Ինչ ուժ է պահում երկրագնդի արբանյակը: Ինչու՞ արբանյակները չեն հեռանում ուղեծրից: Ուղեծրային արագություն և բարձրություն

Արբանյակը Երկրի ցածր ուղեծիր արձակելու համար անհրաժեշտ է տալ նրան սկզբնական արագություն, որը հավասար է առաջին տիեզերական արագությանը կամ մի փոքր ավելի բարձր, քան վերջինը։ Դա տեղի է ունենում ոչ թե անմիջապես, այլ աստիճանաբար։ Արբանյակ տեղափոխող բազմաստիճան հրթիռը սահուն արագություն է հավաքում: Երբ նրա թռիչքի արագությունը հասնում է հաշվարկված արժեքին, արբանյակը բաժանվում է հրթիռից և սկսում է իր ազատ տեղաշարժուղեծրում։ Ուղեծրի ձևը կախված է նրան տրված սկզբնական արագությունից և ուղղությունից՝ չափերից և էքսցենտրիկությունից։

Եթե ​​շրջակա միջավայրի դիմադրությունը և Լուսնի և Արևի անհանգստացնող գրավչությունները չլինեին, իսկ Երկիրը գնդաձև ձև ունենար, ապա արբանյակի ուղեծիրը որևէ փոփոխության չէր ենթարկվի, և արբանյակն ինքը ընդմիշտ կշարժվեր դրա երկայնքով: Սակայն իրականում յուրաքանչյուր արբանյակի ուղեծիր փոխվում է տարբեր պատճառներով։

Հիմնական ուժը, որը փոխում է արբանյակի ուղեծիրը, արգելակումն է, որն առաջանում է հազվագյուտ միջավայրի դիմադրության շնորհիվ, որով արբանյակը թռչում է: Տեսնենք, թե ինչպես է դա ազդում նրա շարժման վրա։ Քանի որ արբանյակի ուղեծիրը սովորաբար էլիպսաձեւ է, նրա հեռավորությունը Երկրից պարբերաբար փոխվում է։ Այն նվազում է դեպի ծայրամաս և հասնում է առավելագույն հեռավորության գագաթնակետին: Երկրի մթնոլորտի խտությունը արագորեն նվազում է, երբ բարձրությունը մեծանում է, և, հետևաբար, արբանյակը բախվում է ամենամեծ դիմադրությանը պերիգեի մոտ: Այս, թեև փոքր դիմադրությունը հաղթահարելու համար ծախսելով կինետիկ էներգիայի մի մասը, արբանյակն այլևս չի կարող բարձրանալ իր նախկին բարձրությանը, և նրա գագաթնակետը աստիճանաբար նվազում է: Պերիգեի նվազումը նույնպես տեղի է ունենում, բայց շատ ավելի դանդաղ, քան գագաթնակետի նվազումը: Այսպիսով, ուղեծրի չափը և դրա էքսցենտրիսությունը աստիճանաբար նվազում է. էլիպսաձև ուղեծիրը մոտենում է շրջանաձևին: Արբանյակը շարժվում է Երկրի շուրջը դանդաղ ոլորող պարույրով և ի վերջո ավարտում է իր գոյությունը Երկրի մթնոլորտի խիտ շերտերում՝ տաքանալով և գոլորշիանալով երկնաքարի պես: Եթե ​​այն մեծ է չափերով, կարող է հասնել Երկրի մակերեսին։

Հետաքրքիր է նշել, որ արբանյակի արգելակումը ոչ թե նվազեցնում է նրա արագությունը, այլ, ընդհակառակը, մեծացնում է այն։ Եկեք մի քանի պարզ հաշվարկներ անենք.

Կեպլերի երրորդ օրենքից հետևում է, որ

որտեղ C-ն հաստատուն է, M-ը Երկրի զանգվածն է, m-ը արբանյակի զանգվածն է, P-ը նրա պտույտի ժամանակաշրջանն է, իսկ a-ն ուղեծրի կիսահիմնական առանցքն է: Անտեսված

Արբանյակի զանգվածով Երկրի զանգվածի համեմատ մենք ստանում ենք

Հաշվարկների պարզության համար ենթադրենք արբանյակի ուղեծիրը շրջանաձև է: Շարժվող հետ հաստատուն արագությունυ, արբանյակն անցնում է υ Р = 2 պա հեռավորություն իր ուղեծրում ամբողջական պտույտի համար, որտեղից Р = 2πa/υ: Այս P արժեքը փոխարինելով բանաձևով (9.1) և կատարելով փոխակերպումներ՝ մենք գտնում ենք

Այսպիսով, երբ a ուղեծրի չափը նվազում է, արբանյակի v արագությունը մեծանում է. արբանյակի կինետիկ էներգիան մեծանում է պոտենցիալ էներգիայի արագ նվազման պատճառով:

Երկրորդ ուժը, որը փոխում է արբանյակի ուղեծրի ձևը, արևային ճառագայթման ճնշումն է, այսինքն՝ լույսի և կորպուսային հոսքերի (արևային քամի): Այս ուժը գործնականում ոչ մի ազդեցություն չունի փոքր արբանյակների վրա, սակայն այնպիսի արբանյակների համար, ինչպիսին է Pageos-ը, դա շատ նշանակալի է: Գործարկման ժամանակ Փայջոսն ուներ շրջանաձև ուղեծիր, բայց երկու տարի անց այն դարձավ շատ երկարաձգված էլիպսաձև:

Արբանյակի շարժի վրա ազդում է նաև Երկրի մագնիսական դաշտը, քանի որ արբանյակը կարող է ձեռք բերել որոշակի էլեկտրական լիցք, և երբ այն շարժվում է մագնիսական դաշտում, պետք է տեղի ունենան հետագծի փոփոխություններ։

