چه نیرویی ماهواره زمین را نگه می دارد. چرا ماهواره ها مدار را ترک نمی کنند؟ سرعت و ارتفاع مداری

برای پرتاب یک ماهواره به مدار پایین زمین، باید به آن سرعت اولیه برابر با اولین سرعت کیهانی یا کمی بالاتر از آخرین سرعت داده شود. این بلافاصله اتفاق نمی افتد، بلکه به تدریج اتفاق می افتد. یک موشک چند مرحله ای حامل یک ماهواره به آرامی سرعت می گیرد. هنگامی که سرعت پرواز آن به مقدار محاسبه شده رسید، ماهواره از موشک جدا شده و شروع به کار می کند حرکت آزاددر مدار شکل مدار به سرعت اولیه و جهت آن بستگی دارد: ابعاد و خروج از مرکز.

اگر مقاومتی از سوی محیط و جاذبه های مزاحم ماه و خورشید وجود نداشت و زمین به شکل کروی بود، مدار ماهواره هیچ تغییری نمی کرد و خود ماهواره برای همیشه در امتداد آن حرکت می کرد. با این حال، در واقعیت، مدار هر ماهواره به دلایل مختلف تغییر می کند.

نیروی اصلی که مدار ماهواره را تغییر می دهد، ترمزگیری است که به دلیل مقاومت محیط نادری که ماهواره از طریق آن پرواز می کند، رخ می دهد. بیایید ببینیم که چگونه بر حرکت او تأثیر می گذارد. از آنجایی که مدار ماهواره معمولاً بیضوی است، فاصله آن از زمین به صورت دوره ای تغییر می کند. به سمت حضیض کاهش می یابد و در اوج به حداکثر فاصله می رسد. چگالی جو زمین با افزایش ارتفاع به سرعت کاهش می یابد و بنابراین ماهواره در نزدیکی حضیض با بیشترین مقاومت مواجه می شود. ماهواره با صرف بخشی از انرژی جنبشی برای غلبه بر این مقاومت، هرچند کوچک، دیگر نمی تواند به ارتفاع قبلی خود برود و اوج آن به تدریج کاهش می یابد. کاهش حضیض نیز رخ می دهد، اما بسیار کندتر از کاهش در اوج. بنابراین، اندازه مدار و گریز از مرکز آن به تدریج کاهش می یابد: مدار بیضوی به یک مدار دایره ای نزدیک می شود. این ماهواره در یک مارپیچ به آرامی در اطراف زمین حرکت می کند و در نهایت به وجود خود در لایه های متراکم جو زمین پایان می دهد و مانند یک جسم شهاب سنگی گرم می شود و تبخیر می شود. اگر اندازه آن بزرگ باشد، می تواند به سطح زمین برسد.

جالب است بدانید که ترمز گرفتن ماهواره سرعت آن را کاهش نمی دهد، بلکه برعکس آن را افزایش می دهد. بیایید چند محاسبات ساده انجام دهیم.

از قانون سوم کپلر چنین نتیجه می شود

که در آن C یک ثابت، M جرم زمین، m جرم ماهواره، P دوره چرخش آن و a نیمه محور اصلی مدار است. نادیده گرفته شده است

با جرم ماهواره در مقایسه با جرم زمین به دست می آوریم

برای سادگی محاسبات، اجازه دهید مدار ماهواره را دایره ای فرض کنیم. حرکت با سرعت ثابتυ، ماهواره مسافت υ Р = 2 πα را در مدار خود برای یک دور کامل طی می کند، از این رو Р = 2πa/υ. با جایگزینی این مقدار P به فرمول (9.1) و انجام تبدیل، متوجه می شویم

بنابراین، با کاهش اندازه مدار a، سرعت ماهواره v افزایش می یابد: انرژی جنبشی ماهواره به دلیل کاهش سریع انرژی پتانسیل افزایش می یابد.

دومین نیرویی که شکل مدار ماهواره را تغییر می دهد، فشار تابش خورشیدی است، یعنی جریان های نور و جسمی (باد خورشیدی). این نیرو عملا بر روی ماهواره های کوچک تاثیری ندارد اما برای ماهواره هایی مانند Pageos بسیار قابل توجه است. در هنگام پرتاب، Pageos مدار دایره ای داشت، اما دو سال بعد به یک بیضوی بسیار کشیده تبدیل شد.

حرکت ماهواره نیز تحت تأثیر میدان مغناطیسی زمین قرار می گیرد، زیرا ماهواره می تواند مقداری بار الکتریکی به دست آورد و هنگامی که در میدان مغناطیسی حرکت می کند، تغییر مسیر باید رخ دهد.

با این حال، همه این نیروها نگران کننده هستند. نیروی اصلی که ماهواره را در مدار خود نگه می دارد نیروی گرانش است. و در اینجا ما با برخی از ویژگی های خاص مواجه می شویم. می دانیم که در نتیجه چرخش محوری، شکل زمین با شکل کروی متفاوت است و گرانش زمین دقیقاً به سمت مرکز زمین هدایت نمی شود. این بر اجسام بسیار دور تأثیر نمی گذارد، اما ماهواره ای که در نزدیکی زمین قرار دارد به وجود "برآمدگی های استوایی" در نزدیکی زمین واکنش نشان می دهد. صفحه مدار آن به آرامی اما کاملاً منظم حول محور چرخش زمین می چرخد. این پدیده از مشاهدات انجام شده در طول یک هفته به وضوح قابل مشاهده است. همه این تغییرات مداری نشان دهنده یک چیز بزرگ است علاقه علمیو بنابراین مشاهدات سیستماتیک بر روی حرکت ماهواره های مصنوعی انجام می شود.

