линии имеют к тому же сравнительно малую пропускную способность. Лучшие перспективы имеют ши­рокополосные концентрические кабели, однако и они об­ладают рядом недостатков, ограничивающих их приме­нение. Значительно большей пропускной способностью, даль­ностью действия, возможностью перестройки для различ­ных видов связи располагает радио. Но и радиолинии обладают определенными недостатками, затрудняющими во многих случаях их применение. Сверхдлинноволновые системы радиосвязи из-за огра­ниченности диапазона применяются обычно лишь для нужд транспорта, авианавигации и для специальных ви­дов связи. Длинноволновые радиолинии из-за ограниченной про­пускной способности и сравнительно малого диапазона действия используются главным образом для местной ра­диосвязи и радиовещания. Коротковолновые радиолинии обладают достаточной дальностью действия и широко применяются во многих видах связи различного назначения. Новые пути преодоления свойственных дальней радио­связи недостатков открыли запуски искусственных спут­ников Земли (ИСЗ). Практика подтвердила, что использование ИСЗ для связи, в особенности для дальней международной и меж­континентальной, для телевидения и телеуправления, при передаче больших объемов информации, позволяет устра­нить многие затруднения. Вот почему спутниковые си­стемы связи (ССС) в короткий срок получили небывало быстрое, широкое и разностороннее применение. Искусственный спутник Земли (ИСЗ) — космический аппарат, вращающийся вокруг Земли по геоцентрической или геостационарной орбите. Для движения по орбите вокруг Земли аппарат должен иметь начальную скорость равную, или немного большую первой космической скорости. Полёты ИСЗ выполняются на высотах до нескольких сотен тысяч километров. Нижнюю границу высоты полёта ИСЗ обуславливает необходимость избежания процесса быстрого торможения в атмосфере. Особое значение имеют спутники на геостационарной орбите, период обращения которых строго равен суткам и поэтому для наземного наблюдателя они неподвижно «висят» на небосклоне, что позволяет избавиться от поворотных устройств в антеннах. ВЫВОД НА ОРБИТУ И ДВИЖЕНИЕ ИСКУССТВЕННЫХ СПУТНИКОВ ЗЕМЛИ ИСЗ выводятся на орбиты с помощью автоматических управляемых многоступенчатых ракет-носителей, которые от старта до некоторой расчётной точки в пространстве движутся благодаря тяге, развиваемой реактивными двигателями. Этот путь, называемый траекторией выведения ИСЗ на орбиту, или активным участком движения ракеты, составляет обычно от нескольких сотен до двух-трёх тыс. км. Ракета стартует, двигаясь вертикально вверх, и проходит сквозь наиболее плотные слои земной атмосферы на сравнительно малой скорости (что сокращает энергетические затраты на преодоление сопротивления атмосферы). При подъёме ракета постепенно разворачивается, и направление её движения становится близким к горизонтальному. На этом почти горизонтальном отрезке сила тяги ракеты расходуется не на преодоление тормозящего действия сил притяжения Земли и сопротивления атмосферы, а главным образом на увеличение скорости. После достижения ракетой в конце активного участка расчётной скорости (по величине и направлению) работа реактивных двигателей прекращается; это — так называемая точка выведения ИСЗ на орбиту. Запускаемый космический аппарат, который несёт последняя ступень ракеты, автоматически отделяется от неё и начинает своё движение по некоторой орбите относительно Земли, становясь искусственным небесным телом. Его движение подчинено пассивным силам (притяжение Земли, а также Луны, Солнца и др. планет, сопротивление земной атмосферы и т. д.) и активным (управляющим) силам, если на борту космического аппарата установлены специальные реактивные двигатели. Вид начальной орбиты ИСЗ относительно Земли зависит целиком от его положения и скорости в конце активного участка движения (в момент выхода ИСЗ на орбиту) и математически рассчитывается с помощью методов небесной механики. Если эта скорость равна или превышает (но не более чем в 1,4 раза) первую космическую скорость (См. Космические скорости) (около 8 км/сек у поверхности Земли), а её направление не отклоняется сильно от горизонтального, то космический аппарат выходит на орбиту спутника Земли. Точка выхода ИСЗ на орбиту в этом случае расположена вблизи перигея орбиты. Выход па орбиту возможен и в других точках орбиты, например вблизи апогея, но поскольку в этом случае орбита ИСЗ расположена ниже точки выведения, то сама точка выведения должна располагаться достаточно высоко, скорость же в конце активного участка при этом должна быть несколько меньше круговой. В первом приближении орбита ИСЗ представляет собой эллипс с фокусом в центре Земли (в частном случае — окружность), сохраняющий неизменное положение в пространстве. Движение по такой орбите называется невозмущённым и соответствует предположениям, что Земля притягивает по закону Ньютона как шар со сферическим распределением плотности и что на спутник действует только сила притяжения Земли.
