Яка сила тримає супутник землі. Чому супутники не сходять із орбіти? Орбітальна швидкість та висота

Для виведення супутника на навколоземну орбіту треба надати йому початкову швидкість, що дорівнює першій космічній швидкості або дещо перевищує останню. Це відбувається не відразу, а поступово. Супутник, що несе, багатоступінчаста ракета плавно набирає швидкість. Коли швидкість її польоту досягне розрахункового значення, супутник відокремлюється від ракети і починає свій вільний рух орбітою. Від наданої йому початкової швидкості та її напрями залежить форма орбіти: її розміри та ексцентриситет.

Якби не було опору середовища і обтяжливих тяжінь Місяця та Сонця, а Земля мала б кульову форму, то орбіта супутника не зазнавала б жодних змін, а сам супутник рухався б нею вічно. Проте насправді орбіта кожного супутника змінюється під впливом різних причин.

Головна сила, що змінює орбіту супутника,- це гальмування, що виникає внаслідок опору розрідженого середовища, крізь яке пролітає супутник. Подивимося, як вона впливає його рух. Оскільки орбіта супутника зазвичай еліптична, його відстань від Землі періодично змінюється. Він знижується до перигею та досягає максимального видалення в апогеї. Щільність земної атмосфери швидко зменшується зі збільшенням висоти, і тому супутник зустрічає найбільший опір поблизу перигею. Витративши частину кінетичної енергії на подолання цього, хоч і невеликого опору, супутник вже не може піднятися на колишню висоту, і його апогей поступово знижується. Зниження перигею теж відбувається, але набагато повільніше, ніж зниження апогею. Таким чином, поступово зменшуються розміри орбіти та її ексцентриситет: еліптична орбіта наближається до кругової. Супутник рухається навколо Землі по спіралі, що повільно згортається, і врешті-решт закінчує своє існування в щільних шарах земної атмосфери, розігріваючись і випаровуючись подібно до метеорного тіла. При великих розмірах може долетіти і до Землі.

Цікаво відзначити, що гальмування супутника не зменшує його швидкості, навпаки, збільшує її. Зробимо прості обчислення.

З третього закону Кеплера випливає, що

де З - постійна, М - маса Землі, m - маса супутника, Р - період його обігу та а - велика піввісь орбіти. Пренебре-

гая масою супутника в порівнянні з масою Землі отримаємо

Приймемо для простоти розрахунків орбіту супутника за кругову. Рухаючись із постійною швидкістю υ, супутник за повний оборот проходить по орбіті відстань υ Р = 2 πа, звідки Р = 2πa/υ. Підставивши це значення Р формулу (9.1) і виконавши перетворення, знайдемо

Отже, зі зменшенням розмірів орбіти швидкість супутника v зростає: кінетична енергія супутника зростає за рахунок швидкого зменшення потенційної енергії.

Друга сила, що змінює форму орбіти супутника, - це тиск сонячного випромінювання, тобто світла та корпускулярних потоків (сонячного вітру). На супутники малих розмірів ця сила практично не впливає, але для таких супутників, як Пагеос, вона дуже істотна. При запуску Пагеос мав кругову орбіту, а через два роки вона стала дуже витягнутою еліптичною.

На рух супутника впливає також і магнітне поле Землі, так як супутник може придбати деякий електричний заряд і за його руху в магнітному полі повинні виникнути зміни в траєкторії.

Проте ці сили є обурюючими. Головна ж сила, що утримує супутник на його орбіті, - сила земного тяжіння. І тут ми зустрічаємось із деякими особливостями. Ми знаємо, що в результаті осьового обертання фігура Землі відрізняється від кульової і що земне тяжіння не спрямоване до центру Землі. На дуже далеких об'єктах це не позначається, але супутник, що знаходиться поблизу від Землі, реагує на наявність у Землі «екваторіальних здуття». Площина його орбіти повільно, але регулярно повертається навколо осі обертання Землі. Таке явище добре помітне із спостережень, проведених протягом одного тижня. Всі ці зміни орбіт становлять великий науковий інтерес, і тому рухом штучних супутників проводяться систематичні спостереження.

Може здатися, що супутники на орбіті Землі – це найпростіше, звичне та рідне, що є у цьому світі. Зрештою, Місяць висить на небі вже понад чотири мільярди років і в його рухах немає нічого надприродного. Але якщо ми самі запускаємо супутники на орбіту Землі, вони тримаються там лише кілька або десятки років, а потім повторно входять в атмосферу і згоряють, або падають в океан і на землю.