شاید به نظر برسد که ماهواره ها در مدار زمین ساده ترین، آشناترین و آشناترین چیز در این دنیا هستند. از این گذشته، ماه بیش از چهار میلیارد سال است که در آسمان معلق بوده و هیچ چیز ماوراء طبیعی در مورد حرکات آن وجود ندارد. اما اگر خودمان ماهواره‌ها را به مدار زمین پرتاب کنیم، آنها فقط چند یا ده‌ها سال در آنجا می‌مانند و سپس دوباره وارد جو می‌شوند و یا می‌سوزند یا به اقیانوس و روی زمین می‌افتند.

علاوه بر این، اگر نگاه کنید ماهواره های طبیعیدر سیارات دیگر، همه آنها به طور قابل توجهی بیشتر از ماهواره های ساخته دست بشر که به دور زمین می چرخند، عمر می کنند. برای مثال، ایستگاه فضایی بین‌المللی (ISS) هر 90 دقیقه به دور زمین می‌چرخد، در حالی که ماه ما حدود یک ماه طول می‌کشد تا این کار را انجام دهد. حتی ماهواره‌هایی که به سیاره‌های خود نزدیک هستند - مانند Io مشتری که نیروهای جزر و مدی آن جهان را گرم می‌کند و با فجایع آتشفشانی آن را از هم می‌پاشد - در مدار خود ثابت می‌مانند.

انتظار می رود آیو تا پایان عمر منظومه شمسی در مدار مشتری باقی بماند، اما ISS اگر کاری انجام نشود، کمتر از 20 سال در مدار خود باقی خواهد ماند. این سرنوشت تقریباً برای همه ماهواره‌های موجود در مدار پایین زمین صدق می‌کند: تا قرن آینده تقریباً همه ماهواره‌های فعلی وارد جو زمین شده و خواهند سوخت. بزرگترین آنها (مانند ایستگاه فضایی بین المللی با وزن 431 تن) به شکل زباله های بزرگ روی زمین و در آب می افتند.

چرا این اتفاق می افتد؟ چرا این ماهواره ها به قوانین انیشتین، نیوتن و کپلر اهمیت نمی دهند و چرا نمی خواهند همیشه مداری ثابت داشته باشند؟ به نظر می رسد تعدادی از عوامل باعث این آشفتگی مداری می شوند.

این شاید مهمترین اثر باشد و همچنین دلیل ناپایدار بودن ماهواره ها در مدار پایین زمین است. سایر ماهواره ها - مانند ماهواره های زمین ثابت - نیز از مدار خارج می شوند، اما نه به این سرعت. ما عادت داریم هر چیزی را که بالای 100 کیلومتر است، "فضا" در نظر بگیریم: بالای خط کارمان. اما هر تعریفی از مرز فضا، جایی که فضا شروع می شود و جو سیاره به پایان می رسد، دور از ذهن خواهد بود. در واقع، ذرات اتمسفر به مراتب گسترش می یابند، اما چگالی آنها کمتر و کمتر می شود. در نهایت چگالی کاهش می یابد - زیر میکروگرم در هر سانتی متر مکعب، سپس یک نانوگرام، سپس یک پیکوگرام - و سپس می‌توانیم آن را فضا با اطمینان فزاینده بنامیم. اما اتم های اتمسفر می توانند هزاران کیلومتر دورتر باشند و زمانی که ماهواره ها با این اتم ها برخورد می کنند، حرکت خود را از دست می دهند و سرعت خود را کاهش می دهند. بنابراین ماهواره هایی که در مدار پایین زمین قرار دارند ناپایدار هستند.

ذرات باد خورشیدی

خورشید دائماً جریانی از ذرات پرانرژی، عمدتاً پروتون، ساطع می‌کند، اما الکترون‌ها و هسته‌های هلیوم نیز وجود دارند که با هر چیزی که با آن روبرو می‌شوند برخورد می‌کنند. این برخوردها به نوبه خود، حرکت ماهواره هایی که با آنها برخورد می کنند را تغییر می دهد و به تدریج سرعت آنها را کاهش می دهد. پس از گذشت زمان کافی، مدارها شروع به مختل شدن می کنند. و اگرچه این دلیل اصلی خارج شدن از مدار ماهواره ها در LEO نیست، اما برای ماهواره های دورتر بیشتر است. مهم استهرچه نزدیکتر می شوند و با آن مقاومت اتمسفر افزایش می یابد.