Такие факторы, как сопротивление земной атмосферы, сжатие Земли, давление солнечного излучения, притяжения Луны и Солнца, являются причиной отклонений от невозмущённого движения. Изучение этих отклонений позволяет получать новые данные о свойствах земной атмосферы, о гравитационном поле Земли. Из-за сопротивления атмосферы ИСЗ, движущиеся по орбитам с перигеем на высоте несколько сот км, постепенно снижаются и, попадая в сравнительно плотные слои атмосферы на высоте 120—130 км и ниже, разрушаются и сгорают; они имеют, таким образом, ограниченный срок существования. Так, например, первый советский ИСЗ находился в момент выхода на орбиту на высоте около 228 км над поверхностью Земли и имел почти горизонтальную скорость около 7,97 км/сек. Большая полуось его эллиптической орбиты (т. е. среднее расстояние от центра Земли) составляла около 6950 км, период обращения 96,17 мин, а наименее и наиболее удалённые точки орбиты (перигей и апогей) располагались на высотах около 228 и 947 км соответственно. Спутник существовал до 4 января 1958, когда он, вследствие возмущений его орбиты, вошёл в плотные слои атмосферы.
Орбита, на которую выводится ИСЗ сразу после участка разгона ракеты-носителя, бывает иногда лишь промежуточной. В этом случае на борту ИСЗ имеются реактивные двигатели, которые включаются в определённые моменты на короткое время по команде с Земли, сообщая ИСЗ дополнительную скорость. В результате ИСЗ переходит на другую орбиту. Автоматические межпланетные станции выводятся обычно сначала на орбиту спутника Земли, а затем переводятся непосредственно на траекторию полёта к Луне или планетам. Движение искусственных спутников Земли. Движение искусственных спутников Земли не описывается законами Кеплера, что обусловливается двумя причинами: 1) Земля не является точно шаром с однородным распределением плотности по объёму. Поэтому её поле тяготения не эквивалентно полю тяготения точечной массы, расположенной в геометрическом центре Земли; 2) Земная атмосфера оказывает тормозящее действие на движение искусственных спутников, вследствие чего их орбита меняет свою форму и размеры и в конечном результате спутники падают на Землю. По отклонению движения спутников от кеплеровского можно вывести заключение о форме Земли, распределении плотности по её объёму, строении земной атмосферы. Поэтому именно изучение движения искусственных спутников позволило получить наиболее полные данные по этим вопросам. Если бы Земля была однородным шаром и не существовало бы атмосферы, то спутник двигался бы по орбите, плоскость сохраняет неизменную ориентацию в пространстве относительно системы неподвижных звёзд. Элементы орбиты в этом случае определяются законами Кеплера. Так как Земля вращается, то при каждом следующем обороте спутник движется над разными точками земной поверхности. Зная трассу спутника за один какой-либо оборот, нетрудно предсказать его положение во все последующие моменты времени. Для этого необходимо учесть, что Земля вращается с запада на восток с угловой скоростью примерно 15 градусов в час. Поэтому на последующем обороте спутник пересекает туже широту западнее на столько градусов, на сколько Земля повернётся на восток за период вращения спутника. Из-за сопротивления земной атмосферы спутники не могут длительно двигаться на высотах ниже 160 км. Минимальный период обращения на такой высоте по круговой орбите равен примерно 88 мин, то есть приблизительно 1,5 ч. за это время Земля поворачивается