Milyen erő tartja a Föld műholdját. Miért nem térnek ki a műholdak? Keringési sebesség és magasság

Ahhoz, hogy egy műholdat Föld-közeli pályára bocsássanak, az első űrsebességgel megegyező vagy az utóbbinál valamivel nagyobb kezdeti sebességet kell megadni. Ez nem azonnal, hanem fokozatosan történik. Egy többlépcsős műholdat szállító rakéta lassan felgyorsul. Amikor repülési sebessége eléri a számított értéket, a műhold elválik a rakétától, és megkezdi szabad mozgását a pályán. A pálya alakja a neki adott kezdeti sebességtől és irányától: méreteitől és excentricitásától függ.

Ha nem lenne a környezet ellenállása és a Hold és a Nap zavaró vonzása, és a Föld gömb alakú lenne, akkor a műhold pályája nem változna, és maga a műhold is örökre azon mozogna. A valóságban azonban az egyes műholdak pályája különböző okok hatására megváltozik.

A műhold pályáját megváltoztató fő erő a lassulás, amely annak a ritka közegnek az ellenállása miatt következik be, amelyen a műhold átrepül. Lássuk, milyen hatással van a mozgására. Mivel a műhold pályája általában ellipszis alakú, a Földtől való távolsága időszakosan változik. A perigeus felé csökken, és az apogeusnál éri el maximális távolságát. A Föld légkörének sűrűsége a magasság növekedésével gyorsan csökken, ezért a műhold a perigeum közelében találkozik a legnagyobb ellenállással. Miután a mozgási energia egy részét elköltötte ennek a, bár kicsi, ellenállásnak a leküzdésére, a műhold már nem tud felemelkedni korábbi magasságára, és apogeusa fokozatosan csökken. A perigeus csökkenése is bekövetkezik, de sokkal lassabban, mint az apogee csökkenése. Így a pálya méretei és excentricitása fokozatosan csökkennek: az elliptikus pálya körpályához közelít. A műhold lassan tekercselő spirálban kering a Föld körül, és végül a földi légkör sűrű rétegeiben fejezi be létezését, felmelegszik és elpárolog, mint egy meteoroid. Nagy méreteivel elérheti a Föld felszínét.

Érdekes megjegyezni, hogy a műhold lassulása nem csökkenti a sebességét, hanem éppen ellenkezőleg, növeli. Végezzünk néhány egyszerű számítást.

Kepler harmadik törvényéből az következik

ahol C egy állandó, M a Föld tömege, m a műhold tömege, P a forgási periódusa, és a a pálya fél-főtengelye. Elhanyagolás

a műhold tömegével a Föld tömegéhez viszonyítva azt kapjuk

A számítások egyszerűsége érdekében vegyük kör alakúnak a műhold pályáját. Állandó υ sebességgel haladva a műhold egy teljes fordulat alatt a υ Р = 2 πа távolságot haladja meg a pálya mentén, ahonnan Р = 2πa/υ. Ezt a P értékét behelyettesítve a (9.1) képletbe és végrehajtva transzformációkat, azt találjuk

Tehát a pálya méretének csökkenésével és a műhold sebességével v növekszik: a műhold kinetikus energiája nő a potenciális energia gyors csökkenése miatt.

A második erő, amely megváltoztatja a műhold pályájának alakját, a napsugárzás nyomása, azaz a fény és a korpuszkuláris áramlások (napszél). Kis műholdakra ez az erő gyakorlatilag nem hat, de az olyan műholdak esetében, mint a Pageos, nagyon jelentős. Indításkor a Pageos körpályája volt, és két évvel később nagyon megnyúlt ellipszissé vált.

A műhold mozgását a Föld mágneses tere is befolyásolja, hiszen a műhold némi elektromos töltést tud felvenni, és amikor a mágneses térben mozog, a pályán változásoknak kell bekövetkezniük.

Mindezek az erők azonban zavaróak. A műholdat pályáján tartó fő erő a gravitációs erő. És itt találkozunk néhány jellemzővel. Tudjuk, hogy a tengelyirányú forgás következtében a Föld alakja eltér a gömb alakútól, és a Föld gravitációja nem pontosan a Föld középpontjába irányul. Ez nem érinti a nagyon távoli objektumokat, de a Föld közelében található műhold reagál a Föld közelében lévő „egyenlítői dudorokra”. Keringési síkja lassan, de meglehetősen szabályosan forog a Föld forgástengelye körül. Ez a jelenség jól látható az egy hét alatt végzett megfigyelésekből. Mindezek a pályák változásai nagy tudományos érdeklődésre tartanak számot, ezért szisztematikus megfigyeléseket végeznek a mesterséges műholdak mozgásával kapcsolatban.