میدان گرانشی ناقص زمین

اگر زمین جوی مانند عطارد یا ماه نداشت، آیا ماهواره های ما می توانستند برای همیشه در مدار بمانند؟ حتی اگر باد خورشیدی را حذف کنیم. این به این دلیل است که زمین - مانند همه سیارات - یک جرم نقطه ای نیست، بلکه ساختاری با متغیر است میدان گرانشی. این میدان و تغییر با چرخش ماهواره‌ها به دور سیاره منجر به نیروهای جزر و مدی می‌شود که بر آنها تأثیر می‌گذارد. و هر چه ماهواره به زمین نزدیکتر باشد، تأثیر این نیروها بیشتر می شود.

تأثیر گرانشی بقیه منظومه شمسی

بدیهی است که زمین یک سیستم کاملاً منزوی نیست که در آن تنها نیروی گرانشی که بر ماهواره ها تأثیر می گذارد از خود زمین باشد. نه، ماه، خورشید و تمام سیارات دیگر، دنباله‌دارها، سیارک‌ها و غیره به شکل نیروهای گرانشی که مدارها را از هم دور می‌کنند، نقش دارند. حتی اگر زمین یک نقطه کامل باشد - مثلاً به یک سیاه‌چاله غیر چرخنده سقوط کرده باشد - بدون جو، و ماهواره‌ها 100% از باد خورشیدی محافظت شوند، آن ماهواره‌ها به تدریج شروع به حرکت مارپیچی به سمت مرکز زمین می‌کنند. آنها بیش از آنچه که خورشید وجود دارد در مدار خواهند ماند، اما این منظومه نیز کاملاً پایدار نخواهد بود. در نهایت مدار ماهواره ها مختل می شود.

اثرات نسبیتی

قوانین نیوتن - و مدارهای کپلری - تنها چیزهایی نیستند که حرکت اجرام سماوی را تعیین می کنند. همان نیرویی که باعث می‌شود مدار عطارد بیش از 43 اینچ در هر قرن پیش رود، باعث می‌شود که مدارها توسط امواج گرانشی مختل شوند. سرعت این اختلال برای میدان‌های گرانشی ضعیف (مانند میدان‌های گرانشی که در منظومه شمسی می‌یابیم) و برای فواصل بزرگ بسیار کم است: 10150 سال طول می‌کشد تا زمین به سمت خورشید بپیچد و درجه اختلال در مدارها ماهواره های نزدیک به زمین صدها هزار برابر کمتر از این است. اما این نیرو وجود دارد و یک پیامد اجتناب ناپذیر است نظریه عمومینسبیت، به طور موثر خود را در ماهواره های نزدیکتر سیاره نشان می دهد.

همه این‌ها نه تنها بر ماهواره‌هایی که ایجاد می‌کنیم، بلکه بر ماهواره‌های طبیعی که در مدار سایر دنیاها می‌گردند نیز تأثیر می‌گذارد. برای مثال، نزدیک‌ترین قمر به مریخ، فوبوس، محکوم است که توسط نیروهای جزر و مدی از هم جدا شود و در جو سیاره سرخ فرود آید. اتمسفر مریخ علیرغم داشتن جوی به اندازه 1/140م زمین، بزرگ و پراکنده است و علاوه بر این، مریخ از بادهای خورشیدی محافظت نمی کند (بر خلاف زمین میدان مغناطیسی). بنابراین، پس از ده ها میلیون سال، فوبوس از بین خواهد رفت. ممکن است به نظر برسد که این به این زودی اتفاق نخواهد افتاد، اما این کمتر از 1 درصد موارد است منظومه شمسیدر حال حاضر وجود دارد.

اما نزدیکترین ماهواره مشتری آیو نیست: طبق اسطوره ها، این متیس است که اولین همسر زئوس است. نزدیک‌تر به آیو، چهار قمر کوچک، که متیس نزدیک‌ترین آنهاست، تنها 0.8 شعاع مشتری از جو سیاره است. در مورد مشتری، این نیروهای جوی یا باد خورشیدی نیستند که مسئول اختلال در مدارها هستند. متیس با نیم محور مداری 128000 کیلومتری، نیروهای جزر و مدی چشمگیری را تجربه می کند که مسئول فرود مارپیچی این قمر به سمت مشتری هستند.

به عنوان نمونه ای از اتفاقی که هنگام تسلط نیروهای جزر و مدی قوی روی می دهد، دنباله دار شومیکر-لوی 9 و برخورد آن با مشتری در سال 1994، پس از اینکه به طور کامل توسط نیروهای جزر و مدی از هم جدا شد، می باشد. این سرنوشت همه ماهواره هایی است که به سمت دنیای خانه خود می روند.

مجموعه همه این عوامل باعث می شود هر ماهواره ای اساساً ناپایدار باشد. با توجه به زمان کافی و عدم وجود سایر اثرات تثبیت کننده، مطلقاً همه مدارها مختل خواهند شد. به هر حال، همه مدارها ناپایدار هستند، اما برخی از آنها ناپایدارتر از سایرین هستند.

مدار زمین ثابت چیست؟ این یک میدان دایره‌ای است که در بالای خط استوای زمین قرار دارد و در طول آن یک ماهواره مصنوعی با سرعت زاویه‌ای چرخش سیاره به دور محور خود می‌چرخد. در سیستم مختصات افقی جهت خود را تغییر نمی دهد، اما بدون حرکت در آسمان آویزان می شود. مدار زمین ثابت (GSO) نوعی میدان ژئوسنکرون است و برای قرار دادن ارتباطات، پخش تلویزیونی و سایر ماهواره ها استفاده می شود.