Більше того, якщо поглянути на природні супутники на інших планетах, всі вони тримаються значно довше, ніж антропогенні супутники, що обертаються довкола Землі. Міжнародна космічна станція (МКС), наприклад, звертається навколо Землі кожні 90 хвилин, у той час як нашому Місяцю потрібно близько місяця на це. Навіть супутники, які знаходяться близько до своїх планет - на кшталт Іо у Юпітера, приливні сили якого зігрівають світ і розривають його вулканічними катастрофами - стабільно тримаються на своїх орбітах.

Іо, як очікується, залишиться на орбіті Юпітера на весь термін життя Сонячної системи, а ось МКС, якщо не вживати жодних заходів, буде на своїй орбіті менше 20 років. Така ж доля справедлива практично для всіх супутників, присутніх на низькій навколоземній орбіті: до часу, коли настане наступне століття, майже всі нинішні супутники увійдуть в атмосферу Землі і згорять. Найбільші (на кшталт МКС зі своєю 431 тонною вагою) впадуть у вигляді великих уламків на сушу та у воду.

Чому так відбувається? Чому цим супутникам начхати на закони Ейнштейна, Ньютона і Кеплера і чому вони не хочуть дотримуватися стабільної орбіти постійно? Виявляється, є низка факторів, що викликають цю орбітальну метушні.

Це, мабуть, найважливіший ефект, який також є причиною того, чому супутники на низькій навколоземній орбіті нестабільні. Інші супутники - як геостаціонарні супутники - теж сходять з орбіти, але не так швидко. Ми звикли вважати «космосом» все, що знаходиться вище 100 кілометрів: вище за лінію Кармана. Але будь-яке визначення межі космосу, де починається космос і закінчується атмосфера планети, буде притягнуто за вуха. Насправді частки атмосфери простягаються далеко й високо, просто щільність їх стає дедалі менше. Зрештою щільність падає - нижче мікрограма на кубічний сантиметр, потім нанограма, потім пікограма - і тоді ми з більшою впевненістю можемо називати це космосом. Але атоми атмосфери можуть бути присутніми і на відстані тисяч кілометрів, і коли супутники стикаються з цими атомами, вони втрачають імпульс і сповільнюються. Тому супутники на низькій навколоземній орбіті нестабільні.

Частинки сонячного вітру

Сонце постійно випромінює потік високоенергетичних частинок, здебільшого протонів, але є також електрони та ядра гелію, які стикаються з усім, що зустрінуть. Ці зіткнення, своєю чергою, змінюють імпульс супутників, із якими зіштовхуються, і поступово їх уповільнюють. Після достатнього часу, починають порушуватися і орбіти. І хоча це не основна причина сходу з орбіти супутників на НГО, для супутників подалі це має більш важливе значення, оскільки вони наближаються, а разом з цим зростає атмосферний опір.

Недосконале гравітаційне поле Землі

Якби у Землі не було атмосфери, як у Меркурія чи Місяця, чи змогли б наші супутники залишатися на орбіті завжди? Ні, навіть якби ми прибрали сонячний вітер. Це тому, що Земля – як і всі планети – не є точковою масою, а скоріше структурою з непостійним гравітаційним полем. Це поле та зміни у міру того, як супутники обертаються навколо планети, виливаються у дію приливних сил на них. І що ближче супутник до Землі, то більший вплив цих сил.

Гравітаційний вплив решти Сонячної системи

Вочевидь, Земля перестав бути повністю ізольованою системою, у якій єдина гравітаційна сила, яка впливає супутники, народжується на самій Землі. Ні, Місяць, Сонце і всі інші планети, комети, астероїди та інше роблять внесок у вигляді гравітаційних сил, які розштовхують орбіти. Навіть якби Земля була б ідеальною точкою - скажімо, стиснулася б у чорну діру, що не обертається, - без атмосфери, а супутники на 100% були б захищені від сонячного вітру, ці супутники поступово почали б падати по спіралі в центр Землі. Вони залишалися б на орбіті довше, ніж існувало б саме Сонце, але ця система не була б ідеально стабільною; орбіти супутників зрештою порушувалися б.