Úgy tűnhet, hogy a Föld körül keringő műholdak a legegyszerűbb, legismertebb és legkedvesebb dolog ezen a világon. Hiszen a Hold több mint négymilliárd éve lóg az égen, és mozgásában nincs semmi természetfeletti. De ha mi magunk bocsátunk ki műholdakat a Föld pályájára, azok csak néhány vagy évtizedig maradnak ott, majd ismét belépnek a légkörbe, és vagy kiégnek, vagy az óceánba esnek a földre.

Sőt, ha megnézzük a természetes műholdakat más bolygókon, akkor mindegyik sokkal tovább tart, mint a Föld körül keringő mesterséges műholdak. A Nemzetközi Űrállomás (ISS) például 90 percenként kerüli meg a Földet, míg a Holdunknak ehhez körülbelül egy hónapra van szüksége. Még a bolygóik közelében lévő műholdak is – például a Jupiter Io-ja, amelynek árapály-ereje felmelegíti a világot, és vulkáni katasztrófákkal szétszakítja –, stabilan keringenek.

Az Io várhatóan a Jupiter pályáján marad a Naprendszer élete hátralévő részében, de ha nem tesznek semmit, az ISS kevesebb mint 20 évig a pályáján marad. Ugyanez a sors igaz az összes alacsony Föld körüli pályán lévő műholdra: mire a következő évszázad körül forog, szinte az összes mai műhold belép a Föld légkörébe és kiég. A legnagyobbak (mint például a 431 tonnás ISS) nagy törmelék formájában hullanak a szárazföldre és a vízbe.

Miért történik ez? Miért nem törődnek ezek a műholdak Einstein, Newton és Kepler törvényeivel, és miért nem akarnak állandóan stabil pályát fenntartani? Kiderült, hogy számos tényező okozza ezt az orbitális zűrzavart.

Talán ez a legfontosabb hatás, és ez az oka annak is, hogy az alacsony Föld körüli pályán lévő műholdak instabilok. Más műholdak – például a geostacionárius műholdak – szintén deorbitálnak, de nem olyan gyorsan. Megszoktuk, hogy mindent "űrnek" tekintünk, ami 100 kilométer felett van: a Karman-vonal felett. De az űr határának bármely meghatározása, ahol az űr kezdődik és a bolygó légköre véget ér, távolinak tűnik. A valóságban a légkör részecskéi messzire nyúlnak a magasba, csak a sűrűségük egyre kisebb. Végül a sűrűség lecsökken - mikrogramm/köbcentiméter alá, majd nanogramm, majd pikogramm -, és akkor egyre magabiztosabban nevezhetjük űrnek. De a légköri atomok több ezer kilométerre is jelen lehetnek, és amikor a műholdak ütköznek ezekkel az atomokkal, elvesztik lendületüket és lelassulnak. Ezért az alacsony Föld körüli pályán lévő műholdak instabilak.

A napszél részecskéi

A Nap folyamatosan nagy energiájú részecskéket bocsát ki, többnyire protonokat, de vannak elektronok és héliummagok is, amelyek mindennel ütköznek, amivel találkoznak. Ezek az ütközések viszont megváltoztatják azoknak a műholdaknak a lendületét, amelyekkel ütköznek, és fokozatosan lelassítják őket. Elegendő idő elteltével a pályák is tönkremennek. És bár nem ez a fő oka a műholdak LEO-ba való kimozdulásának, a távolabbi műholdak számára ez egyre fontosabb, ahogy közelednek, és ezzel együtt nő a légellenállás.

A Föld tökéletlen gravitációs tere

Ha a Földnek nem lenne olyan atmoszférája, mint a Merkúrnak vagy a Holdnak, vajon műholdaink örökké pályán maradhatnának? Nem, még akkor sem, ha eltávolítottuk a napszelet. A Föld ugyanis – mint minden bolygó – nem ponttömeg, hanem egy nem állandó gravitációs térrel rendelkező szerkezet. Ez a mező és a műholdak bolygó körüli keringése során bekövetkező változások azt eredményezik, hogy árapály-erők hatnak rájuk. És minél közelebb van a műhold a Földhöz, annál nagyobb ezeknek az erőknek a hatása.