ایده استفاده از دستگاه های مصنوعی

مفهوم مدار زمین ثابت توسط مخترع روسی K. E. Tsiolkovsky آغاز شد. او در آثارش پر کردن فضا با کمک ایستگاه های مداری را پیشنهاد کرد. دانشمندان خارجی نیز کار میدان های کیهانی را توصیف کردند، به عنوان مثال، G. Oberth. مردی که مفهوم استفاده از مدار برای ارتباطات را توسعه داد، آرتور سی کلارک است. او در سال 1945 مقاله ای را در مجله Wireless World منتشر کرد و در آن به شرح مزایای میدان geostationary پرداخت. برای فعالیت فعال خود در این زمینه، به افتخار دانشمند، مدار نام دوم خود را - "کمربند کلارک" دریافت کرد. بسیاری از نظریه پردازان در مورد مشکل اجرای ارتباطات با کیفیت بالا فکر کرده اند. بنابراین، هرمان پوتوچنیک در سال 1928 این ایده را بیان کرد که چگونه می توان از ماهواره های زمین ثابت استفاده کرد.

ویژگی های "کمربند کلارک"

برای اینکه یک مدار زمین ثابت نامیده شود، باید تعدادی پارامتر را داشته باشد:

1. Geosynchrony. این مشخصه شامل میدانی است که دوره ای متناظر با دوره چرخش زمین دارد. یک ماهواره ژئوسنکرون مدار خود را به دور سیاره در یک روز غیر واقعی یعنی 23 ساعت و 56 دقیقه و 4 ثانیه کامل می کند. همین زمان برای کامل کردن یک چرخش زمین در یک فضای ثابت مورد نیاز است.

2. برای نگهداری یک ماهواره در یک نقطه خاص، مدار زمین ثابت باید دایره ای و با شیب صفر باشد. یک میدان بیضی شکل منجر به جابجایی به سمت شرق یا غرب خواهد شد، زیرا سفینه در نقاط خاصی از مدار خود به طور متفاوتی حرکت می کند.

3. "نقطه معلق" مکانیسم فضا باید در خط استوا باشد.

4. قرار گرفتن ماهواره ها در مدار زمین ثابت باید به گونه ای باشد که تعداد کم فرکانس های در نظر گرفته شده برای ارتباط منجر به همپوشانی فرکانس های دستگاه های مختلف در هنگام دریافت و ارسال و نیز جلوگیری از برخورد آنها شود.

5. مقدار سوخت کافی برای حفظ موقعیت ثابت مکانیسم فضا.

مدار زمین ثابت ماهواره از این نظر منحصر به فرد است که تنها با ترکیب پارامترهای آن می توان دستگاه را ثابت نگه داشت. یکی دیگر از ویژگی های آن، توانایی دیدن زمین در زاویه هفده درجه نسبت به زمین های واقع در آن است میدان فضاییماهواره ها هر دستگاه تقریباً یک سوم سطح مدار را می گیرد، بنابراین سه مکانیسم قادر به پوشش تقریباً کل سیاره هستند.

ماهواره های مصنوعی

این هواپیما در طول یک مسیر ژئوسنتریک به دور زمین می چرخد. برای پرتاب آن از موشک چند مرحله ای استفاده می شود. این یک مکانیسم فضایی است که توسط نیروی واکنشی موتور هدایت می شود. برای حرکت مداری ماهواره های مصنوعیزمین باید سرعت اولیه ای داشته باشد که مطابق با اولین سرعت کیهانی باشد. پروازهای آنها در ارتفاع حداقل چند صد کیلومتری انجام می شود. دوره گردش دستگاه می تواند چندین سال باشد. ماهواره های زمین مصنوعی را می توان از تابلوهای دستگاه های دیگر، به عنوان مثال، ایستگاه های مداری و کشتی ها پرتاب کرد. پهپادها تا دوجین تن جرم دارند و تا چند ده متر اندازه دارند. قرن بیست و یکم با تولد دستگاه هایی با وزن بسیار سبک - تا چند کیلوگرم مشخص شد.

ماهواره ها توسط بسیاری از کشورها و شرکت ها راه اندازی شده اند. اولین دستگاه مصنوعی جهان در اتحاد جماهیر شوروی ساخته شد و در 4 اکتبر 1957 به فضا پرواز کرد. اسپوتنیک 1 نام داشت. در سال 1958، ایالات متحده دومین فضاپیمای اکسپلورر 1 را به فضا پرتاب کرد. اولین ماهواره که در سال 1964 توسط ناسا به فضا پرتاب شد، Syncom-3 نام داشت. دستگاه‌های مصنوعی عمدتا غیرقابل برگشت هستند، اما مواردی هم هستند که به طور جزئی یا کامل بازگردانده می‌شوند. برای انجام آنها استفاده می شود تحقیقات علمیو راه حل ها وظایف مختلف. بنابراین، ماهواره های نظامی، تحقیقاتی، ناوبری و غیره وجود دارد. دستگاه های ایجاد شده توسط کارمندان دانشگاه یا آماتورهای رادیو نیز راه اندازی می شوند.