Սակայն այս բոլոր ուժերը անհանգստացնող են։ Հիմնական ուժը, որը պահում է արբանյակը իր ուղեծրում, ձգողության ուժն է: Եվ այստեղ մենք բախվում ենք որոշ առանձնահատկությունների. Մենք գիտենք, որ առանցքային պտույտի արդյունքում Երկրի ձևը տարբերվում է գնդաձևից, և որ Երկրի ձգողականությունն ուղղված չէ հենց Երկրի կենտրոնին։ Սա չի ազդում շատ հեռավոր օբյեկտների վրա, սակայն Երկրին մոտ գտնվող արբանյակն արձագանքում է Երկրի մոտ «հասարակածային ուռուցիկությունների» առկայությանը: Իր ուղեծրի հարթությունը դանդաղ, բայց բավականին կանոնավոր կերպով պտտվում է Երկրի պտտման առանցքի շուրջ։ Այս երեւույթը հստակ տեսանելի է մեկ շաբաթվա ընթացքում իրականացված դիտարկումներից։ Այս բոլոր ուղեծրային փոփոխությունները ներկայացնում են մեծ գիտական ​​հետաքրքրություն, և հետևաբար համակարգված դիտարկումներ են իրականացվում արհեստական ​​արբանյակների շարժման վերաբերյալ։

Կարող է թվալ, որ Երկրի ուղեծրի արբանյակները ամենապարզ, ծանոթ և ծանոթ բանն են այս աշխարհում: Ի վերջո, Լուսինը կախված է երկնքում ավելի քան չորս միլիարդ տարի, և նրա շարժումների մեջ գերբնական ոչինչ չկա: Բայց եթե մենք ինքներս արբանյակներ արձակենք Երկրի ուղեծիր, ապա դրանք մնում են այնտեղ ընդամենը մի քանի կամ տասնյակ տարիներ, իսկ հետո նորից մտնում են մթնոլորտ և կա՛մ այրվում են, կա՛մ ընկնում օվկիանոս և գետնին:

Ավելին, եթե նայեք բնական արբանյակներայլ մոլորակների վրա նրանք բոլորն էլ զգալիորեն ավելի երկար են աշխատում, քան մարդու կողմից ստեղծված արբանյակները, որոնք պտտվում են Երկրի շուրջ: Միջազգային տիեզերական կայանը (ISS), օրինակ, պտտվում է Երկրի շուրջ 90 րոպեն մեկ, մինչդեռ մեր Լուսնին դա անելու համար մոտ մեկ ամիս է պահանջվում: Նույնիսկ արբանյակները, որոնք մոտ են իրենց մոլորակներին, ինչպես Յուպիտերի Io-ն, որի մակընթացային ուժերը ջերմացնում են աշխարհը և պատռում այն ​​հրաբխային աղետներով, մնում են կայուն իրենց ուղեծրերում:

Ակնկալվում է, որ Io-ն կմնա Յուպիտերի ուղեծրում Արեգակնային համակարգի մնացած կյանքի ընթացքում, սակայն ISS-ը, եթե ոչինչ չձեռնարկվի, կմնա իր ուղեծրում 20 տարուց էլ պակաս: Նույն ճակատագիրը վերաբերում է գրեթե բոլոր արբանյակներին, որոնք գտնվում են Երկրի ցածր ուղեծրում. մինչև հաջորդ դարը գլորվի շուրջը, ներկայիս գրեթե բոլոր արբանյակները կմտնեն Երկրի մթնոլորտ և այրվեն: Խոշորագույնները (ինչպես ISS-ն իր 431 տոննա քաշով) խոշոր բեկորների տեսքով կընկնեն ցամաքի և ջրի մեջ:

Ինչու է դա տեղի ունենում: Ինչու՞ այս արբանյակներին չեն հետաքրքրում Էյնշտեյնի, Նյուտոնի և Կեպլերի օրենքները և ինչու չեն ցանկանում անընդհատ կայուն ուղեծիր պահպանել: Պարզվում է, որ կան մի շարք գործոններ, որոնք առաջացնում են այս ուղեծրի խառնաշփոթը:

Սա, թերևս, ամենակարևոր էֆեկտն է և նաև պատճառը, որ Երկրի ցածր ուղեծրի արբանյակները անկայուն են: Մյուս արբանյակները, ինչպես գեոստացիոնար արբանյակները, նույնպես դուրս են գալիս ուղեծրից, բայց ոչ այնքան արագ: Մենք սովոր ենք «տիեզերք» համարել այն ամենը, ինչ գտնվում է 100 կիլոմետրից բարձր՝ Կարմանի գծից: Բայց տիեզերքի սահմանի ցանկացած սահմանում, որտեղ սկսվում է տիեզերքը և ավարտվում է մոլորակի մթնոլորտը, հեռու կլինի: Իրականում մթնոլորտի մասնիկները տարածվում են շատ ու բարձր, բայց դրանց խտությունը գնալով նվազում է: Ի վերջո, խտությունը նվազում է` մեկ միկրոգրամից ցածր խորանարդ սանտիմետր, այնուհետև նանոգրամ, այնուհետև պիկոգրամ, և այնուհետև մենք կարող ենք այն անվանել տիեզերք՝ աճող վստահությամբ: Սակայն մթնոլորտային ատոմները կարող են լինել հազարավոր կիլոմետրեր հեռավորության վրա, և երբ արբանյակները բախվում են այդ ատոմներին, նրանք կորցնում են թափը և դանդաղում: Հետևաբար, Երկրի ցածր ուղեծրի արբանյակները անկայուն են:

Արեգակնային քամու մասնիկներ

Արեգակն անընդհատ արտանետում է բարձր էներգիայի մասնիկների հոսք, հիմնականում պրոտոններ, սակայն կան նաև էլեկտրոններ և հելիումի միջուկներ, որոնք բախվում են այն ամենին, ինչի հետ հանդիպում են։ Այս բախումներն իրենց հերթին փոխում են իրենց բախվող արբանյակների թափը և աստիճանաբար դանդաղեցնում դրանք։ Բավական ժամանակ անցնելուց հետո ուղեծրերը սկսում են խաթարվել: Եվ չնայած դա LEO-ում արբանյակների ուղեծրից դուրս գալու հիմնական պատճառը չէ, ավելի հեռու գտնվող արբանյակների համար դա ավելի շատ է. կարևոր, քանի որ դրանք մոտենում են, և դրա հետ մեկտեղ ավելանում է մթնոլորտային դիմադրությունը։