A Naprendszer többi részének gravitációs hatása

Nyilvánvaló, hogy a Föld nem egy teljesen elszigetelt rendszer, amelyben a műholdakra ható egyetlen gravitációs erő magán a Földön születik. Nem, a Hold, a Nap és az összes többi bolygó, üstökösök, aszteroidák és egyebek gravitációs erők formájában járulnak hozzá, amelyek a pályákat szétfeszítik. Még ha a Föld egy tökéletes pont lenne is - mondjuk egy nem forgó fekete lyukba tömörítve - légkör nélkül, és a műholdak 100%-ban védve lennének a napszéltől, ezek a műholdak fokozatosan elkezdenének spirálisan a Föld középpontja felé haladni. Tovább maradtak volna a pályán, mint amennyit maga a Nap létezett volna, de ez a rendszer sem lenne tökéletesen stabil; a műholdak pályája végül megszakadna.

Relativisztikus hatások

A Newton-törvények – és a Kepleri-pályák – nem az egyetlenek, amelyek szabályozzák az égitestek mozgását. Ugyanaz az erő, amely a Merkúr pályáját évszázadonként további 43 hüvelyknyi előrehaladást okoz, a gravitációs hullámok megzavarják a pályákat. Ennek a megszakításnak a sebessége hihetetlenül lassú gyenge gravitációs mezők esetén (mint amilyeneket a Naprendszerben találtunk) és nagy távolságok esetén: 10 150 évbe telik, amíg a Föld spirálisan leereszkedik a Napig, és a pályák zavarásának mértéke Földközeli műholdak száma ennél több százezerszer kevesebb. De ez az erő jelen van, és elkerülhetetlen következménye az általános relativitáselméletnek, hatékonyan megnyilvánulva a bolygó közelebbi műholdain.

Mindez nem csak az általunk létrehozott műholdakra van hatással, hanem a természetes műholdakra is, amelyeket más világok körül keringenek. A Marshoz legközelebbi hold, a Phobos például arra van ítélve, hogy az árapály erők széttépjék, és spirálisan leszálljanak a Vörös Bolygó légkörébe. Annak ellenére, hogy légköre csak 1/140 a Föld légkörének, a Mars légköre nagy és diffúz, ráadásul a Marsnak nincs védelme a napszél ellen (ellentétben a Föld mágneses mezőjével). Ezért több tízmillió év után a Phobos minden. Úgy tűnhet, hogy ez nem fog megtörténni egyhamar, de ez az esetek kevesebb mint 1%-a, amikor a Naprendszer már létezett.

De a Jupiter legközelebbi műholdja nem az Io, hanem a mitológia szerint Metis, Zeusz első felesége. Közelebb az Io-hoz négy kis műhold található, amelyek közül a Metis van a legközelebb - mindössze 0,8 Jupiter-sugárnyira a bolygó légkörétől. A Jupiter esetében nem a légköri erők vagy a napszél a felelős a pályák megzavarásáért; A 128 000 kilométeres pálya féltengelyével a Metis hatalmas árapály-erőket tapasztal, amelyek felelősek a Hold spirálisan a Jupiter felé történő leszállásáért.

Példaként arra, hogy mi történik, amikor az erős árapály-erők dominálnak, megemlíthető a Shoemaker-Levy 9 üstökös és annak a Jupiterre gyakorolt ​​hatása 1994-ben, miután az árapály erők teljesen széttépték. Ez a sorsa minden műholdnak, amely a saját világa felé ível.

Mindezen tényezők kombinációja alapvetően instabillá tesz minden műholdat. Elegendő idő és egyéb stabilizáló hatás hiányában abszolút minden pálya megsérül. Végül is minden pálya instabil, de néhány instabilabb, mint mások.

Mi a geostacionárius pálya? Ez egy kör alakú mező, amely a Föld egyenlítője felett helyezkedik el, és amely mentén egy mesterséges műhold kering a bolygó tengelye körüli forgási szögsebességével. Nem változtatja irányát a vízszintes koordinátarendszerben, hanem mozdulatlanul lóg az égen. A Föld geostacionárius pályája (GSO) egyfajta geoszinkron mező, és kommunikációs, televíziós műsorszórás és egyéb műholdak fogadására szolgál.