на 22,5 градуса. На широте 50 градусов этому углу соответствует расстояние в 1400 км. Следовательно, можно сказать, что спутник, период обращения которого 1,5 часа, на широте 50 градусов будет наблюдаться при каждом последующем Круговая орбита спутника в экваториальной плоскости, двигаясь по которой он находится всё время над одной и той же точкой экватора, называется геостационарной. Почти половина земной поверхности может быть связана со спутником на синхронной орбите прямолинейно распространяющимся сигналами высоких частот или световыми сигналами. Поэтому спутники на синхронных орбитах имеют большое значение для системы связи. Типы искусственных спутников Земли. Астрономические спутники — это спутники, предназначенные для исследования планет, галактик и других космических объектов. Потребность в таком виде обсерваторий возникла из-за того, что земная атмосфера задерживает гамма-, рентгеновское и ультрафиолетовое излучение космических объектов, а также большую часть инфракрасного. Космические телескопы оборудуют устройствами для сбора и фокусировки излучения, а также системами преобразования и передачи данных, системой ориентации, иногда двигательными системами. Биоспутники — это спутники, предназначенные для проведения научных экспериментов над живыми организмами, в условиях космоса. Космические аппараты дистанционного зондирования Земли - используются для изучения природных ресурсов Земли и решения задач метеорологии. Космические станции — предназначены для кратковременного пребывания людей на околоземной орбите с целью проведения научных исследований в условиях космического пространства, разведки, наблюдений за поверхностью и атмосферой планеты, астрономических наблюдений и т. п. Метеорологические спутники — это спутники предназначенные для передачи данных в целях предсказания погоды, а также для наблюдения климата Земли Малые спутники — спутники малого веса (менее 1 или 0.5 тонн) и размера. Включают в себя миниспутники (более 100 кг), микроспутники (более 10 кг), и наноспутники (легче 10 кг) Разведывательные спутники - спутник для наблюдения Земли или спутник связи, применяющийся для разведки. Навигационные спутники - комплексная электронно-техническая система, состоящая из совокупности наземного и космического оборудования, предназначенная для определения местоположения (географических координат и высоты), а также параметров движения (скорости и направления движения и т. д.) для наземных, водных и воздушных объектов. Спутники связи - искусственный спутник Земли, специализированный для ретрансляции радиосигнала между точками на поверхности земли, не имеющими прямой видимост Обзор конструкции, схем и ТТХ некоторых ИСЗ Рассмотрим различные конструкции, схемы и назначение различных искусственных спутников Земли, а именно первого ИСЗ «Спутник-1» и ИСЗ «Юбилейный» Первым из них будет Спутник-1. Спутник-1 — первый искусственный спутник Земли, был запущен на орбиту в СССР 4 октября 1957 года. Кодовое обозначение спутника — ПС-1 (Простейший Спутник-1). Запуск осуществлялся с 5-го научно-исследовательского полигона министерства обороны СССР «Тюра-Там» (получившего впоследствии открытое наименование космодром Байконур) на ракете-носителе «Спутник» (Р-7). Над созданием искусственного спутника Земли, во главе с основоположником практической космонавтики С. П. Королёвым, работали ученые М. В. Келдыш, М. К. Тихонравов, Н. С. Лидоренко, В. И. Лапко, Б. С. Чекунов, А. В. Бухтияров и многие другие.