Երկրի անկատար գրավիտացիոն դաշտը

Եթե ​​Երկիրը չունենար Մերկուրիի կամ Լուսնի նման մթնոլորտ, մեր արբանյակները կկարողանա՞ն հավերժ մնալ ուղեծրում: Նույնիսկ եթե մենք հեռացրինք արևային քամին: Դա պայմանավորված է նրանով, որ Երկիրը, ինչպես բոլոր մոլորակները, կետային զանգված չէ, այլ ավելի շուտ փոփոխական ունեցող կառույց գրավիտացիոն դաշտ. Այս դաշտը և փոփոխությունները, երբ արբանյակները պտտվում են մոլորակի շուրջ, հանգեցնում են նրանց վրա ազդող մակընթացային ուժերի: Եվ որքան մոտ է արբանյակը Երկրին, այնքան մեծ է այդ ուժերի ազդեցությունը:

Արեգակնային համակարգի մնացած մասի գրավիտացիոն ազդեցությունը

Ակնհայտ է, որ Երկիրը լիովին մեկուսացված համակարգ չէ, որտեղ արբանյակների վրա ազդող միակ գրավիտացիոն ուժը գալիս է հենց Երկրից: Ոչ, Լուսինը, Արևը և մնացած բոլոր մոլորակները, գիսաստղերը, աստերոիդները և այլն, նպաստում են գրավիտացիոն ուժերի տեսքով, որոնք հեռացնում են ուղեծրերը: Նույնիսկ եթե Երկիրը կատարյալ կետ լիներ, ասենք, փլուզվեր չպտտվող սև խոռոչի մեջ, առանց մթնոլորտի, և արբանյակները 100%-ով պաշտպանված լինեին արևային քամուց, այդ արբանյակները աստիճանաբար կսկսեն պտտվել դեպի Երկրի կենտրոն: Նրանք ուղեծրում կմնային ավելի երկար, քան գոյություն կունենար հենց Արեգակը, բայց այս համակարգը նույնպես կատարյալ կայուն չէր լինի. Արբանյակների ուղեծրերը ի վերջո կխաթարվեն:

Հարաբերական էֆեկտներ

Նյուտոնի օրենքները և Կեպլերի ուղեծրերը միակ բաները չեն, որոնք որոշում են երկնային մարմինների շարժումը: Նույն ուժը, որը ստիպում է Մերկուրիի ուղեծրին դարում հավելյալ 43 դյույմ առաջացնել, պատճառ է դառնում, որ ուղեծրերը խաթարվեն գրավիտացիոն ալիքների պատճառով: Այս խափանման արագությունը աներևակայելի ցածր է թույլ գրավիտացիոն դաշտերի համար (ինչպես նրանք, որոնք մենք գտնում ենք Արեգակնային համակարգում) և մեծ հեռավորությունների համար. 10150 տարի կպահանջվի, որպեսզի Երկիրը պտտվի դեպի Արևը, իսկ ուղեծրերի խաթարման աստիճանը։ Մերձերկրյա արբանյակների թիվը հարյուր հազարավոր անգամ ավելի քիչ է, քան սա: Բայց այս ուժն առկա է և անխուսափելի հետևանք է ընդհանուր տեսությունհարաբերականությունը, որն արդյունավետորեն դրսևորվում է մոլորակի ավելի մոտ արբանյակների վրա:

Այս ամենը ոչ միայն ազդում է մեր ստեղծած արբանյակների վրա, այլ նաև բնական արբանյակների վրա, որոնք մենք գտնում ենք, որ պտտվում են այլ աշխարհների շուրջ: Մարսին ամենամոտ արբանյակը՝ Ֆոբոսը, օրինակ, դատապարտված է մակընթացային ուժերի կողմից պոկվելու և Կարմիր մոլորակի մթնոլորտի մեջ պարուրվելու: Չնայած մթնոլորտի առկայությանը, որը Երկրի չափի միայն 1/140-րդն է, Մարսի մթնոլորտը մեծ է և ցրված, և, բացի այդ, Մարսը պաշտպանված չէ արևային քամուց (ի տարբերություն Երկրի իր մագնիսական դաշտ) Հետևաբար, տասնյակ միլիոնավոր տարիներ անց Ֆոբոսը կվերանա: Կարող է թվալ, որ դա շուտով տեղի չի ունենա, բայց դա դեպքերի 1%-ից էլ քիչ է արեգակնային համակարգարդեն գոյություն ունի։

Բայց Յուպիտերի ամենամոտ արբանյակը Իոն չէ, դա Մետիսն է, ըստ դիցաբանության՝ Զևսի առաջին կինը: Իոյին ավելի մոտ են չորս փոքր արբանյակները, որոնցից Մետիսը ամենամոտն է՝ մոլորակի մթնոլորտից Յուպիտերի շառավղով ընդամենը 0,8 շառավղով։ Յուպիտերի դեպքում դա մթնոլորտային ուժերը կամ արևային քամին չէ, որ պատասխանատու են ուղեծրերի խաթարման համար. Ունենալով 128000 կիլոմետր ուղեծրային կիսաառանցք՝ Մետիսը զգում է տպավորիչ մակընթացային ուժեր, որոնք պատասխանատու են այս արբանյակի պարուրաձև իջնելու համար դեպի Յուպիտեր:

Որպես օրինակ այն բանի, թե ինչ է տեղի ունենում, երբ մակընթացային հզոր ուժերը գերակշռում են, Շումեյքեր-Լևի 9 գիսաստղը և նրա բախումը Յուպիտերի հետ 1994 թվականին, այն բանից հետո, երբ այն ամբողջությամբ պոկվեց մակընթացային ուժերի կողմից։ Սա բոլոր արբանյակների ճակատագիրն է, ովքեր պտտվում են դեպի իրենց հայրենի աշխարհը:

Այս բոլոր գործոնների համադրությունը ցանկացած արբանյակի էապես անկայուն է դարձնում: Բավարար ժամանակի և այլ կայունացնող էֆեկտների բացակայության դեպքում բացարձակապես բոլոր ուղեծրերը կխախտվեն: Ի վերջո, բոլոր ուղեծրերը անկայուն են, բայց ոմանք ավելի անկայուն են, քան մյուսները:

Ի՞նչ է գեոստացիոնար ուղեծիրը: Սա շրջանաձև դաշտ է, որը գտնվում է Երկրի հասարակածից վեր, որի երկայնքով արհեստական ​​արբանյակը պտտվում է իր առանցքի շուրջ մոլորակի պտույտի անկյունային արագությամբ։ Այն չի փոխում իր ուղղությունը հորիզոնական կոորդինատային համակարգում, այլ անշարժ կախված է երկնքում։ Գեոստացիոնար Երկրի ուղեծիրը (GSO) գեոսինխրոն դաշտի տեսակ է և օգտագործվում է կապի, հեռուստատեսային հեռարձակման և այլ արբանյակների տեղադրման համար:

Արհեստական ​​սարքեր օգտագործելու գաղափարը

Հենց գեոստացիոնար ուղեծրի գաղափարը նախաձեռնել է ռուս գյուտարար Կ.Ե.Ցիոլկովսկին: Իր աշխատություններում նա առաջարկել է տարածքը բնակեցնել ուղեծրային կայանների օգնությամբ։ Արտասահմանյան գիտնականները նկարագրել են նաև տիեզերական դաշտերի աշխատանքը, օրինակ՝ Գ.Օբերտը։ Մարդը, ով մշակել է հաղորդակցության համար ուղեծրի օգտագործման հայեցակարգը, Արթուր Քլարկն է: 1945 թվականին նա հոդված է հրապարակել Wireless World ամսագրում, որտեղ նկարագրել է գեոստացիոն դաշտի առավելությունները։ Այս ոլորտում իր ակտիվ աշխատանքի համար, ի պատիվ գիտնականի, ուղեծիրը ստացավ իր երկրորդ անունը՝ «Կլարկի գոտի»: Շատ տեսաբաններ մտածել են բարձրորակ հաղորդակցության իրականացման խնդրի մասին։ Այսպիսով, Հերման Պոտոչնիկը 1928 թվականին արտահայտեց այն գաղափարը, թե ինչպես կարելի է օգտագործել գեոստացիոնար արբանյակները:

«Clark Belt»-ի բնութագրերը

Որպեսզի ուղեծիրը կոչվի գեոստացիոնար, այն պետք է համապատասխանի մի շարք պարամետրերի.

1. Գեոսինխրոնիա. Այս բնութագիրը ներառում է դաշտ, որն ունի Երկրի պտտման ժամանակաշրջանին համապատասխանող ժամանակաշրջան։ Գեոսինխրոն արբանյակն ավարտում է իր պտույտը մոլորակի շուրջ սիդերային օրվա ընթացքում, որը տևում է 23 ժամ, 56 րոպե և 4 վայրկյան: Նույն ժամանակն է անհրաժեշտ, որպեսզի Երկիրը մեկ պտույտ կատարի ֆիքսված տարածության մեջ:

2. Արբանյակը որոշակի կետում պահելու համար գեոստացիոնար ուղեծիրը պետք է լինի շրջանաձև՝ զրոյական թեքությամբ: Էլիպսաձև դաշտը կհանգեցնի տեղաշարժի կա՛մ արևելք, կա՛մ արևմուտք, քանի որ նավը տարբեր կերպ է շարժվում իր ուղեծրի որոշակի կետերում:

3. Տիեզերական մեխանիզմի «սավառնող կետը» պետք է լինի հասարակածում:

4. Արբանյակների տեղակայումը գեոստացիոնար ուղեծրում պետք է լինի այնպիսին, որ կապի համար նախատեսված հաճախականությունների փոքր քանակը չհանգեցնի ընդունման և հաղորդման ժամանակ տարբեր սարքերի հաճախականությունների համընկնմանը, ինչպես նաև դրանց բախումից խուսափելու:

5. Տիեզերական մեխանիզմի մշտական ​​դիրքը պահպանելու համար բավարար քանակությամբ վառելիք:

Արբանյակի գեոստացիոնար ուղեծիրը եզակի է նրանով, որ միայն դրա պարամետրերի համադրմամբ սարքը կարող է անշարժ մնալ: Մեկ այլ առանձնահատկություն է Երկիրը տեսնելու հնարավորությունը տասնյոթ աստիճանի անկյան տակ գտնվողներից տիեզերական դաշտարբանյակներ. Յուրաքանչյուր սարք գրավում է ուղեծրի մակերեսի մոտավորապես մեկ երրորդը, ուստի երեք մեխանիզմներ կարող են ծածկել գրեթե ամբողջ մոլորակը:

Արհեստական ​​արբանյակներ

Ինքնաթիռը պտտվում է Երկրի շուրջը երկրակենտրոն ճանապարհով: Այն արձակելու համար օգտագործվում է բազմաստիճան հրթիռ։ Դա տիեզերական մեխանիզմ է, որը շարժվում է շարժիչի ռեակտիվ ուժով: Ուղեծրային շարժման համար արհեստական ​​արբանյակներԵրկիրը պետք է ունենա սկզբնական արագություն, որը համապատասխանում է առաջին տիեզերական արագությանը։ Նրանց թռիչքները տեղի են ունենում առնվազն մի քանի հարյուր կիլոմետր բարձրության վրա։ Սարքի շրջանառության ժամկետը կարող է լինել մի քանի տարի։ Երկրի արհեստական ​​արբանյակները կարող են արձակվել այլ սարքերի տախտակներից, օրինակ՝ ուղեծրային կայաններից և նավերից: Անօդաչու սարքերն ունեն մինչև երկու տասնյակ տոննա զանգված և մինչև մի քանի տասնյակ մետր չափեր։ Քսանմեկերորդ դարը նշանավորվեց գերթեթև քաշով սարքերի ծնունդով՝ մինչև մի քանի կիլոգրամ:

Արբանյակները գործարկվել են բազմաթիվ երկրների և ընկերությունների կողմից: Աշխարհի առաջին արհեստական ​​սարքը ստեղծվել է ԽՍՀՄ-ում և տիեզերք թռավ 1957 թվականի հոկտեմբերի 4-ին։ Այն ստացել է Sputnik 1 անվանումը։ 1958 թվականին Միացյալ Նահանգները արձակեց երկրորդ տիեզերանավը՝ Explorer 1։ Առաջին արբանյակը, որը արձակվել է NASA-ի կողմից 1964 թվականին, ստացել է Syncom-3 անվանումը։ Արհեստական ​​սարքերը հիմնականում չվերադարձվող են, սակայն կան այնպիսիք, որոնք մասնակի կամ ամբողջությամբ վերադարձվում են։ Դրանք օգտագործվում են իրականացնելու համար գիտական ​​հետազոտությունև լուծումներ տարբեր առաջադրանքներ. Այսպիսով, կան ռազմական, հետազոտական, նավիգացիոն արբանյակներ և այլն։ Գործարկվում են նաև համալսարանի աշխատակիցների կամ ռադիոսիրողների ստեղծած սարքերը։