"نقطه ایستاده"

ماهواره های زمین ثابت در ارتفاع 35786 کیلومتری از سطح دریا قرار دارند. این ارتفاع یک دوره مداری را فراهم می کند که مطابق با دوره چرخش زمین نسبت به ستارگان است. وسیله نقلیه مصنوعی بی حرکت است، بنابراین مکان آن در مدار زمین ثابت "نقطه ایستاده" نامیده می شود. شناور کردن، ارتباط طولانی مدت ثابتی را تضمین می کند، هنگامی که آنتن جهت گیری شود، همیشه به سمت ماهواره مورد نظر قرار می گیرد.

حرکت

ماهواره ها را می توان با استفاده از میدان های انتقال زمین از مدار ارتفاع پایین به مدار زمین ثابت منتقل کرد. دومی یک مسیر بیضی شکل با یک نقطه در ارتفاع کم و یک قله در ارتفاع نزدیک به دایره geostationary هستند. ماهواره ای که برای عملیات بیشتر نامناسب شده است به مداری که در 200-300 کیلومتری بالای GEO قرار دارد فرستاده می شود.

ارتفاع مدار زمین ثابت

یک ماهواره در یک میدان مشخص فاصله معینی را از زمین حفظ می کند، نه نزدیک می شود و نه دور می شود. همیشه در بالای نقطه ای از خط استوا قرار دارد. بر اساس این ویژگی ها، نتیجه می شود که نیروهای گرانش و نیروی گریز از مرکز یکدیگر را متعادل می کنند. ارتفاع مدار زمین ثابت با استفاده از روش های بر اساس محاسبه می شود مکانیک کلاسیک. در این مورد، مطابقت نیروهای گرانشی و گریز از مرکز در نظر گرفته می شود. مقدار اولین کمیت با استفاده از قانون گرانش جهانی نیوتن تعیین می شود. نشانگر نیروی گریز از مرکز با ضرب جرم ماهواره در محاسبه می شود شتاب گریز از مرکز. نتیجه برابری جرم گرانشی و اینرسی این است که ارتفاع مداری به جرم ماهواره بستگی ندارد. بنابراین، مدار زمین ثابت تنها با ارتفاعی تعیین می شود که در آن نیروی گریز از مرکز از نظر قدر برابر و در جهت مخالف نیروی گرانشی ایجاد شده توسط گرانش زمین در یک ارتفاع معین است.

از فرمول محاسبه شتاب مرکز، می توانید سرعت زاویه ای را پیدا کنید. شعاع مدار زمین ثابت نیز با این فرمول یا با تقسیم ثابت گرانشی زمین مرکزی بر مجذور سرعت زاویه ای تعیین می شود. طول آن 42164 کیلومتر است. با احتساب شعاع استوایی زمین، ارتفاعی برابر با 35786 کیلومتر بدست می آوریم.

محاسبات را می توان به روش دیگری انجام داد، بر اساس این بیانیه که ارتفاع مداری، که فاصله از مرکز زمین است، با سرعت زاویه ای ماهواره که با حرکت چرخشی سیاره منطبق است، یک خطی ایجاد می کند. سرعتی که برابر با اولین سرعت کیهانی در یک ارتفاع معین است.

سرعت در مدار زمین ثابت. طول

این شاخص با ضرب سرعت زاویه ای در شعاع میدان محاسبه می شود. مقدار سرعت در مدار 3.07 کیلومتر بر ثانیه است که بسیار کمتر از اولین سرعت کیهانی در مسیر نزدیک به زمین است. برای کاهش سرعت، باید شعاع مداری را بیش از شش برابر افزایش داد. طول با ضرب عدد Pi و شعاع ضرب در دو محاسبه می شود. 264924 کیلومتر است. این شاخص هنگام محاسبه "نقاط ایستاده" ماهواره ها در نظر گرفته می شود.

نفوذ نیروها

پارامترهای مداری که مکانیسم مصنوعی در امتداد آن می چرخد ​​می تواند تحت تأثیر اختلالات گرانشی قمری-خورشیدی، ناهمگنی میدان زمین و بیضی بودن خط استوا تغییر کند. دگرگونی میدان در چنین پدیده هایی بیان می شود:

1. جابجایی ماهواره از موقعیت خود در امتداد مدار به سمت نقاط تعادل پایدار که به آن حفره های پتانسیل در مدار زمین ثابت می گویند.
2. زاویه تمایل میدان به استوا با سرعت معینی رشد می کند و هر 26 سال و 5 ماه یک بار به 15 درجه می رسد.

برای نگه داشتن ماهواره در "نقطه ایستاده" مورد نظر، مجهز به یک پیشرانه است که هر 10-15 روز چندین بار روشن می شود. بنابراین، برای جبران افزایش شیب مداری، از تصحیح "شمال-جنوب" و برای جبران رانش در امتداد میدان، از اصلاح "غرب به شرق" استفاده می شود. برای تنظیم مسیر ماهواره در تمام طول عمر آن، یک منبع بزرگ سوخت در هواپیما مورد نیاز است.