Mesterséges eszközök használatának ötlete

A geostacionárius pálya koncepcióját K. E. Ciolkovszkij orosz feltaláló kezdeményezte. Munkáiban a tér benépesítését javasolta orbitális állomások segítségével. Külföldi tudósok is leírták az űrmezők munkáját, például G. Oberth. Arthur Clarke, aki kidolgozta a pálya kommunikációs célú felhasználásának koncepcióját. 1945-ben a Wireless World magazinban publikált egy cikket, amelyben a geostacionárius mező előnyeit ismertette. A tudós tiszteletére ezen a területen végzett aktív munkáért a pálya megkapta a második nevet - "Clark öve". Sok teoretikus gondolkodott el a kvalitatív kapcsolat megvalósításának problémáján. Tehát Herman Potochnik 1928-ban kifejezte a geostacionárius műholdak felhasználásának ötletét.

A "Clark öv" jellemzői

Ahhoz, hogy egy pályát geostacionáriusnak lehessen nevezni, számos paraméternek kell megfelelnie:

1. Geoszinkron. Ez a jellemző olyan mezőt foglal magában, amelynek periódusa megfelel a Föld forradalmának időszakának. Egy geoszinkron műhold egy sziderikus nap alatt teszi meg bolygó körüli pályáját, ami 23 óra 56 perc és 4 másodperc. Ugyanennyi idő szükséges ahhoz, hogy a Föld egy forradalmat teljesítsen egy rögzített térben.

2. Ahhoz, hogy egy műholdat egy bizonyos ponton fenntarthassunk, a geostacionárius pályának kör alakúnak kell lennie, nulla dőlésszögű. Az elliptikus mező keleti vagy nyugati elmozdulást eredményez, mivel az űrhajó a pálya bizonyos pontjain eltérően mozog.

3. A térmechanizmus "lebegési pontja" az egyenlítőn kell, hogy legyen.

4. A műholdak geostacionárius pályán történő elhelyezkedésének olyannak kell lennie, hogy a kommunikációra szánt kis számú frekvencia ne vezessen a különböző eszközök frekvenciáinak átfedéséhez a vétel és az adás során, valamint az ütközés kizárása.

5. Elegendő hajtóanyag az űrhajó helyben tartásához.

Egy műhold geostacionárius pályája egyedülálló abban, hogy csak paramétereinek kombinálásával érhető el a berendezés mozdulatlansága. Egy másik jellemző az, hogy a Földet tizenhét fokos szögben lehet látni az űrmezőben található műholdaktól. Mindegyik eszköz a pálya felületének hozzávetőlegesen egyharmadát fedi le, így három mechanizmus szinte az egész bolygót képes lefedni.

mesterséges műholdak

A repülőgép egy geocentrikus pályán kering a Föld körül. Az indításhoz többlépcsős rakétát használnak. Ez egy kozmikus mechanizmus, amely meghajtja a motor meddő erejét. A Föld mesterséges műholdjainak a pályán való mozgáshoz az első űrsebességnek megfelelő kezdősebességgel kell rendelkezniük. Repüléseiket legalább több száz kilométeres magasságban hajtják végre. A készülék keringési ideje több év is lehet. A mesterséges földi műholdak más járművekről, például orbitális állomásokról és hajókról indíthatók. Az UAV-k tömege legfeljebb kéttíz tonna, mérete pedig akár több tíz méter is lehet. A huszonegyedik századot az ultrakönnyű – akár több kilogrammos – készülékek születése jellemezte.

Számos ország és vállalat bocsátott fel műholdakat. A világ első mesterséges berendezését a Szovjetunióban hozták létre, és 1957. október 4-én repült az űrbe. A Szputnyik-1 nevet viselte. 1958-ban az Egyesült Államok piacra dobta a második eszközt, az Explorer 1-et. A NASA által 1964-ben felbocsátott első műhold a Syncom-3 volt. A mesterséges eszközök többnyire nem visszaválthatók, de vannak olyanok is, amelyek részben vagy egészben visszakerülnek. Tudományos kutatások végzésére és különféle problémák megoldására használják őket. Tehát vannak katonai, kutatási, navigációs műholdak és mások. Megjelennek az egyetemi alkalmazottak vagy rádióamatőrök által készített eszközök is.