Релятивістські ефекти

Закони Ньютона - і кеплерових орбіт - це єдине, що визначає рух небесних тіл. Та ж сила, яка змушує орбіту Меркурія прецесувати на зайві 43 в століття, призводить до того, що орбіти порушуються за рахунок гравітаційних хвиль. Швидкість цього порушення неймовірно мала для слабких гравітаційних полів (на зразок тих, що ми знайшли в Сонячній системі) і для великих відстаней: знадобиться 10 150 років, щоб Земля по спіралі спустилася до Сонця, а ступінь порушення орбіт навколоземних супутників у сотні тисяч разів менший від цього . Але ця сила є і є неминучим наслідком загальної теорії відносності, ефективно виявляючись на ближчих супутниках планети.

Все це не просто впливає на створені нами супутники, а й на природні супутники, які ми знаходимо на орбіті інших світів. Найближчий до Марса місяць Фобос, наприклад, приречений бути розірваним припливними силами і по спіралі спуститися в атмосферу Червоної планети. Незважаючи на наявність атмосфери, яка становить всього 1/140 земної, атмосфера Марса велика та дифузна, і, крім того, Марс не має захисту від сонячного вітру (на відміну від Землі з її магнітним полем). Тож через десятки мільйонів років Фобос усе. Може здатися, що це станеться не скоро, але ж це менше 1% від того часу, який Сонячна система вже існує.

Але найближчим супутником Юпітера не є Іо: це Метіс, за міфологією, перша дружина Зевса. Ближче Іо є чотири невеликі супутники, з яких Метіс найближче - всього в 0,8 радіусу Юпітера від атмосфери планети. Що стосується Юпітером порушення орбіт відповідають не атмосферні сили та сонячний вітер; з орбітальною піввіссю 128 000 кілометрів, Метіс відчуває значні приливні сили, які несуть відповідальність за сходження по спіралі цього місяця до Юпітера.

Як приклад того, що буває, коли переважають потужні приливні сили, можна відзначити комету Шумейкера - Леві 9 та її зіткнення з Юпітером у 1994 році, після того, як вона була повністю розірвана приливними силами. Така доля всіх супутників, які йдуть по спіралі до свого рідного світу.

Поєднання всіх цих факторів робить будь-який супутник фундаментально нестабільним. Враховуючи достатній час та відсутність інших стабілізуючих ефектів, порушуватимуться абсолютно всі орбіти. Зрештою, всі орбіти нестабільні, але деякі - нестабільніші за інших.

Що являє собою геостаціонарна орбіта? Це кругове поле, яке розташувалося над екватором Землі, по ньому штучний супутник поводиться з кутовою швидкістю обертання планети навколо осі. Він не змінює свій напрямок у горизонтальній системі координат, а нерухомо висить у небі. Геостаціонарна орбіта Землі (ДСО) є різновидом геосинхронного поля і застосовується для розміщення комунікаційних, телетрансляційних та інших супутників.

Ідея використання штучних апаратів

Саме поняття геостаціонарної орбіти ініційовано російським винахідником К. Е. Ціолковським. У своїх роботах він пропонував заселити космос за допомогою орбітальних станцій. Зарубіжні вчені також описували роботи космічних полів, наприклад Г. Оберт. Людиною, яка розвинула концепцію використання орбіти для зв'язку, є Артур Кларк. Він у 1945 році помістив статтю в журналі Wireless World, де описав переваги роботи геостаціонарного поля. За активну працю в цій галузі на честь вченого орбіта отримала свою другу назву – «пояс Кларка». Над проблемою здійснення якісного зв'язку думали багато теоретиків. Так, Герман Поточник в 1928 висловив думку про те, як можна застосовувати геостаціонарні супутники.

Характеристика «поясу Кларка»

Щоб орбіта була названа геостаціонарною, вона повинна відповідати ряду параметрів:

1. Геосинхронність. До такої характеристики відноситься поле, яке має період, що відповідає періоду звернення Землі. Геосинхронний супутник закінчує оберт навколо планети за сидеричний день, який дорівнює 23 годин 56 хвилин і 4 секунд. У той самий час необхідно Землі до виконання одного обороту у фіксованому просторі.

2. Для підтримки супутника на певній точці геостаціонарна орбіта має бути круговою, з нульовим нахилом. Еліптичне поле призведе до усунення або на схід, або на захід, тому що апарат рухається в певних точках орбіти по-різному.

3. «Точка зависання» космічного механізму має бути на екваторі.

