Спутниковая эра
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
Освоение космоса началось 4 октября 1957 года запуском еще в Советском Союзе «Спутника-1», первого искусственного тела на околоземной орбите. Даже если первый спутник был способен только передавать сигналы «бип-бип», все же он проложил путь на орбиту Земли. С тех пор было запущено более 4000 спутников, которые выполняли или выполняют множество задач. Некоторые из них собирают сведения о Земле для изучения ее ресурсов, метеорологического прогнозирования или военной разведки, еще некоторые исследуют космос с помощью специальных телескопов. Многие спутники используются для передачи по всему миру телефонных и телевизионных сигналов, чуть меньше — с целью трансляции точных сигналов для нужд навигации. Среди крупнейших спутников — орбитальные станции и космические корабли, которые обеспечивают связь между этими станциями и Землей.
В зависимости от своего разнообразного назначения спутники выводятся на разные орбиты. С наименьшими усилиями достигается и орбита, которая ближе всех к Земле и содержится в плоскости экватора при движении спутника в направлении с запада на восток. Чем ниже орбита, тем меньше энергии требуется для выхода на нее. А при запуске спутника в направлении на восток используется дополнительная скорость от вращения планеты с запада на восток.
НИЗКО ОРБИТНЫЕ СПУТНИКИ ЗЕМЛИ
Учитывая большой вес космические корабли с экипажами или с грузами почти всегда выводятся на низкие околоземные орбиты. Это касается, в частности, американских «шаттлов», которые летают на высоте примерно 200 км, и советской, теперь уже российской космической станции «Мир», которая находится на 100 км выше. Беспилотный тяжелый корабль с космическим телескопом «Hubble» находится на аналогичной орбите. Он исследует свет самых космических объектов без помех, создаваемых загрязнением земной атмосферы. Хотя, к сожалению, основное зеркало телескопа повреждено, он и дальше посылает на Землю изображения, далеко более выразительные, чем изображения, которые дают наземные телескопы.
Хотя выйти на низкую околоземную орбиту достаточно легко, не обходится без проблем. Земная атмосфера не прерывается внезапно на высоте 200 км, откуда, как порой ошибочно говорят, «начинается космос». Некоторые разреженные газы достигают значительно большей высоты, с набором ее становясь еще более разреженными. Поэтому американские «шаттлы» и станция «Мир» путешествуют в пространстве среди остатков земной атмосферы. Вследствие этого они постепенно теряют орбитальную энергию и медленно спускаются по спирали на Землю.
В случае с космическим «шаттлом» это не имеет особого значения, потому что он находится на орбите всего несколько дней. Зато космонавты на борту станции «Мир» должны время от времени включать ракетные двигатели, чтобы компенсировать потерю орбитальной энергии. Американской космической лаборатории «Скайлаб» выпало стать одной из сенсационных жертв атмосферного трения. Она была выведена на орбиту высотой 435 км в 1973 году. Несмотря на относительно высокую «низкую околоземную орбиту», в течение шести лет корабль, на борту которого не было людей, так приблизился к Земле, что сгорел в низких слоях атмосферы, рассеяв горящие обломки над Западной Австралией.
Один вид спутников регулярно играет с огнем, вращаясь по очень низкой орбите. Это — «спутники-шпионы», задача которых вести военную разведку. В целом они размещаются на эллиптической орбите с перигеем в 200 км, а то и меньше. На этой относительно небольшой высоте бортовая аппаратура для наблюдений может различать детали и предметы величиной в несколько метров. Спутники-шпионы запускаются по орбите «север-юг» и летают почти над полюсами, что позволяет им следить за всей планетой. Так же на «полярные» орбиты выводятся и спутники, которые исследуют Землю, в частности, ее ресурсы.
Первопроходцем в этой области был американский спутник «Лэндсат-1», запущенный в 1972 году. Его аппаратура для наблюдений и датчики в инфракрасном диапазоне сразу доказали свою полезность в наблюдениях за сельскохозяйственными культурами, лесами, случаями природных бедствий (такими, например, как нашествия саранчи) и зонами нечистот. Спутники этого типа также помогают геологам, открывая им геологические структуры, которые могут содержать в себе такие ценные ресурсы, как нефть, минералы или воду, этот бесценный ресурс для пустынь.
К трудолюбивой семье спутников серии «Лэндсат» присоединился еще и род французских спутников «СПОТ», которые имеют зрение еще острее. Чтобы избежать трения об атмосферу, их выводят соответственно на орбиты высотой 700 и 800 км. Высокочувствительные камеры спутников «СПОТ» могут видеть даже частные дома в пределах полосы шириной 117 км, которую они покрывают за один пролет. А за 26 дней из таких фрагментов образуется картина поверхности всей планеты.
Наблюдательные спутники Земли могут использовать два вида датчиков. Самый простой — пассивные датчики; они просто регистрируют радиацию, излучаемую Землей. Речь идет не только о видимом свете, но и, что главное, — об инфракрасном диапазоне, чьи лучи несут куда более богатую информацию. Различные типы растительности и скальной породы отражают инфракрасные лучи по-разному, в результате чего «Лэндсат» получил поразительные результаты, особенно в области сельского хозяйства и исследований минерального сырья.