سیستم های محرکه

انتخاب دستگاه با توجه به ویژگی های فنی فردی ماهواره تعیین می شود. به عنوان مثال، یک موتور موشک شیمیایی دارای منبع سوخت جابه‌جایی است و بر روی اجزای با جوش بالا (دی‌نیتروژن تتروکسید، دی‌متیل هیدرازین نامتقارن) کار می‌کند. دستگاه های پلاسما به طور قابل توجهی نیروی رانش کمتری دارند، اما به دلیل کارکرد طولانی مدت که در ده ها دقیقه برای یک حرکت اندازه گیری می شود، می توانند میزان سوخت مصرفی در هواپیما را به میزان قابل توجهی کاهش دهند. این نوع پیشرانه برای مانور دادن ماهواره به موقعیت مداری دیگر استفاده می شود. عامل محدود کننده اصلی در طول عمر دستگاه، تامین سوخت در مدار زمین ثابت است.

معایب میدان مصنوعی

یک اشکال مهم در تعامل با ماهواره های زمین ایستا تأخیر زیاد در انتشار سیگنال است. بدین ترتیب، با سرعت نور 300 هزار کیلومتر بر ثانیه و ارتفاع مداری 35786 کیلومتر، حرکت پرتو زمین-ماهواره حدود 0.12 ثانیه و پرتو زمین-ماهواره-زمین 0.24 ثانیه طول می کشد. با در نظر گرفتن تاخیر سیگنال در تجهیزات و سیستم های انتقال کابل خدمات زمینی، کل تاخیر سیگنال "منبع-ماهواره-گیرنده" تقریباً به 2-4 ثانیه می رسد. این شاخص به طور قابل توجهی استفاده از دستگاه های موجود در مدار را برای تلفن پیچیده می کند و استفاده از ارتباطات ماهواره ای را در سیستم های بلادرنگ غیرممکن می کند.

یکی دیگر از معایب نامرئی بودن مدار زمین ثابت از عرض های جغرافیایی بالا است که در ارتباطات و پخش تلویزیونی در مناطق قطب شمال و قطب جنوب اختلال ایجاد می کند. در شرایطی که خورشید و ماهواره فرستنده در یک راستا با آنتن گیرنده قرار می گیرند، کاهش می یابد و حتی گاهی اوقات غیبت کاملسیگنال در مدارهای زمین ایستا، به دلیل عدم تحرک ماهواره، این پدیده به طور خاص خود را آشکار می کند.

اثر داپلر

این پدیده شامل تغییر فرکانس است ارتعاشات الکترومغناطیسیبا حرکت متقابل فرستنده و گیرنده. این پدیده با تغییر فاصله در طول زمان و همچنین حرکت وسایل نقلیه مصنوعی در مدار بیان می شود. این اثر خود را به صورت پایداری پایین فرکانس حامل ماهواره نشان می دهد که به ناپایداری سخت افزاری فرکانس تکرارکننده و ایستگاه زمینی آنبورد اضافه می شود که دریافت سیگنال ها را پیچیده می کند. اثر داپلر به تغییر فرکانس ارتعاشات تعدیل کننده کمک می کند که نمی توان آن را کنترل کرد. در صورتی که از ماهواره های ارتباطی و پخش مستقیم تلویزیون در مدار استفاده شود، این پدیده عملاً حذف می شود، یعنی هیچ تغییری در سطح سیگنال در نقطه دریافت وجود ندارد.

نگرش به میدان های زمین ثابت در جهان

تولد مدار فضا سوالات و مشکلات حقوقی بین المللی زیادی را ایجاد کرده است. تعدادی از کمیته ها، به ویژه سازمان ملل متحد، در قطعنامه آنها مشارکت دارند. برخی از کشورهای واقع در خط استوا ادعاهایی مبنی بر گسترش حاکمیت خود به بخشی از میدان فضایی واقع در بالای قلمرو خود داشتند. ایالت ها بیان کردند که مدار زمین ثابت یک عامل فیزیکی است که با وجود سیاره مرتبط است و به میدان گرانشی زمین بستگی دارد، بنابراین بخش های میدان امتداد قلمرو کشورهای آنها هستند. اما چنین ادعاهایی رد شد، زیرا جهان یک اصل عدم تصاحب فضای بیرونی دارد. تمام مشکلات مربوط به عملکرد مدارها و ماهواره ها در سطح جهانی حل شده است.

زمین، مانند هر جسم کیهانی، میدان گرانشی و مدارهای مجاور خود را دارد که اجسام و اجرام با اندازه‌های مختلف در آن‌ها قرار دارند. اغلب آنها به ماه و ایستگاه فضایی بین المللی اشاره می کنند. اولی در مدار خودش راه می‌رود و ایستگاه فضایی بین‌المللی در مداری نزدیک به زمین پایین است. چندین مدار وجود دارد که از نظر فاصله آنها از زمین، موقعیت نسبی آنها نسبت به سیاره و جهت چرخش متفاوت است.

مدارهای ماهواره های زمین مصنوعی

امروزه در نزدیکترین فضای نزدیک به زمین اجرام زیادی وجود دارد که حاصل فعالیت انسان است. اساساً اینها ماهواره های مصنوعی هستند که برای برقراری ارتباط استفاده می شوند، اما زباله های فضایی زیادی نیز وجود دارد. یکی از معروف ترین ماهواره های مصنوعی زمین، ایستگاه فضایی بین المللی است.