Дата запуска считается началом космической эры человечества, а в России отмечается как памятный день Космических войск. Цели запуска: · проверка расчетов и основных технических решений, принятых для запуска; · ионосферные исследования прохождения радиоволн, излучаемых передатчиками спутника;
· экспериментальное определение плотности верхних слоев атмосферы по торможению спутника; · исследование условий работы аппаратуры. Несмотря на то, что на спутнике полностью отсутствовала какая-либо научная аппаратура, изучение характера радиосигнала и оптические наблюдения за орбитой позволили получить важные научные данные. Схема и основа конструкции первого ИСЗ. Внутреннее устройство Первого ИСЗ 1 — сдвоенное термореле системы терморегулирования; 2 — радиопередатчик; 3 — контрольные термо- и барореле; 4 — антенна; 5 — аккумуляторная батарея; 6 — вентилятор; 7 — диффузор; 8 — дистанционный переключатель; 9 — экран Конструкция: Простейший спутник был выполнен как герметичный контейнер сферической формы диаметром 580 мм, состоящий из двух силовых полуоболочек (конструкционный материал — алюминиевый сплав АМг-б толщиной 2 мм). Передняя полуоболочка имела меньший радиус и прикрывалась полусферическим внешним экраном (R = 580 мм) толщиной 1 мм для обеспечения «теплоизолирующего» режима. Задняя силовая полуоболочка, отделенная от бортовых систем внутренним экраном, являлась одновременно радиационной поверхностью системы терморегулирования. Герметичный объем заполнялся сухим азотом при давлении 1,3 атм. Соединение полуоболочек осуществлялось посредством 36 шпилек М8х 1,25. Герметичность стыка обеспечивала прокладка из вакуумной резины. Передняя полуоболочка имела четыре гнезда для крепления антенн со штуцерами гермовводов и фланец заправочного клапана. На задней полуоболочке располагались фланец испытательного системного разъема и блокировочный пяточный контакт, включающий автономное бортовое электропитание после отделения ПС от РН. Четыре антенны (две длиной 2,4 м, две — 2,9 м) монтировались на передней («верхней») полуоболочке. Специальный пружинный механизм разводил антенны на угол 35° от продольной оси ИСЗ после его отделения от РН (таким образом формировалась заданная диаграмма их излучения). Поверхность корпуса ПС полировалась и подвергалась специальной обработке, чтобы придать ей заданные значения коэффициента поглощения солнечной радиации AS и коэффициента собственного излучения ξ (внешний экран передней полуоболочки: AS = 0,2-0,25; снаружи ξ = 0,05-0,1; изнутри ξ = 0,8-0,9; задняя полуоболочка: AS = 0,23-0,27; ξ = 0,35-0,45). Тепловой режим обеспечивался вентилятором, включавшимся от термореле при температуре равной или выше 30°С. При этом циркулирующий азот осуществлял передачу тепла «холодной» задней полуоболочке, излучавшей избыток тепла в космическое пространство. При понижении температуры азота до 20-23°С вентилятор выключался, что приводило — в отсутствие конвекции — к значительному увеличению теплового сопротивления между радиационной поверхностью и внутренним объемом ПС — и таким образом предотвращало дальнейшее снижение температуры. Внутри термоконтейнера находились: радиопередатчики мощностью 1 Вт и массой 3,5 кг (разработчик В.И.Лаппо из НИИ-885); блок питания из трех батарей на основе серебряно-цинковых элементов массой 51 кг (разработчик Институт источников тока, директор Н.С.Лидоренко), срок их непрерывной работы — не менее двух недель; дистанционный переключатель; вентилятор системы терморегулирования; сдвоенное реле системы терморегулирования; контрольное термореле и барореле. Радиопередатчики работали на частотах 20,005 и 40,002 МГц (длины волн, соответственно, 15 и 7,5 м) импульсами длительноcтью от 0,2 до 0,6 сек (настроечное значение 0,4 сек), импульсы одного передатчика в паузах другого. При замыкании и размыкании контактов датчиков контроля давления (барореле с настройкой р=0,35 атм) и температуры (сдвоенное термореле с настройкой Т1=+50°С, Т2=0°С) изменялись частоты сигналов и соотношения между их длительностью и паузами, что обеспечивало «диапазонный» контроль герметичности и температуры внутри ПС. Общая масса ПС в сборе составляла 83,6 кг. «Юбилейный» «Юбилейный» (RS-30) — малый российский научный спутник, созданный ОАО «ИСС» имени академика М. Ф. Решетнёва совместно с группой российских космических предприятий и высших учебных заведений. Предназначен для передачи звуковых сообщений, фото- и видеоизображений, рассказывающих о 50-летии запуска первого искусственного спутника Земли и космической