4. Розташування супутників на геостаціонарній орбіті повинні бути такими, щоб невелика кількість частот, призначених для зв'язку, не призвела до накладання частот різних апаратів при прийомі та передачі, а також для виключення їх зіткнення.

5. Достатня кількість палива підтримки постійного становища космічного механізму.

Геостаціонарна орбіта супутника унікальна тим, що тільки при поєднанні її параметрів можна досягти нерухомості апарату. Ще однією особливістю є можливість бачити Землю під кутом сімнадцять градусів з розташованих на космічному полі супутників. Кожен апарат відхоплює приблизно одну третину поверхні орбіти, тому три механізми здатні забезпечити охоплення майже всієї планети.

Штучні супутники

Літальний апарат обертається навколо Землі геоцентричним шляхом. Для його виведення використовують багатоступінчасту ракету. Вона є космічний механізм, який приводить у дію реактивна сила двигуна. Для руху орбітою штучні супутники Землі повинні мати початкову швидкість, що відповідає першої космічної. Їхні польоти здійснюються на висоті не менше кількох сотень кілометрів. Період обігу апарату може становити кілька років. Штучні супутники Землі можуть запускатися з бортів інших апаратів, наприклад, орбітальних станцій та кораблів. Безпілотники мають масу до двох десятків тонн та розмір до кількох десятків метрів. Двадцять перше століття ознаменувалося народженням апаратів із надмалою вагою – до кількох кілограмів.

Супутники запускалися багатьма країнами та компаніями. Перший у світі штучний апарат було створено СРСР і полетів у космос 4 жовтня 1957 року. Він носив ім'я Супутник-1. В 1958 США запустила другий апарат - «Експлорер-1». Перший супутник, який був виведений NASA у 1964 році, носив ім'я Syncom-3. Штучні апарати переважно неповоротні, але є ті, які повертаються частково чи повністю. Їх використовують для проведення наукових досліджень та вирішення різних завдань. Так, є військові, дослідницькі, навігаційні супутники та інші. Також запускаються апарати, створені співробітниками університетів чи радіоаматорами.

«Точка стояння»

Геостаціонарні супутники розташовуються на висоті 35786 км над рівнем моря. Така висота забезпечує період обігу, який відповідає періоду циркуляції Землі стосовно зірок. Штучний апарат нерухомий, тому його місце розташування на геостаціонарній орбіті називається «точкою стояння». Зависання забезпечує постійний тривалий зв'язок, одного разу зорієнтована антена завжди буде спрямована на потрібний супутник.

Пересування

Супутники можна переводити з низьковисотної орбіти на геостаціонарну за допомогою геоперехідних полів. Останні є еліптичний шлях з точкою на низькій висоті і піком на висоті, яка близька до геостаціонарного кола. Супутник, який став непридатним для подальшої роботи, вирушає на орбіту поховання, розташовану на 200-300 кілометрів вище за ДСО.

Висота геостаціонарної орбіти

Супутник цьому полі тримається певному відстані від Землі, не наближаючись і віддаляючись. Він завжди знаходиться над якоюсь точкою екватора. Виходячи з даних особливостей слід висновок, що сили гравітації та відцентрова сила врівноважують одна одну. Висота геостаціонарної орбіти розраховується методами, основу яких лежить класична механіка. При цьому враховується відповідність гравітаційних та відцентрових сил. Значення першої величини визначається за допомогою закону всесвітнього тяжіння Ньютона. Показник відцентрової сили розраховується шляхом твору маси супутника на відцентрове прискорення. Підсумком рівності гравітаційної та інертної маси є висновок про те, що висота орбіти не залежить від маси супутника. Тому геостаціонарна орбіта визначається лише висотою, коли він відцентрова сила дорівнює по модулю і протилежна у напрямку гравітаційної силі, що створюється тяжінням Землі у цій висоті.

З формули розрахунку доцентрового прискорення можна знайти кутову швидкість. Радіус геостаціонарної орбіти визначається також за цією формулою або шляхом розподілу геоцентричної постійної гравітаційної на кутову швидкість у квадраті. Він становить 42 164 кілометри. З огляду на екваторіальний радіус Землі отримуємо висоту, рівну 35786 кілометрам.

Обчислення можна провести іншим шляхом, ґрунтуючись на твердженні, що висота орбіти, що є віддаленням від центру Землі, з кутовою швидкістю супутника, що збігається з рухом обертання планети, породжує лінійну швидкість, що дорівнює першій космічній на даній висоті.