Некоторые спутники имеют на борту активные датчики. Они излучают радиоволны, обычно в коротковолновом диапазоне, а затем изучают то, как те отражаются от поверхности Земли. Простой радар может прояснить очертания земной поверхности, над которой пролетает спутник, и даже невидимые структуры, скажем, под песком в пустыне. Используя активные датчики, спутник «Сисат» исследует поверхность океана.
На полярных орбитах летают также спутники, предназначенные для наблюдений за небом. Сориентированные в этом направлении, они ловят космическое излучение, которое не может преодолеть экран атмосферы, а, следовательно, недоступное для телескопов, размещенных на уровне моря. Среди спутников, собравших богатый «урожай», можно назвать инфракрасный Астрономический спутник, который в 1983 году открыл полмиллиона новых звезд и галактик, а также известный спутник «Кобе» (Cosmic Background Explorer), давший подтверждение теории начального взрыва.
НА ВЫСОКУЮ ОРБИТУ
Навигационные спутники должны наблюдаться из самых отдаленных точек земной поверхности, поэтому запускаются они на достаточно высокие орбиты. 24 спутника «Навстар», образующие Global Positioning System (Всемирная сеть местонахождения), вращаются за полярной орбитой на высоте 20200 км под углом 55 градусов к экватору. Для любой точки земной поверхности и в любое время над горизонтом висят три или больше спутников. Используя сигналы спутника, приемник может автоматически определить местоположение с точностью до 30 метров, а то и точнее. Эта система предназначена как для гражданского, так и для военного использования; он представляет неоценимую помощь как одиночкам-мореплавателям на яхтах, так и военным, как это было в иракской пустыне, где в 1991 году развернулся театр военных действий во время «войны в заливе».
В 60-х годах тогдашний Советский Союз также начал программу спутников связи, выведенных на высокие угловые орбиты. Однако вместо круглых орбит спутники серии «Молния» передвигались по длинным узким овальным орбитам. В своем перигее (самая низкая точка орбиты) спутник «Молния» пролетал на высоте 500 км над поверхностью, а в апогее (высшая точка) удалялся от земли на 40 000 километров. На такой высоте спутник двигался очень медленно, и наземные станции имели возможность держать его в поле зрения в течение многих часов.
Время, которое тратит спутник для оборота по своей орбите, зависит от единственного фактора, а именно — от обычного расстояния спутника от Земли. Чем дальше спутник от Земли, тем дольше длится его полный оборот. Космические «шаттлы» и станция «Мир», как и все другие объекты на низких околоземных орбитах, имеют период обращения 90 минут. Среднее расстояние спутников «Навстар» и «Молния» от Земли — 20200 км, поэтому оба типа спутников имеют одинаковый период обращения, равный 12 часам.
АНТЕННА ВЫСОТОЙ 36 ТЫСЯЧ КМ
Спутник, размещенный на высоте 35880 км, имеет период обращения 24 часа. Если он вращается над Землей в плоскости экватора по круговой орбите, то передвигается точно с той же скоростью, что и планета, которую он облетает. В результате, кажется, что спутник неподвижно завис над одной и той же точкой экватора.
Еще в 1945 году писатель-фантаст Артур Кларк отметил, что спутник на такой «геостационарной орбите» будет иметь идеальное положение для трансляции радиосигналов вокруг света, потому что, размещенный на вершине невидимой антенны высотой 36 км, он станет видимым почти для половины Земли. Кларк понял, что трех спутников, размещенных на орбите через равные промежутки, достаточно для того, чтобы передавать сигналы с любой точки Земли в любую другую точку на земной поверхности.
С тех пор передача через спутники межконтинентальных телефонных разговоров и телевизионных программ стала обычной вещью. Потребность в этом большая, поэтому на геостационарной орбите имеем сейчас многие десятки спутников, которые улавливают сигналы передатчика с какого-то континента, усиливают их и передают в мощную приемную антенну в любой части мира.
В течение последних лет появился другой вид трансляций со спутников на геостационарной орбите, это — то, что мы уже привычно называем «спутниковым телевидением». Спутник прямого телевидения также принимает сигналы с Земли и отсылает их на Землю, и при этом передает такой мощный сигнал, что его можно принимать с помощью маленькой параболической антенны, соединенной с телевизором. Передатчики на спутнике имеют конструкцию, дающую им возможность покрывать какую-то определенную ограниченную поверхность Земли, тогда телевизионные программы будут приниматься только телевизорами в этой узкой зоне.
Так же вращаются по замкнутому воображаемому кругу над экватором спутники, назначение которых — держать в поле зрения всю планету. Среди них — военные спутники, которые подслушивают электронную связь других государств или выискивают пятна инфракрасного излучения (тепла) от запуска ракет. С полдесятка других спутников, в том числе европейский «Метеосат», наблюдают климатические условия по всей Земле, таким образом, дополняя метеорологические сведения, полученные со спутников на низких полярных орбитах, вроде американских спутников серии «Тирос».
Продолжение следует.
Автор: Найджел Хенбест.