«Կանգնելու կետ»

Գեոստացիոնար արբանյակները գտնվում են ծովի մակարդակից 35786 կիլոմետր բարձրության վրա։ Այս բարձրությունը ապահովում է ուղեծրային շրջան, որը համապատասխանում է Երկրի պտտման ժամանակաշրջանին՝ աստղերի համեմատությամբ։ Արհեստական ​​մեքենան անշարժ է, ուստի նրա գտնվելու վայրը գեոստացիոնար ուղեծրում կոչվում է «կանգնած կետ»: Սավառնելը ապահովում է մշտական ​​երկարաժամկետ հաղորդակցություն, երբ կողմնորոշվելուց հետո ալեհավաքը միշտ ուղղված կլինի դեպի ցանկալի արբանյակը:

Շարժում

Արբանյակները կարող են տեղափոխվել ցածր բարձրության ուղեծրից գեոստացիոնար ուղեծիր՝ օգտագործելով գեոտրանսֆերային դաշտերը: Վերջիններս էլիպսաձեւ արահետ են՝ ցածր բարձրության վրա գտնվող կետով և գեոստացիոնար շրջանագծին մոտ գտնվող բարձրության գագաթով։ Արբանյակը, որը դարձել է ոչ պիտանի հետագա շահագործման համար, ուղարկվում է հեռացման ուղեծիր, որը գտնվում է GEO-ից 200-300 կիլոմետր բարձրության վրա:

Գեոստացիոնար ուղեծրի բարձրություն

Արբանյակը տվյալ դաշտում պահպանում է որոշակի հեռավորություն Երկրից՝ ոչ մոտենալով, ոչ հեռանում: Այն միշտ գտնվում է հասարակածի ինչ-որ կետից վեր։ Ելնելով այս հատկանիշներից՝ հետևում է, որ ձգողականության և կենտրոնախույս ուժի ուժերը հավասարակշռում են միմյանց։ Գեոստացիոնար ուղեծրի բարձրությունը հաշվարկվում է մեթոդների հիման վրա դասական մեխանիկա. Այս դեպքում հաշվի է առնվում գրավիտացիոն և կենտրոնախույս ուժերի համապատասխանությունը։ Առաջին մեծության արժեքը որոշվում է՝ օգտագործելով Նյուտոնի համընդհանուր ձգողության օրենքը։ Կենտրոնախույս ուժի ցուցիչը հաշվարկվում է արբանյակի զանգվածը բազմապատկելով կենտրոնաձիգ արագացում. Գրավիտացիոն և իներցիոն զանգվածի հավասարության արդյունքը եզրակացությունն է, որ ուղեծրի բարձրությունը կախված չէ արբանյակի զանգվածից։ Հետևաբար, գեոստացիոնար ուղեծիրը որոշվում է միայն այն բարձրությամբ, որում կենտրոնախույս ուժը մեծությամբ հավասար է և հակառակ ուղղությամբ՝ տվյալ բարձրության վրա Երկրի գրավիտացիայի կողմից ստեղծված գրավիտացիոն ուժին:

Կենտրոնաձև արագացումը հաշվարկելու բանաձևից կարող եք գտնել անկյունային արագությունը: Գեոստացիոնար ուղեծրի շառավիղը որոշվում է նաև այս բանաձևով կամ երկրակենտրոն գրավիտացիոն հաստատունը անկյունային արագության քառակուսու վրա բաժանելով։ Այն ունի 42164 կիլոմետր երկարություն։ Հաշվի առնելով Երկրի հասարակածային շառավիղը՝ ստանում ենք 35786 կիլոմետր հավասար բարձրություն։

Հաշվարկները կարող են իրականացվել այլ կերպ՝ հիմնվելով այն հայտարարության վրա, որ ուղեծրի բարձրությունը, որը հեռավորությունն է Երկրի կենտրոնից, արբանյակի անկյունային արագությամբ, որը համընկնում է մոլորակի պտտման շարժման հետ, առաջացնում է գծային արագություն, որը հավասար է առաջին տիեզերական արագությանը տվյալ բարձրության վրա։

Արագություն գեոստացիոնար ուղեծրում. Երկարություն

Այս ցուցանիշը հաշվարկվում է անկյունային արագությունը դաշտի շառավղով բազմապատկելով: Ուղեծրում արագության արժեքը վայրկյանում 3,07 կիլոմետր է, ինչը շատ ավելի քիչ է, քան առաջին տիեզերական արագությունը մերձերկրային ճանապարհին։ Արագությունը նվազեցնելու համար անհրաժեշտ է ուղեծրի շառավիղը մեծացնել ավելի քան վեց անգամ։ Երկարությունը հաշվարկվում է Pi թիվը և շառավիղը բազմապատկելով երկուսով։ Այն 264924 կիլոմետր է։ Ցուցանիշը հաշվի է առնվում արբանյակների «կանգնման կետերը» հաշվարկելիս:

Ուժերի ազդեցություն

Ուղեծրի պարամետրերը, որոնցով պտտվում է արհեստական ​​մեխանիզմը, կարող են փոխվել լուսնա-արևային գրավիտացիոն խանգարումների, Երկրի դաշտի անհամասեռության և հասարակածի էլիպտիկության ազդեցության տակ։ Դաշտի փոխակերպումն արտահայտվում է այնպիսի երևույթներով, ինչպիսիք են.