"Stop pont"

A geostacionárius műholdak 35 786 kilométeres tengerszint feletti magasságban helyezkednek el. Ez a magasság egy olyan forgási periódust biztosít, amely megfelel a Föld csillagokhoz viszonyított keringési periódusának. A mesterséges jármű álló helyzetben van, ezért geostacionárius pályán való elhelyezkedését „állomáspontnak” nevezzük. A lebegés állandó, hosszú távú kapcsolatot biztosít, ha az antenna be van állítva, mindig a megfelelő műholdra lesz irányítva.

Mozgalom

A műholdak kis magasságú pályáról geostacionáriusra helyezhetők át geotranszfer mezők segítségével. Ez utóbbiak egy elliptikus pályák, amelyeknek egy pontja kis magasságban, a csúcs pedig a geostacionárius körhöz közeli magasságban található. A további munkára használhatatlanná vált műholdat a GSO felett 200-300 kilométerrel elhelyezkedő ártalmatlanító pályára küldik.

Geostacionárius pályamagasság

Egy adott mezőben lévő műhold bizonyos távolságot tart a Földtől, nem közeledik és nem távolodik el. Mindig az Egyenlítő valamelyik pontja felett helyezkedik el. Ezen jellemzők alapján az következik, hogy a gravitációs erő és a centrifugális erő kiegyenlíti egymást. A geostacionárius pálya magasságát a klasszikus mechanikán alapuló módszerekkel számítják ki. Ez figyelembe veszi a gravitációs és centrifugális erők megfelelőségét. Az első mennyiség értékét az egyetemes gravitáció Newton-törvénye alapján határozzuk meg. A centrifugális erőindexet úgy számítjuk ki, hogy a műhold tömegét megszorozzuk a centripetális gyorsulással. A gravitációs és a tehetetlenségi tömegek egyenlőségének eredménye az a következtetés, hogy a pálya magassága nem függ a műhold tömegétől. Ezért a geostacionárius pályát csak az a magasság határozza meg, amelyen a centrifugális erő abszolút értékben egyenlő és ellentétes irányú a Föld vonzása által adott magasságban keltett gravitációs erővel.

A centripetális gyorsulás kiszámítására szolgáló képletből megtalálhatja a szögsebességet. A geostacionárius pálya sugarát is ez a képlet határozza meg, vagy a geocentrikus gravitációs állandó elosztása a szögsebesség négyzetével. Ez 42164 kilométer. A Föld egyenlítői sugarát figyelembe véve 35786 kilométeres magasságot kapunk.

A számításokat más módon is el lehet végezni, azon az állításon alapulva, hogy a pálya magassága, amely a Föld középpontjától mért távolság a műhold szögsebességével, egybeesik a bolygó forgásának mozgásával, ad okot. lineáris sebesség, amely egyenlő az első kozmikus sebességgel egy adott magasságon.

sebesség geostacionárius pályán. Hossz

Ezt a mutatót úgy számítjuk ki, hogy a szögsebességet megszorozzuk a mező sugarával. A keringési sebesség értéke 3,07 kilométer/másodperc, ami jóval kisebb, mint a Föld-közeli pályán az első űrsebesség. A kitevő csökkentéséhez a pálya sugarát több mint hatszorosára kell növelni. A hosszúságot úgy számítjuk ki, hogy a pi-t megszorozzuk a sugárral kettővel. Ez 264924 kilométer. A mutatót figyelembe veszik a műholdak "álláspontjainak" kiszámításakor.

Az erők hatása

Annak a pályának a paraméterei, amelyen a mesterséges mechanizmus kering, a gravitációs holdszoláris perturbációk, a Föld mezőjének inhomogenitása és az egyenlítő ellipticitása hatására változhatnak. A mező átalakulása olyan jelenségekben fejeződik ki, mint:

1. Egy műhold elmozdulása a pálya mentén elhelyezkedő helyzetéből a stabil egyensúlyi pontok felé, amelyeket a geostacionárius pályán potenciális lyukaknak nevezünk.
2. A mező dőlésszöge az Egyenlítőhöz képest bizonyos ütemben nő, és 26 év és 5 hónap alatt egyszer eléri a 15 fokot.

Ahhoz, hogy a műhold a kívánt „állásponton” maradjon, meghajtórendszerrel van felszerelve, amely 10-15 naponta többször is bekapcsol. Tehát a pálya dőlésszögének növekedésének kompenzálására az "észak-dél" korrekciót, a mező menti elsodródás kompenzálására pedig a "nyugat-kelet" korrekciót alkalmazzák. A műhold útjának szabályozásához a működése teljes időtartama alatt nagy mennyiségű üzemanyagra van szükség a fedélzeten.