ماهواره ها در سه مدار اصلی حرکت می کنند: استوایی (زمین ایستایی)، قطبی و شیب دار. اولی کاملاً در صفحه دایره استوایی قرار دارد ، دومی کاملاً عمود بر آن است و سومی بین آنها قرار دارد.

مدار ژئوسنکرون

نام این مسیر به این دلیل است که جسمی که در امتداد آن حرکت می کند دارای سرعتی برابر با دوره چرخش زمین است. مدار زمین ثابت یک مورد خاص از مدار ژئوسنکرون است که در همان صفحه استوای زمین قرار دارد.

این ماهواره با تمایلی که برابر با خروج از مرکز صفر و صفر نیست، هنگامی که از زمین مشاهده می شود، رقم هشت را در آسمان در طول روز توصیف می کند.

اولین ماهواره در مدار ژئوسنکرون، American Syncom-2 است که در سال 1963 به آن پرتاب شد. امروزه در برخی موارد ماهواره ها در مدار ژئوسنکرون قرار می گیرند زیرا وسیله پرتاب نمی تواند آنها را در مدار ژئوسنکرون قرار دهد.

مدار زمین ثابت

این مسیر به این دلیل این نام را دارد که با وجود حرکت ثابت، جسم واقع بر روی آن نسبت به سطح زمین ثابت می ماند. مکانی که جسم در آن قرار دارد، نقطه ایستاده نامیده می شود.

ماهواره‌هایی که در چنین مداری قرار می‌گیرند اغلب برای انتقال تلویزیون ماهواره‌ای استفاده می‌شوند، زیرا ماهیت استاتیک به شما امکان می‌دهد آنتن را یکبار به سمت آن بگیرید و برای مدت طولانی متصل بمانید.

ارتفاع ماهواره ها در مدار زمین ثابت 35786 کیلومتر است. از آنجایی که همه آنها مستقیماً بالای استوا هستند، فقط نصف النهار برای نشان دادن موقعیت نامگذاری شده است، به عنوان مثال، 180.0˚E Intelsat 18 یا 172.0˚E Eutelsat 172A.

شعاع تقریبی مداری ~42164 کیلومتر، طول حدود 265000 کیلومتر و سرعت مداری تقریباً 3.07 کیلومتر بر ثانیه است.

مدار بیضی شکل بالا

مدار بیضوی بلند مسیری است که ارتفاع آن در حضیض چندین برابر کمتر از اوج است. قرار دادن ماهواره ها در چنین مدارهایی چندین مزیت مهم دارد. به عنوان مثال، یکی از این سیستم ها ممکن است برای خدمت به کل روسیه یا، بر این اساس، به گروهی از ایالت ها با مساحت کل مساوی کافی باشد. علاوه بر این، سیستم‌های VEO در عرض‌های جغرافیایی بالا نسبت به ماهواره‌های زمین‌ایستا توانایی بیشتری دارند. و قرار دادن ماهواره در مدار بیضوی بالا تقریباً 1.8 برابر کمتر هزینه دارد.

نمونه های بزرگی از سیستم هایی که روی VEO اجرا می شوند:

• رصدخانه های فضایی توسط ناسا و اسا به فضا پرتاب شدند.
• رادیو ماهواره ای Sirius XM.
• ارتباطات ماهواره ای Meridian، -Z و -ZK، Molniya-1T.
• سیستم تصحیح ماهواره GPS.

مدار پایین زمین

این یکی از پایین ترین مدارهاست که بسته به شرایط مختلف می تواند به ترتیب ارتفاع 160-2000 کیلومتر و دوره مداری 88-127 دقیقه داشته باشد. تنها زمانی که LEO توسط سرنشین غلبه کرد فضاپیما- این برنامه آپولو با فرود فضانوردان آمریکایی روی ماه است.

بیشتر ماهواره‌های زمین مصنوعی که در حال حاضر مورد استفاده قرار می‌گیرند یا تاکنون استفاده شده‌اند در مدار پایین زمین کار می‌کنند. به همین دلیل، بخش عمده ای از زباله های فضایی اکنون در این منطقه قرار دارند. سرعت مداری بهینه برای ماهواره های واقع در LEO به طور متوسط ​​7.8 کیلومتر بر ثانیه است.

نمونه هایی از ماهواره های مصنوعی در LEO:

• بین المللی ایستگاه فضایی(400 کیلومتر).
• ماهواره های مخابراتی از بیشترین سیستم های مختلفو شبکه ها
• وسایل نقلیه شناسایی و ماهواره های کاوشگر.

فراوانی زباله های فضایی در مدار - اصلی مشکل مدرنهمه صنعت فضایی. امروزه وضعیت به گونه ای است که احتمال برخورد بین اجسام مختلف در LEO در حال افزایش است. و این به نوبه خود منجر به تخریب و شکل گیری بیشتر می شود بیشترقطعات و جزئیات پیش‌بینی‌های بدبینانه حاکی از آن است که اصل دومینو به طور کامل می‌تواند فرصت کاوش در فضا را از بشریت سلب کند.