Швидкість на геостаціонарній орбіті. Довжина

Цей показник розраховується шляхом множення кутової швидкості на радіус поля. Значення швидкості на орбіті дорівнює 3,07 кілометра в секунду, що набагато менше за першу космічну швидкість на навколоземному шляху. Щоб зменшити показник, необхідно збільшити радіус орбіти більш ніж шість разів. Довжина розраховується добутком числа Пі на радіус, помноженим на два. Вона становить 264 924 кілометри. Показник враховується під час обчислення «точок стояння» супутників.

Вплив сил

Параметри орбіти, якою звертається штучний механізм, можуть змінюватися під впливом гравітаційних місячно-сонячних обурень, неоднорідності поля Землі, еліптичності екватора. Трансформація поля виявляється у таких явищах, як:

1. Зміщення супутника від своєї позиції вздовж орбіти у бік точок стабільного рівноваги, які звуться потенційних ям геостаціонарної орбіти.
2. Кут нахилу поля до екватора зростає з певною швидкістю і досягає 15 градусів один раз за 26 років та 5 місяців.

Для утримання супутника у потрібній «точці стояння» його оснащують руховою установкою, яку включають кілька разів на 10-15 діб. Так, для заповнення зростання способу орбіти використовують корекцію «північ-південь», а для компенсації дрейфу вздовж поля – «захід-схід». Для регулювання шляху супутника протягом усього терміну його роботи потрібний великий запас палива на борту.

Двигуни

Вибір пристрою визначається індивідуальними технічними особливостями супутника. Наприклад, хімічний ракетний двигун має витіснювальну подачу палива і функціонує на довго зберігаються висококиплячі компоненти (діазотний тетроксид, несиметричний диметилгідразин). Плазмові пристрої мають істотно меншу тягу, але за рахунок тривалої роботи, яка вимірюється десятками хвилин для одиничного пересування, здатні значно знизити споживання палива на борту. Такий тип рухової установки використовується для маневру переведення супутника в іншу орбітальну позицію. Основним обмежуючим чинником термін служби апарату є запас палива на геостаціонарній орбіті.

Недоліки штучного поля

Істотною вадою у взаємодії з геостаціонарними супутниками є великі запізнення у поширенні сигналу. Так, при швидкості світла 300 тисяч кілометрів на секунду та висоті орбіти 35786 кілометрів рух променя «Земля – супутник» займає близько 0,12 секунди, а «Земля – супутник – Земля» – 0,24 секунди. Враховуючи затримку сигналу в апаратурі та кабельних системах передач наземних служб, загальне запізнення сигналу «джерело - супутник - приймач» досягає приблизно 2-4 секунд. Такий показник суттєво ускладнює застосування апаратів на орбіті в телефонії та унеможливлює використання супутникового зв'язку в системах реального часу.

Ще одним недоліком є ​​невидимість геостаціонарної орбіти з високих широт, що заважає провідності зв'язку та телетрансляцій у районах Арктики та Антарктиди. У ситуаціях, коли сонце та супутник-передавач знаходяться на одній лінії з приймальною антеною, спостерігається зменшення, а часом і повна відсутність сигналу. На геостаціонарних орбітах з допомогою нерухомості супутника таке явище виявляється особливо яскраво.

Ефект Доплера

Цей феномен полягає у зміні частот електромагнітних вібрацій при взаємному просуванні передавача та приймача. Явище виражається зміною відстані у часі, і навіть рухом штучних апаратів на орбіті. Ефект проявляється як малостійкість несучої частоти коливань супутника, яка додається до апаратурної нестабільності частоти бортового ретранслятора та земної станції, що ускладнює прийом сигналів. Ефект Допплера сприяє зміні частоти вібрацій, що модульують, що неможливо контролювати. У разі, коли на орбіті використовуються супутники зв'язку та безпосереднього телевізійного мовлення, це явище практично усувається, тобто не спостерігається змін рівня сигналів у точці прийому.

Ставлення у світі до геостаціонарних полів

Космічна орбіта своїм народженням створила багато питань та міжнародно-правових проблем. Їхнім рішенням займається низка комітетів, зокрема, Організація Об'єднаних Націй. Деякі країни, розташовані на екваторі, пред'являли претензії на поширення їх суверенітету на частину космічного поля, що знаходиться над їхньою територією. Держави заявляли, що геостаціонарна орбіта є фізичним фактором, який пов'язаний з існуванням планети і залежить від гравітаційного поля Землі, тому сегменти поля є продовженням території їхніх країн. Але такі претензії були відкинуті, оскільки у світі є принцип неприсвоєння космічного простору. Усі проблеми, пов'язані з роботою орбіт та супутників, вирішуються на світовому рівні.