Propulziós rendszerek

Az eszköz kiválasztását a műhold egyedi műszaki jellemzői határozzák meg. Például egy vegyi rakétamotor lökettérfogatú üzemanyag-ellátással rendelkezik, és hosszú ideig tárolt, magas forráspontú komponensekkel (diazote-tetroxid, aszimmetrikus dimetil-hidrazin) működik. A plazmaeszközök lényegesen kisebb tolóerővel rendelkeznek, de a hosszú, egyetlen mozdulatnál több tíz percben mérhető működés miatt jelentősen csökkenthetik a fedélzeten elfogyasztott üzemanyag mennyiségét. Az ilyen típusú propulziós rendszert arra használják, hogy a műholdat egy másik orbitális pozícióba irányítsák. A készülék élettartamának fő korlátozó tényezője az üzemanyag-ellátás geostacionárius pályán.

A mesterséges mező hátrányai

A geostacionárius műholdakkal való kölcsönhatás jelentős hibája a jelterjedés nagy késése. Tehát 300 ezer kilométer per másodperces fénysebességgel és 35 786 kilométeres orbitális magassággal a Föld-műhold sugár mozgása körülbelül 0,12 másodperc, a Föld-műhold-Föld sugár 0,24 másodpercig tart. Figyelembe véve a földfelszíni szolgáltatások berendezéseinek és kábeles átviteli rendszereinek jelkésleltetését, a "forrás - műhold - vevő" jel teljes késleltetése eléri a 2-4 másodpercet. Egy ilyen mutató jelentősen megnehezíti a telefonos pályán lévő eszközök használatát, és lehetetlenné teszi a műholdas kommunikáció használatát a valós idejű rendszerekben.

További hátránya a geostacionárius pálya láthatatlansága a magas szélességi fokokról, ami zavarja a kommunikációt és a televíziós adásokat az Északi-sarkvidék és az Antarktisz térségében. Azokban a helyzetekben, amikor a nap és az adóműhold egy vonalban van a vevőantennával, a jel csökken, sőt néha teljesen hiányzik. Geostacionárius pályákon a műhold mozdulatlansága miatt ez a jelenség különösen szembetűnő.

Doppler effektus

Ez a jelenség az elektromágneses rezgések frekvenciájának megváltoztatásában áll az adó és a vevő kölcsönös előrehaladásával. A jelenséget a távolság időbeli változása, valamint mesterséges járművek keringési pályán való mozgása fejezi ki. A hatás a műholdrezgések vivőfrekvenciájának instabilitásában nyilvánul meg, ami hozzáadódik a fedélzeti átjátszó és a földi állomás műszeres frekvenciájának instabilitásához, ami megnehezíti a jelek vételét. A Doppler-effektus hozzájárul a moduláló rezgések frekvenciájának megváltozásához, amely nem szabályozható. Abban az esetben, ha kommunikációs és közvetlen televíziós műsorszórás műholdakat használnak a pályán, ez a jelenség gyakorlatilag megszűnik, vagyis a vételi ponton nem változik a jelszint.

Hozzáállás a világban a geostacionárius mezőkhöz

Az űrpálya megszületése számos kérdést és nemzetközi jogi problémát vetett fel. Számos bizottság, különösen az Egyesült Nemzetek Szervezete foglalkozik velük. Néhány, az Egyenlítőn található ország azt állította, hogy szuverenitásukat kiterjesztik az űrmező területük feletti részére. Az államok kijelentették, hogy a geostacionárius pálya egy olyan fizikai tényező, amely a bolygó létezésével függ össze, és a Föld gravitációs terétől függ, így a mező szegmensei országaik területének kiterjesztését jelentik. De az ilyen állításokat elutasították, mivel a világban létezik a világűr nem kisajátításának elve. A pályák és a műholdak működésével kapcsolatos összes probléma világszinten megoldódik.

A Földnek, mint minden kozmikus testnek, megvan a maga gravitációs tere és a szomszédos pályái, amelyeken különböző méretű testek és tárgyak lehetnek. Leggyakrabban a Holdat és a Nemzetközi Űrállomást jelentik. Az első saját pályáján megy, az ISS pedig alacsony Föld körüli pályán. Számos olyan pálya létezik, amely a Földtől való távolságban, a bolygóhoz viszonyított relatív helyzetében és forgásirányában különbözik egymástól.