1. Արբանյակի տեղաշարժը ուղեծրի երկայնքով իր դիրքից դեպի կայուն հավասարակշռության կետեր, որոնք կոչվում են պոտենցիալ անցքեր գեոստացիոնար ուղեծրում:
2. Դաշտի թեքության անկյունը դեպի հասարակած աճում է որոշակի արագությամբ և հասնում է 15 աստիճանի 26 տարին 5 ամիսը մեկ անգամ։

Արբանյակը ցանկալի «կանգնած կետում» պահելու համար այն հագեցած է շարժիչ համակարգով, որը միացվում է 10-15 օրը մեկ մի քանի անգամ։ Այսպիսով, ուղեծրի թեքության աճը փոխհատուցելու համար օգտագործվում է «հյուսիս-հարավ» ուղղումը, իսկ դաշտի երկայնքով շեղումը փոխհատուցելու համար օգտագործվում է «արևմուտք-արևելք» ուղղումը: Արբանյակի ուղին իր ողջ կյանքի ընթացքում կարգավորելու համար անհրաժեշտ է վառելիքի մեծ պաշար:

Շարժիչ համակարգեր

Սարքի ընտրությունը որոշվում է արբանյակի անհատական ​​տեխնիկական հատկանիշներով: Օրինակ, քիմիական հրթիռային շարժիչն ունի տեղաշարժվող վառելիքի մատակարարում և աշխատում է երկար ժամանակ պահպանված բարձր եռացող բաղադրիչներով (դիանազոտային տետրօքսիդ, անհամաչափ դիմեթիլհիդրազին): Պլազմային սարքերը զգալիորեն ավելի քիչ մղում ունեն, բայց երկարատև աշխատանքի շնորհիվ, որը չափվում է տասնյակ րոպեներով մեկ շարժման համար, նրանք կարող են զգալիորեն նվազեցնել նավի վրա սպառվող վառելիքի քանակը: Այս տեսակի շարժիչ համակարգ օգտագործվում է արբանյակը ուղեծրային այլ դիրքի վրա մանևրելու համար: Սարքի ծառայության ժամկետի հիմնական սահմանափակող գործոնը գեոստացիոնար ուղեծրում վառելիքի մատակարարումն է:

Արհեստական ​​դաշտի թերությունները

Գեոստացիոնար արբանյակների հետ փոխազդեցության էական թերությունը ազդանշանների տարածման մեծ ուշացումներն են: Այսպես, վայրկյանում 300 հազար կիլոմետր լույսի արագության և 35786 կիլոմետր ուղեծրի բարձրության դեպքում Երկիր-արբանյակ ճառագայթի շարժումը տևում է մոտ 0,12 վայրկյան, իսկ Երկիր-արբանյակ-Երկիր՝ 0,24 վայրկյան: Հաշվի առնելով ցամաքային ծառայությունների սարքավորումների և մալուխային փոխանցման համակարգերում ազդանշանի ուշացումը՝ «աղբյուր-արբանյակ-ընդունիչ» ազդանշանի ընդհանուր ուշացումը հասնում է մոտավորապես 2-4 վայրկյանի: Այս ցուցանիշը զգալիորեն բարդացնում է հեռախոսակապի համար ուղեծրում գտնվող սարքերի օգտագործումը և անհնարին է դարձնում արբանյակային կապի օգտագործումը իրական ժամանակի համակարգերում:

Մեկ այլ թերություն է գեոստացիոնար ուղեծրի անտեսանելիությունը բարձր լայնություններից, ինչը խանգարում է Արկտիկայի և Անտարկտիկայի շրջաններում հաղորդակցություններին և հեռուստատեսային հեռարձակմանը: Այն իրավիճակներում, երբ արևը և հաղորդող արբանյակը համահունչ են ընդունող ալեհավաքին, տեղի է ունենում նվազում, և երբեմն նույնիսկ. լիակատար բացակայությունազդանշան. Գեոստացիոնար ուղեծրերում արբանյակի անշարժության պատճառով այս երեւույթը հատկապես հստակորեն դրսեւորվում է։

Դոպլերի էֆեկտ

Այս երեւույթը բաղկացած է հաճախականությունների փոփոխությունից էլեկտրամագնիսական թրթռումներհաղորդիչի և ստացողի փոխադարձ շարժումով։ Երևույթն արտահայտվում է ժամանակի ընթացքում տարածության փոփոխությամբ, ինչպես նաև ուղեծրում արհեստական ​​տրանսպորտային միջոցների տեղաշարժով։ Էֆեկտը դրսևորվում է որպես արբանյակի կրիչի հաճախականության ցածր կայունություն, որն ավելանում է բեռնատար կրկնակի և երկրային կայանի հաճախականության ապարատային անկայունությանը, ինչը բարդացնում է ազդանշանների ընդունումը: Դոպլերի էֆեկտը նպաստում է մոդուլացնող թրթռումների հաճախականության փոփոխությանը, որը հնարավոր չէ կառավարել։ Այն դեպքում, երբ ուղեծրում օգտագործվում են կապի արբանյակներ և ուղիղ հեռուստատեսային հեռարձակում, այս երևույթը գործնականում վերացվում է, այսինքն՝ ընդունման կետում ազդանշանի մակարդակի փոփոխություններ չկան։

Աշխարհում գեոստացիոնար դաշտերի նկատմամբ վերաբերմունքը

Տիեզերական ուղեծրի ծնունդը բազմաթիվ հարցեր և միջազգային իրավական խնդիրներ է ստեղծել: Դրանց բանաձեւում ներգրավված են մի շարք կոմիտեներ, մասնավորապես՝ ՄԱԿ-ը։ Հասարակածի վրա գտնվող որոշ երկրներ հավակնում էին ընդլայնել իրենց ինքնիշխանությունը տիեզերական դաշտի այն մասի վրա, որը գտնվում է իրենց տարածքից վեր: Պետությունները հայտարարեցին, որ գեոստացիոնար ուղեծիրը ֆիզիկական գործոն է, որը կապված է մոլորակի գոյության հետ և կախված է Երկրի գրավիտացիոն դաշտից, ուստի դաշտային հատվածները իրենց երկրների տարածքի ընդլայնումն են։ Բայց նման պնդումները մերժվեցին, քանի որ աշխարհում գործում է տիեզերքի չյուրացման սկզբունքը։ Ուղեծրերի և արբանյակների շահագործման հետ կապված բոլոր խնդիրները լուծվում են համաշխարհային մակարդակով։

Երկիրը, ինչպես ցանկացած տիեզերական մարմին, ունի իր գրավիտացիոն դաշտը և մոտակա ուղեծրերը, որոնցում կարող են տեղակայվել տարբեր չափերի մարմիններ և առարկաներ։ Ամենից հաճախ դրանք վերաբերում են Լուսնին և Միջազգային տիեզերական կայանին։ Առաջինը քայլում է սեփական ուղեծրով, իսկ ISS-ը՝ Երկրին մոտ ցածր ուղեծրով: Կան մի քանի ուղեծրեր, որոնք տարբերվում են Երկրից իրենց հեռավորությամբ, մոլորակի համեմատ իրենց հարաբերական դիրքով և պտտման ուղղությամբ։