отрасли в целом, а также для участия в образовательных программах студентов ВУЗов и проведения научных экспериментов. В создании аппарата приняли участие НИЛАКТ (г. Калуга), НПП «Геофизика-Космос» (г. Москва), НПО им. С. А. Лавочкина (г. Москва), ОАО «РПКБ» (г. Раменское), ГКНПЦ им. М. В. Хруничева (г. Москва), Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет) имени Серго Орджоникидзе, СибГАУ имени академика М. Ф. Решетнёва (г. Красноярск). Схема и основа конструкции МКА «Юбилейный»: Конструкция: Конструктивно КА «Юбилейный» состоит из негерметичного приборного отсека, образованного шестигранной рамой, на которой смонтированы панели солнечной батареи, и тремя поперечными панелями – верхней, средней и нижней. Бортовая аппаратура размещается как в приборном отсеке, так и на наружной поверхности верхней панели. На верхней панели, которая во время работы спутника обращена в сторону Земли, расположены элементы систем ориентации – магнитометр и поперечные штанги с балансирами, приемные и передающие антенны, а также научная аппаратура: три датчика Земли, для получения данных об излучении Земли в инфракрасном диапазоне длин волн и исследования пространственно-временного излучения дневной и ночной атмосферы Земли в видимом спектральном диапазоне. Часть электронной аппаратуры, требующей повышенной защищенности от факторов космического пространства, находится и на стороне панели обращенной внутрь приборного контейнера. На средней панели установлена аппаратура ДОКА-Б, в состав которой входят: бортовой компьютер; приемная аппаратура, работающая на частотах 145 МГц; передающая аппаратура, работающая на частотах 435 МГц; аккумуляторная батарея, а также бортовая аппаратура радионавигации. На нижнем днище расположена магнитно-гравитационная система ориентации, в штатном режиме обеспечивающая ориентацию продольной оси КА на Землю, антенна навигационной аппаратуры, экспериментальный солнечный датчик ДПС и аппаратура РАДЭК, предназначенная для проверки эффективности применения разработанных в СибГАУ нанопокрытий для радиационной защиты электронных компонентов космических аппаратов.
Панели солнечной батареи, смонтированные на раме, изготовлены на базе трехкаскадного арсенида галлия. Они позволяют обеспечивать электроэнергией бортовую аппаратуру КА на освещенной части орбиты. Выбранная форма рамы обеспечивает необходимую величину эффективной площади солнечной батареи при различном положении КА относительно Солнца. На теневых участках орбиты аппаратуру электроэнергией обеспечивает никель-металгидридная аккумуляторная батарея. Аккумуляторная батарея системы электропитания (СЭП) не является отдельным агрегатом, ее элементы входят в состав приборного блока питания и управления, в котором размещается вся автоматика СЭП, все это входит в состав аппаратуры ДОКА-Б.
Особенностью КА «Юбилейный» является пассивная система терморегулирования: требуемый температурный режим обеспечивается нерегулируемым соотношением оптических коэффициентов на поверхностях элементов конструкции объекта, теплоизолирующими элементами, электрообогревателями (ЭО) и тепловыми трубками, которые обеспечивают тепловой режим аппаратуре ДОКА-Б. Заключение Полет первого спутника стал началом целого ряда отважных поступков всего человечества, увидевшего спутники в космосе, первый полет, человека в космос, первые шаги по Луне, первые радиопередачи с Марса и с космических зондов, побывших вблизи планет Солнечной системы. Космонавтика нужна науке - она грандиозный и могучий инструмент изучения Вселенной, Земли, самого человека. Космонавтика жизненно необходима всему человечеству! С каждым годом спутниковые системы связи будут становиться все более существенной частью Единой системы связи, важным элементом глобальной системы связи. Они и теперь играют заметную роль в улучшении связей и взаимопонимания между странами, а с течением времени эта роль будет возрастать. Список Используемой литературы: 1. "Космическая техника" под редакцией К. Гэтланда. Издательство "Мир". 1986 г. Москва. 2. "Энциклопедический словарь юного техника" под редакцией Т. С .Хачатурова. Издательство "Педагогика". 1987 г. Москва. 3. "Элементарный учебник физики" под редакцией Г. С. Ландсберга. Издательство "Наука". 1983 г. Москва. 4. "Межпланетные полёты" автор Е. А. Гребеников. Издательство "Наука". 1975 г. Москва. 5. "Занимательная физика" автор В. Шаболовский Издательство "Тригон". 1997 г. Санкт-Петербург. 6. "Населённый космос" редактор Б. П. Константинов Издательство "Наука". 1972 г. Москва