Mesterséges földi műholdak pályái

A mai napig a legközelebbi földközeli térben sok olyan tárgy található, amely emberi tevékenység eredménye. Alapvetően mesterséges műholdakról van szó, amelyek kommunikációt biztosítanak, de sok az űrszemét is. Az egyik leghíresebb mesterséges földi műhold a Nemzetközi Űrállomás.

Az AES három fő pályán mozog: egyenlítői (geostacionárius), poláris és ferde pályán. Az első teljesen az egyenlítői kör síkjában fekszik, a második szigorúan merőleges rá, a harmadik pedig közöttük található.

geoszinkron pálya

Ennek a pályának az elnevezése annak a ténynek köszönhető, hogy a rajta mozgó test sebessége megegyezik a Föld keringési periódusával. A geostacionárius pálya egy olyan geoszinkron pálya speciális esete, amely a Föld egyenlítőjével egy síkban fekszik.

A nullával és nulla excentricitással nem egyenlő hajlású műhold a Földről megfigyelve egy nyolcas alakot ír le az égen nappal.

Az első geoszinkron pályán álló műhold az amerikai Syncom-2, amelyet 1963-ban indítottak rá. Ma már bizonyos esetekben a műholdak geoszinkron pályára helyezése annak köszönhető, hogy a hordozórakéta nem tudja geostacionárius pályára állítani.

geostacionárius pálya

Ennek a pályának azért van ilyen neve, mert az állandó mozgás ellenére a rajta elhelyezkedő tárgy statikus marad a földfelszínhez képest. Azt a helyet, ahol az objektum található, állópontnak nevezzük.

Az ilyen pályára bocsátott műholdakat gyakran használják műholdas televíziózás továbbítására, mert a statikus feszültség lehetővé teszi, hogy az antennát egyszer ráirányítsa, és hosszú ideig kapcsolatban maradjon.

A geostacionárius pályán lévő műholdak magassága 35 786 kilométer. Mivel mindegyik közvetlenül az egyenlítő felett található, csak a meridián neve jelzi a pozíciót, például 180,0˚E Intelsat 18 vagy 172,0˚E Eutelsat 172A.

A pálya hozzávetőleges sugara ~42 164 km, hossza kb. 265 000 km, keringési sebessége kb. 3,07 km/s.

Magas elliptikus pálya

A magas elliptikus pálya egy olyan pálya, amelynek magassága a perigeumnál többszörösen kisebb, mint az apogeusnál. A műholdak ilyen pályára állítása számos fontos előnnyel jár. Például egy ilyen rendszer elegendő lehet egész Oroszország, vagy ennek megfelelően egy egyenlő összterületű államcsoport kiszolgálására. Ezenkívül a nagy szélességi fokon lévő HEO-rendszerek funkcionálisabbak, mint a geostacionárius műholdak. És egy műholdat magas elliptikus pályára állítani körülbelül 1,8-szor olcsóbb.

Nagy példák a MEO-n működő rendszerekre:

• A NASA és az ESA által indított űrobszervatóriumok.
• Műholdas rádió Sirius XM rádió.
• Műholdas kommunikáció Meridian, -Z és -ZK, Molniya-1T.
• Műholdas GPS korrekciós rendszer.

Alacsony földpálya

Ez az egyik legalacsonyabb pálya, amely különböző körülményektől függően 160-2000 km magasságú, keringési ideje pedig 88-127 perc lehet. Az egyetlen alkalom, amikor a LEO-t emberes űrhajók győzték le, az az Apollo-program volt, amerikai űrhajósok leszállásával a Holdon.

A jelenleg használt vagy valaha használt mesterséges földi műholdak többsége alacsony földpályán működött. Ugyanezen okból az űrszemét nagy része most ebben a zónában található. A LEO műholdak optimális keringési sebessége átlagosan 7,8 km/s.

Példák mesterséges műholdakra a LEO-ban:

• Nemzetközi Űrállomás (400 km).
• Különféle rendszerek és hálózatok távközlési műholdai.
• Felderítő járművek és műholdak.

Az egész űripar modernkori fő problémája a pályán keringő űrszemét rengeteg. Ma a helyzet olyan, hogy a LEO különböző objektumai ütközésének valószínűsége nő. Ez pedig pusztuláshoz és még több töredék és részlet kialakulásához vezet a pályán. A pesszimista előrejelzések szerint az elindított Domino Principle teljesen megfoszthatja az emberiséget az űrkutatás lehetőségétől.