Արհեստական ​​երկրային արբանյակների ուղեծրերը

Այսօր Երկրին մոտակա տարածության մեջ կան բազմաթիվ առարկաներ, որոնք մարդկային գործունեության արդյունք են։ Հիմնականում դրանք արհեստական ​​արբանյակներ են, որոնք օգտագործվում են հաղորդակցություն ապահովելու համար, բայց կան նաև շատ տիեզերական աղբ: Երկրի ամենահայտնի արհեստական ​​արբանյակներից մեկը Միջազգային տիեզերակայանն է։

Արբանյակները շարժվում են երեք հիմնական ուղեծրով՝ հասարակածային (գեոստացիոնար), բևեռային և թեք: Առաջինն ամբողջությամբ գտնվում է հասարակածային շրջանագծի հարթության մեջ, երկրորդը խիստ ուղղահայաց է դրան, իսկ երրորդը գտնվում է նրանց միջև։

Գեոսինխրոն ուղեծիր

Այս հետագծի անվանումը պայմանավորված է նրանով, որ նրա երկայնքով շարժվող մարմինն ունի Երկրի պտույտի կողային շրջանի արագություն: Գեոստացիոնար ուղեծիրը գեոսինխրոն ուղեծրի հատուկ դեպք է, որը գտնվում է Երկրի հասարակածի հետ նույն հարթությունում։

Զրո և զրոյական էքսցենտրիսիտետին ոչ հավասար թեքությամբ արբանյակը, երբ դիտարկվում է Երկրից, նկարագրում է ութ գործիչ երկնքում օրվա ընթացքում:

Գեոսինխրոն ուղեծրի առաջին արբանյակը ամերիկյան Syncom-2-ն է, որն արձակվել է 1963 թվականին։ Այսօր որոշ դեպքերում արբանյակները տեղադրվում են գեոսինխրոն ուղեծրում, քանի որ արձակման մեքենան չի կարող դրանք տեղադրել գեոսինխրոն ուղեծրում:

Գեոստացիոնար ուղեծիր

Այս հետագիծն այս անվանումն ունի այն պատճառով, որ չնայած մշտական ​​շարժում, դրա վրա գտնվող օբյեկտը մնում է ստատիկ՝ երկրի մակերեսի համեմատ։ Այն վայրը, որտեղ գտնվում է օբյեկտը, կոչվում է կանգնած կետ:

Նման ուղեծրում տեղադրված արբանյակները հաճախ օգտագործվում են արբանյակային հեռուստատեսություն փոխանցելու համար, քանի որ ստատիկ բնույթը թույլ է տալիս միանգամից ուղղել ալեհավաքը և միացված մնալ երկար ժամանակ:

Արբանյակների բարձրությունը գեոստացիոնար ուղեծրում 35786 կիլոմետր է։ Քանի որ դրանք բոլորն ուղղակիորեն հասարակածից վեր են, միայն միջօրեականն է անվանվել՝ ցույց տալու համար դիրքը, օրինակ՝ 180.0˚E Intelsat 18 կամ 172.0˚E Eutelsat 172A:

Ուղեծրի մոտավոր շառավիղը ~42,164 կմ է, երկարությունը՝ մոտ 265,000 կմ, իսկ ուղեծրի արագությունը՝ մոտավորապես 3,07 կմ/վ։

Բարձր էլիպսաձեւ ուղեծիր

Բարձր էլիպսաձև ուղեծիրը հետագիծ է, որի բարձրությունը ծայրամասում մի քանի անգամ փոքր է, քան գագաթնակետում: Արբանյակները նման ուղեծրեր դնելն ունի մի շարք կարևոր առավելություններ. Օրինակ, նման մեկ համակարգը կարող է բավարար լինել ամբողջ Ռուսաստանին կամ, համապատասխանաբար, հավասար ընդհանուր տարածքով պետությունների խմբին սպասարկելու համար։ Բացի այդ, VEO համակարգերը բարձր լայնություններում ավելի ընդունակ են, քան գեոստացիոնար արբանյակները: Իսկ արբանյակը բարձր էլիպսաձեւ ուղեծիր դնելն արժե մոտավորապես 1,8 անգամ ավելի քիչ:

VEO-ով աշխատող համակարգերի մեծ օրինակներ.

• NASA-ի և ESA-ի կողմից արձակված տիեզերական աստղադիտարանները:
• Sirius XM ռադիո արբանյակային ռադիո:
• Արբանյակային կապ Meridian, -Z and -ZK, Molniya-1T.
• GPS արբանյակային ուղղման համակարգ:

Երկրի ցածր ուղեծիր

Սա ամենացածր ուղեծրերից է, որը, կախված տարբեր հանգամանքներից, կարող է ունենալ համապատասխանաբար 160-2000 կմ բարձրություն և 88-127 րոպե ուղեծրային շրջան։ Միակ դեպքը, երբ LEO-ին հաղթահարեցին անձնակազմը տիեզերանավ-Սա «Ապոլոն» ծրագիրն է՝ ամերիկյան տիեզերագնացների Լուսնի վրա վայրէջքով։

Ներկայումս օգտագործվող կամ երբևէ օգտագործված արհեստական ​​երկրային արբանյակների մեծ մասը գործել է Երկրի ցածր ուղեծրում: Նույն պատճառով տիեզերական աղբի մեծ մասն այժմ գտնվում է այս գոտում: LEO-ում տեղակայված արբանյակների ուղեծրային օպտիմալ արագությունը միջինում 7,8 կմ/վ է։

Արհեստական ​​արբանյակների օրինակներ LEO-ում.

• Միջազգային տիեզերակայան(400 կմ):
• Հեռահաղորդակցության արբանյակները ամենաշատը տարբեր համակարգերև ցանցեր։
• Հետախուզական մեքենաներ և զոնդ արբանյակներ.