Земля, як будь-яке космічне тіло, має власне гравітаційне поле і поруч розташовані орбіти, на яких можуть знаходитися тіла та об'єкти різної величини. Найчастіше під ними маються на увазі Місяць та міжнародна космічна станція. Перша ходить своєю власною орбітою, а МКС - низькою навколоземною. Існує кілька орбіт, які між собою відрізняються віддаленістю від Землі, відносним розташуванням щодо планети та напрямком обертання.

Орбіти штучних супутників Землі

На сьогоднішній день у найближчому навколоземному космічному просторі є безліч об'єктів, які є результатами людської діяльності. Здебільшого це штучні супутники, що служать для забезпечення зв'язку, однак є й чимало космічного сміття. Одним із найвідоміших штучних супутників Землі є Міжнародна космічна станція.

ШСЗ рухаються за трьома основними орбітами: екваторіальною (геостаціонарною), полярною та похилою. Перша повністю лежить у площині кола екватора, друга строго їй перпендикулярна, а третя розташовується між ними.

Геосинхронна орбіта

Назва цієї траєкторії пов'язана з тим, що тіло, що рухається по ній, має швидкість, що дорівнює зоряному періоду обертання Землі. Геостаціонарна орбіта - це окремий випадок геосинхронної орбіти, що лежить у тій же площині, що й земний екватор.

При нахиленні не рівному нулю та нульовому ексцентриситеті супутник, при спостереженні із Землі, визначає протягом доби на небі вісімку.

Перший супутник на геосинхронній орбіті – американський Syncom-2, виведений на неї у 1963 році. Сьогодні у деяких випадках розміщення супутників на геосинхронній орбіті відбувається через те, що ракета-носій не може вивести їх на геостаціонарну.

Геостаціонарна орбіта

Дана траєкторія має таку назву з тієї причини, що, незважаючи на постійний рух, об'єкт, що на ній знаходиться, залишається статичним щодо земної поверхні. Місце, де знаходиться об'єкт, називається точкою стояння.

Супутники, виведені на таку орбіту, часто використовуються передачі супутникового телебачення, оскільки статичність дозволяє якось спрямувати нею антену і тривалий час залишатися зв'язку.

Висота розташування супутників на геостаціонарній орбіті дорівнює 35786 кілометрів. Оскільки всі вони знаходяться прямо над екватором, для позначення позиції називають тільки меридіан, наприклад, 180.0 E Інтелсат 18 або 172.0 E Eutelsat 172A.

Приблизний радіус орбіти дорівнює ~42164 км, довжина - близько 265 000 км, а орбітальна швидкість - приблизно 3,07 км/с.

Висока еліптична орбіта

Високою еліптичною орбітою називають таку траєкторію, висота якої у перигеї у кілька разів менша, ніж у апогеї. Виведення супутників на такі орбіти має низку важливих переваг. Наприклад, однієї такої системи може бути достатньо обслуговування всієї Росії або, відповідно, групи держав з рівною сумарною площею. Крім того, системи ВЕО на високих широтах функціональніші, ніж геостаціонарні супутники. А ще виведення супутника на високу еліптичну орбіту обходиться приблизно в 1,8 рази дешевше.

Великі приклади систем, що працюють на ВЕО:

• Космічні обсерваторії, запущені NASA та ESA.
• Супутникове радіо Sirius XM Radio.
• Супутниковий зв'язок Меридіан, -З та -ЗК, Блискавка-1Т.
• Супутникова система корекції GPS.

Низька навколоземна орбіта

Це одна з найнижчих орбіт, яка в залежності від різних обставин може мати висоту 160-2000 км та період обігу, відповідно, 88-127 хвилин. Єдиним випадком, коли НГО було подолано пілотованими космічними апаратами - це програма Апполон з висадкою американських астронавтів на місяць.

Більшість використовуваних зараз або використаних раніше штучних земних супутників працювали на низькій навколоземній орбіті. З цієї причини в цій зоні зараз розташована основна частка космічного сміття. Оптимальна орбітальна швидкість для супутників, що перебувають на НГО, в середньому дорівнює 7,8 км/с.