Alacsony referenciapálya

Az alacsony referenciapályát szokás a készülék pályájának nevezni, amely dőlés, magasság vagy egyéb jelentős változást biztosít. Ha az eszköz nem rendelkezik motorral és nem hajt végre manővereket, akkor pályáját alacsony Föld körüli pályának nevezzük.

Érdekes módon az orosz és az amerikai ballisztika eltérően számolja a magasságát, mert az előbbi a Föld elliptikus, az utóbbi pedig a gömb alakú modellen alapul. Emiatt nemcsak magasságban van különbség, hanem a perigeus és az apogee helyzetében is.

Mint tudják, a geostacionárius műholdak mozdulatlanul lógnak a Föld felett, ugyanazon pont felett. Miért nem esnek? Nincs gravitáció ezen a magasságon?

Válasz

A geostacionárius mesterséges Föld-műhold olyan eszköz, amely a bolygó körül keleti irányban (a Föld forgásával azonos irányban), körkörös egyenlítői pályán mozog, amelynek forgási periódusa megegyezik a Föld saját forgási periódusával.

Így, ha a Földről egy geostacionárius műholdra nézünk, azt látjuk, hogy ugyanazon a helyen mozdulatlanul lóg. Emiatt a mozdulatlanság és a nagy, mintegy 36 000 km-es tengerszint feletti magasság miatt, ahonnan a Föld felszínének csaknem fele látható, a televíziós, rádiós és kommunikációs közvetítő műholdakat geostacionárius pályára állítják.

Abból a tényből, hogy egy geostacionárius műhold folyamatosan lóg a Föld felszínének ugyanazon pontja felett, egyesek azt a téves következtetést vonják le, hogy a Föld vonzási ereje nem hat a geostacionárius műholdra, hogy a gravitációs erő egy bizonyos távolságban eltűnik. a Földtől, vagyis éppen a Newtont cáfolják. Természetesen nem. A műholdak geostacionárius pályára való kilövését pontosan Newton egyetemes gravitációs törvénye szerint számítják ki.

A geostacionárius műholdak, mint minden más műhold, valójában a Földre esnek, de nem érik el a felszínét. Hat rájuk a Föld felé irányuló vonzási erő (gravitációs erő), amely a középpontja felé irányul, ellenkező irányban pedig a műholdat a Földről taszító centrifugális erő (tehetetlenségi erő), amelyek kiegyenlítik egymást - a műhold nem repül el a Földről, és nem esik rá pontosan úgy, ahogy a kötélen forgó vödör a pályáján marad.

Ha a műhold egyáltalán nem mozdulna, akkor a hozzá való vonzódás hatására a Földre esne, de a műholdak mozognak, beleértve a geostacionáriusokat is (geostacionáriusok - a Föld forgásának szögsebességgel megegyező szögsebességgel, pl. napi egy fordulat, és az alacsonyabb pályán lévő műholdaknál nagyobb a szögsebesség, azaz van idejük naponta többször is megfordulni a Föld körül). A műholdnak a Föld felszínével párhuzamosan jelentett lineáris sebessége a közvetlen pályára indításkor viszonylag nagy (alacsony földi pályán - 8 km/s, geostacionárius pályán - 3 km/s). Ha nem lenne Föld, akkor a műhold egyenes vonalban repülne ilyen sebességgel, de a Föld jelenléte arra készteti a műholdat, hogy a gravitáció hatására ráesik, a pályát a Föld felé hajlítva, de a Föld felszíne. A Föld nem lapos, hanem görbült. Amíg a műhold megközelíti a Föld felszínét, addig a Föld felszíne a műhold alól kerül ki, így a műhold állandóan egy magasságban van, zárt pályán mozog. A műhold folyamatosan esik, de soha nem tud leesni.

Tehát a Föld összes mesterséges műholdja a Földre esik, de - zárt pálya mentén. A műholdak súlytalanságban vannak, mint minden zuhanó test (ha egy felhőkarcolóban a lift elromlik és szabadon zuhanni kezd, akkor a benne lévők is súlytalanságba kerülnek). Az ISS-en belüli űrhajósok nem azért vannak súlytalanságban, mert a Föld felé irányuló vonzási erő nem a keringési pályán hat (ott majdnem ugyanaz, mint a Föld felszínén), hanem azért, mert az ISS szabadon esik a Földre - egy zárt körpálya.