مدار مرجع پایین

مرجع کم معمولاً مدار دستگاه نامیده می شود که تغییر در شیب، ارتفاع یا سایر تغییرات قابل توجه را فراهم می کند. اگر دستگاه موتور نداشته باشد و مانور انجام ندهد، مدار آن را مدار پایین زمین می نامند.

جالب است که بالستیک‌های روسی و آمریکایی ارتفاع آن را متفاوت محاسبه می‌کنند، زیرا اولی بر اساس مدل بیضوی زمین و دومی بر اساس مدل کروی است. به همین دلیل، نه تنها در ارتفاع، بلکه در موقعیت حضیض و اوج نیز تفاوت وجود دارد.

همانطور که می‌دانید، ماهواره‌های زمین‌ایستا بی‌حرکت بالای زمین در همان نقطه آویزان هستند. چرا نمی افتند؟ در آن ارتفاع نیروی جاذبه وجود ندارد؟

پاسخ دهید

ماهواره زمین مصنوعی زمین ثابت دستگاهی است که به دور سیاره در جهت شرقی (در همان جهتی که خود زمین می‌چرخد)، در یک مدار استوایی دایره‌ای با دوره‌ای چرخش برابر با دوره چرخش خود زمین حرکت می‌کند.

بنابراین، اگر از زمین به یک ماهواره زمین ثابت نگاه کنیم، آن را بدون حرکت در همان مکان آویزان خواهیم دید. به دلیل این عدم تحرک و ارتفاع زیاد در حدود 36000 کیلومتر که تقریباً نیمی از سطح زمین از آن قابل مشاهده است، ماهواره های رله برای تلویزیون، رادیو و ارتباطات در مدار زمین ثابت قرار می گیرند.

از این واقعیت که یک ماهواره زمین ایستا به طور مداوم بر روی یک نقطه از سطح زمین آویزان می شود، برخی به این نتیجه نادرست می رسند که ماهواره زمین ایستا تحت تأثیر نیروی گرانش به سمت زمین قرار نمی گیرد، که نیروی گرانش در فاصله معینی از زمین ناپدید می شود. زمین، یعنی همان نیوتن را رد می کنند. البته این درست نیست. پرتاب ماهواره ها به مدار زمین ثابت دقیقاً بر اساس قانون گرانش جهانی نیوتن محاسبه می شود.

ماهواره‌های زمین‌ایستا مانند همه ماهواره‌های دیگر در واقع به زمین می‌افتند، اما به سطح آن نمی‌رسند. آنها توسط یک نیروی جاذبه به زمین (نیروی گرانشی) که به سمت مرکز آن هدایت می شود، وارد عمل می شوند و در جهت مخالف، یک نیروی گریز از مرکز (نیروی اینرسی) که زمین را دفع می کند روی ماهواره عمل می کند که یکدیگر را متعادل می کنند - ماهواره از زمین دور نمی‌شود و دقیقاً مانند سطلی که روی طناب چرخیده در مدارش می‌ماند، روی آن نمی‌افتد.

اگر ماهواره اصلاً حرکت نمی کرد، تحت تأثیر گرانش به سمت آن به زمین می افتاد، اما ماهواره ها از جمله زمین ایستا (زمین ایستا - با سرعت زاویه ای برابر با سرعت زاویه ای چرخش زمین، یعنی یک دور حرکت می کنند. در روز، و ماهواره‌هایی که در مدارهای پایین‌تر قرار دارند، سرعت زاویه‌ای بالاتری دارند، یعنی می‌توانند چندین دور زمین را در روز بچرخانند. سرعت خطی ارائه شده به ماهواره موازی با سطح زمین در هنگام قرار دادن مستقیم در مدار نسبتاً زیاد است (در مدار پایین زمین - 8 کیلومتر در ثانیه، در مدار زمین ثابت - 3 کیلومتر در ثانیه). اگر زمین وجود نداشت، ماهواره با چنین سرعتی در یک خط مستقیم پرواز می کرد، اما وجود زمین، ماهواره را مجبور می کند تحت تأثیر گرانش بر روی آن بیفتد و مسیر را به سمت زمین خم کند، اما سطح زمین زمین مسطح نیست، خمیده است. تا جایی که ماهواره به سطح زمین نزدیک می شود، سطح زمین از زیر ماهواره دور می شود و بنابراین، ماهواره دائماً در همان ارتفاع قرار می گیرد و در امتداد یک مسیر بسته حرکت می کند. ماهواره همیشه سقوط می کند، اما نمی تواند سقوط کند.

بنابراین، تمام ماهواره های زمین مصنوعی به زمین سقوط می کنند، اما در طول یک مسیر بسته. ماهواره ها مانند همه اجسام در حال سقوط در حالت بی وزنی هستند (اگر آسانسور در یک آسمان خراش خراب شود و آزادانه شروع به سقوط کند، افراد داخل نیز در حالت بی وزنی قرار می گیرند). فضانوردان داخل ایستگاه فضایی بین‌المللی در بی‌وزنی هستند نه به این دلیل که نیروی گرانش به زمین در مدار عمل نمی‌کند (تقریباً در آنجا مانند سطح زمین است)، بلکه به این دلیل که ایستگاه فضایی بین‌المللی آزادانه به زمین سقوط می‌کند - در طول یک مسیر دایره ای بسته