Приклади штучних супутників на НГО:

• Міжнародна космічна станція (400 км).
• Телекомунікаційні супутники різних систем і мереж.
• Розвідувальні апарати та супутники-зонди.

Велика кількість космічного сміття на орбіті - головна сучасна проблема всієї космічної промисловості. Сьогодні ситуація така, що ймовірність зіткнення різних об'єктів на НГО зростає. А це, у свою чергу, веде до руйнування та утворення на орбіті ще більшої кількості фрагментів та деталей. Песимістичні прогнози свідчать, що запущений Принцип доміно може повністю позбавити людство можливості освоювати космос.

Низька опорна орбіта

Низькою опорною прийнято називати ту орбіту апарату, яка передбачає зміну нахилу, висоти чи інші суттєві зміни. Якщо ж апарат не має двигуна і він не робить маневри, його орбіту називають низькою навколоземною.

Цікаво, що російські та американські балістики розраховують її висоту по-різному, тому що перші ґрунтуються на еліптичній моделі Землі, а другі – на сферичній. Через це є різниця не тільки у висоті, а й у положенні перигею та апогею.

Як відомо, геостаціонарні супутники висять нерухомо над землею над однією точкою. Чому вони не падають? На тій висоті не діє сила тяжіння?

Відповідь

Геостаціонарний штучний супутник Землі є апарат, який рухається навколо планети в східному напрямку (у тому ж, в якому обертається сама Земля), по круговій екваторіальній орбіті з періодом обігу, що дорівнює періоду свого обертання Землі.

Таким чином, якщо дивитися з Землі на геостаціонарний супутник, ми бачитимемо його нерухомо висить на тому самому місці. Через цю нерухомість і велику висоту близько 36 000 км, з якої видно майже половину поверхні Землі, на геостаціонарну орбіту виводять супутники-ретранслятори для телебачення, радіо та комунікацій.

З того, що геостаціонарний супутник висить постійно над однією і тією ж точкою поверхні Землі, деякі роблять невірний висновок, що на геостаціонарний супутник не діє сила тяжіння до Землі, що сила тяжіння певній відстані від Землі зникає, тобто вони спростовують самого Ньютон. Звичайно, це не так. Сам запуск супутників на геостаціонарну орбіту розраховується саме згідно із законом всесвітнього тяжіння Ньютона.

Геостаціонарні супутники, як і решта супутників, насправді падають на Землю, але не досягають її поверхні. На них діє сила тяжіння до Землі (гравітаційна сила), спрямована до її центру, а у зворотному напрямку на супутник діє відштовхуюча від Землі відцентрова сила (сила інерції), які врівноважують один одного - супутник не відлітає від Землі і не падає на неї точно так само, як цебро, що розкручується на мотузці, залишається на своїй орбіті.

Якби супутник зовсім не рухався, то він упав би на Землю під дією тяжіння до неї, але супутники рухаються, в тому числі і геостаціонарні (геостаціонарні - з кутовою швидкістю рівної кутової швидкості обертання Землі, тобто один оборот за добу, а у супутників нижче орбіт кутова швидкість більша, тобто за добу вони встигають зробити навколо Землі кілька обертів). Лінійна швидкість, що повідомляється супутнику паралельно поверхні Землі при безпосередньому виведенні на орбіту порівняно велика (на низькій навколоземній орбіті - 8 кілометрів на секунду, на геостаціонарній орбіті - 3 кілометри на секунду). Якби не було Землі, то супутник з такою швидкістю летів би по прямій, але наявність Землі змушує супутник падати на неї під дією сили тяжіння, викривляючи траєкторію до Землі, але поверхня Землі не плоска, вона викривлена. На скільки супутник наближається до поверхні Землі, на стільки поверхня Землі йде з-під супутника і, таким чином, супутник постійно знаходиться на тій самій висоті, рухаючись по замкнутій траєкторії. Супутник постійно падає, але ніяк не може впасти.

Отже, всі штучні супутники Землі падають на Землю, але – по замкнутій траєкторії. Супутники перебувають у стані невагомості, як усі падаючі тіла (якщо ліфт у хмарочосі зірветься і почне вільно падати, люди всередині теж будуть у стані невагомості). Космонавти всередині МКС знаходяться у невагомості не тому, що на орбіті не діє сила тяжіння до Землі (вона там майже така сама як і на поверхні Землі), а тому, що МКС вільно падає на Землю – по замкнутій круговій траєкторії.