Տիեզերական բեկորների առատությունը ուղեծրում - հիմնական ժամանակակից խնդիրբոլորը տիեզերական արդյունաբերություն. Այսօր իրավիճակն այնպիսին է, որ LEO-ում տարբեր առարկաների բախման հավանականությունը մեծանում է։ Իսկ դա իր հերթին հանգեցնում է կործանման և ավելիի ձևավորմանը ավելինբեկորներ և մանրամասներ. Հոռետեսական կանխատեսումները հուշում են, որ գործարկված Դոմինոյի սկզբունքը կարող է ամբողջությամբ զրկել մարդկությանը տիեզերքն ուսումնասիրելու հնարավորությունից։

Ցածր հղման ուղեծիր

Ցածր հղումը սովորաբար կոչվում է սարքի ուղեծիր, որը նախատեսում է թեքության, բարձրության կամ այլ նշանակալի փոփոխություններ: Եթե ​​սարքը չունի շարժիչ և մանևրներ չի կատարում, նրա ուղեծիրը կոչվում է ցածր Երկրի ուղեծիր։

Հետաքրքիր է, որ ռուս և ամերիկացի բալիստիկները տարբեր կերպ են հաշվում նրա բարձրությունը, քանի որ առաջինները հիմնված են Երկրի էլիպսաձև մոդելի վրա, իսկ երկրորդները՝ գնդաձևի։ Սրա պատճառով տարբերություն կա ոչ միայն բարձրության, այլև պերիգեի և ապոգեի դիրքի մեջ։

Ինչպես գիտեք, գեոստացիոնար արբանյակները անշարժ կախված են երկրի վերևում նույն կետում: Ինչու չեն ընկնում: Այդ բարձրության վրա ձգողական ուժ չկա՞։

Պատասխանել

Երկրի գեոստացիոնար արհեստական ​​արբանյակը սարք է, որը շարժվում է մոլորակի շուրջը արևելյան ուղղությամբ (նույն ուղղությամբ, ինչ պտտվում է Երկիրը), շրջանաձև հասարակածային ուղեծրով, պտույտի ժամանակաշրջանով, որը հավասար է Երկրի պտույտի ժամանակաշրջանին:

Այսպիսով, եթե Երկրից նայենք գեոստացիոնար արբանյակին, ապա կտեսնենք, որ այն անշարժ կախված է նույն տեղում։ Այս անշարժության և մոտ 36000 կմ բարձրության պատճառով, որից տեսանելի է Երկրի մակերեսի գրեթե կեսը, հեռուստատեսության, ռադիոյի և կապի ռելե արբանյակները տեղադրվում են գեոստացիոնար ուղեծրում։

Այն փաստից, որ գեոստացիոնար արբանյակը մշտապես կախված է Երկրի մակերևույթի միևնույն կետի վրա, ոմանք սխալ եզրակացություն են անում, որ գեոստացիոնար արբանյակը չի ազդում Երկրի նկատմամբ ձգողականության ուժի վրա, որ ձգողականության ուժը անհետանում է որոշակի հեռավորության վրա։ Երկիրը, այսինքն նրանք հերքում են հենց Նյուտոնը: Իհարկե, դա ճիշտ չէ։ Արբանյակների արձակումը գեոստացիոնար ուղեծիր հաշվարկվում է հենց Նյուտոնի համընդհանուր ձգողության օրենքի համաձայն:

Գեոստացիոնար արբանյակները, ինչպես բոլոր մյուս արբանյակները, իրականում ընկնում են Երկիր, բայց չեն հասնում նրա մակերեսին: Դրանց վրա գործում է դեպի Երկիր ձգող ուժ (գրավիտացիոն ուժ), որն ուղղված է դեպի կենտրոնը, իսկ հակառակ ուղղությամբ արբանյակի վրա գործում է Երկիրը վանող կենտրոնախույս ուժ (իներցիայի ուժ), որոնք հավասարակշռում են միմյանց. Արբանյակը չի թռչում Երկրից և չի ընկնում նրա վրա ճիշտ այնպես, ինչպես պարանի վրա պտտված դույլը մնում է իր ուղեծրում:

Եթե ​​արբանյակն ընդհանրապես չշարժվեր, ապա այն Երկրի վրա կընկներ դեպի իր ձգողականության ազդեցությամբ, բայց արբանյակները շարժվում են, այդ թվում՝ գեոստացիոնար (գեոստացիոնար՝ Երկրի պտույտի անկյունային արագությանը հավասար անկյունային արագությամբ, այսինքն՝ մեկ պտույտ): օրական, իսկ ցածր ուղեծրերում գտնվող արբանյակներն ունեն ավելի բարձր անկյունային արագություն, այսինքն՝ նրանց հաջողվում է օրական մի քանի պտույտ կատարել Երկրի շուրջ): Երկրի մակերեսին զուգահեռ արբանյակին տրվող գծային արագությունը ուղեծիր ուղիղ ներդիրի ժամանակ համեմատաբար մեծ է (Երկրի ցածր ուղեծրում՝ 8 կիլոմետր վայրկյանում, գեոստացիոնար ուղեծրում՝ 3 կիլոմետր վայրկյանում)։ Եթե ​​Երկիրը չլիներ, ապա արբանյակը նման արագությամբ կթռչեր ուղիղ գծով, սակայն Երկրի առկայությունը ստիպում է արբանյակին ընկնել նրա վրա ձգողականության ազդեցությամբ՝ թեքելով հետագիծը դեպի Երկիր, բայց մակերեսը Երկիրը հարթ չէ, այն կոր է: Քանի արբանյակը մոտենում է Երկրի մակերեսին, Երկրի մակերեսը հեռանում է արբանյակի տակից և, հետևաբար, արբանյակը մշտապես գտնվում է նույն բարձրության վրա՝ շարժվելով փակ հետագծով։ Արբանյակն անընդհատ ընկնում է, բայց չի կարող ընկնել:

Այսպիսով, Երկրի բոլոր արհեստական ​​արբանյակները ընկնում են Երկիր, բայց փակ հետագծով: Արբանյակները գտնվում են անկշռության վիճակում, ինչպես բոլոր ընկնող մարմինները (եթե երկնաքերի վերելակը փչանա և սկսի ազատ ընկնել, ապա ներսում գտնվող մարդիկ նույնպես անկշռության վիճակում կլինեն): Տիեզերագնացները ISS-ի ներսում գտնվում են անկշռության մեջ ոչ այն պատճառով, որ Երկրի վրա ձգողական ուժը չի գործում ուղեծրում (այնտեղ գրեթե նույնն է, ինչ Երկրի մակերեսին), այլ այն պատճառով, որ ISS-ն ազատորեն ընկնում է Երկիր. փակ շրջանաձև հետագիծ.