Как запускают спутник. Любительская космонавтика Как запускается спутник на орбиту
«Человек должен подняться над Землей - в атмосферу и за ее пределы - ибо только так он полностью поймет мир, в котором живет».
Сократ сделал это наблюдение за века до того, как люди успешно вывели объект на земную орбиту. И все же древнегреческий философ, кажется, понял, насколько ценным может быть вид из космоса, хотя совершенно не знал, как этого достичь.
Этому понятию - о том, как вывести объект «в атмосферу и за ее пределы» - пришлось ждать до тех пор, пока Исаак Ньютон не опубликовал свой знаменитый мысленный эксперимент с пушечным ядром в 1729 году. Выглядит он примерно так:
«Представьте, что вы поместили пушку на вершину горы и выстрелили из нее горизонтально. Пушечное ядро будет путешествовать параллельно поверхности Земли некоторое время, но в конечном счете уступит силе тяжести и упадет на Землю. Теперь представьте, что вы продолжаете добавлять порох в пушку. С дополнительными взрывами ядро будет путешествовать дальше и дальше, пока не упадет. Добавьте нужное количество пороха и придайте ядру правильное ускорение, и оно будет постоянно лететь вокруг планеты, всегда падая в гравитационном поле, но никогда не достигая земли».
В октябре 1957 года Советский Союз наконец подтвердил догадку Ньютона, запустив «Спутник-1» - первый искусственный спутник на орбите Земли. Это инициировало космическую гонку и многочисленные запуски объектов, которым предназначалось летать вокруг Земли и других планет Солнечной системы. С момента запуска «Спутника» некоторые страны, по большей части США, Россия и Китай, запустили более 3000 спутников в космос. Некоторые из этих сделанными людьми объектов, например МКС, большие. Другие отлично умещаются в небольшом сундучке. Благодаря спутникам мы получаем прогнозы погоды, смотрим телевизор, сидим в Интернете и звоним по телефону. Даже те спутники, работу которых мы не ощущаем и не видим, отлично служат в пользу военных.
Конечно, запуск и эксплуатация спутников привели к проблемам. Сегодня, учитывая более 1000 рабочих спутников на земной орбите, наш ближайший космический район стал оживленнее, чем крупный город в час пик. Приплюсуйте к этому нерабочее оборудование, заброшенные спутники, части аппаратного обеспечения и фрагменты от взрывов или столкновений, которые наполняют небеса вместе с полезным оборудованием. Этот орбитальный мусор, о котором мы , накапливался на протяжении многих лет и представляет серьезную угрозу для спутников, в настоящее время кружащим вокруг Земли, а также для будущих пилотируемых и непилотируемых запусков.
В этой статье мы залезем в кишки обычного спутника и заглянем в его глаза, чтобы увидеть виды нашей планеты, о которых Сократ и Ньютон не могли и мечтать. Но сначала давайте подробнее разберемся, чем, собственно, спутник отличается от других небесных объектов.
- это любой объект, который движется по кривой вокруг планеты. Луна - это естественный спутник Земли, также рядом с Землей находится множество спутников, сделанных руками человека, так сказать, искусственных. Путь, по которому следует спутник, это орбита, иногда принимающая форму окружности.
Чтобы понять, почему спутники движутся таким образом, мы должны навестить нашего друга Ньютона. Он предположил, что сила гравитации существует между двумя любыми объектами во Вселенной. Если бы этой силы не было, спутники, летящие вблизи планеты, продолжали бы свое движение с одной скоростью и в одном направлении - по прямой. Эта прямая - инерционный путь спутника, который, однако, уравновешивается сильным гравитационным притяжением, направленным к центру планеты.
Иногда орбита спутника выглядит как эллипс, приплюснутый круг, который проходит вокруг двух точек, известных как фокусы. В этом случае работают все те же законы движения, разве что планеты расположены в одном из фокусов. В результате, чистая сила, приложенная к спутнику, не проходит равномерно по всему его пути, и скорость спутника постоянно меняется. Он движется быстро, когда находится ближе всего к планете - в точке перигея (не путать с перигелием), и медленнее, когда находится дальше от планеты - в точке апогея.
Спутники бывают самых разных форм и размеров и выполняют самые разнообразные задачи.
- Метеорологические спутники помогают метеорологам прогнозировать погоду или видеть, что происходит с ней в данный момент. Геостационарный эксплуатационный экологический спутник (GOES) представляет хороший пример. Эти спутники обычно включают камеры, которые демонстрируют погоду Земли.
- Спутники связи позволяют телефонным разговорам ретранслироваться через спутник. Наиболее важной особенностью спутника связи является транспондер - радио, которое получает разговор на одной частоте, а после усиливает его и передает обратно на Землю на другой частоте. Спутник обычно содержит сотни или тысячи транспондеров. Спутники связи, как правило, геосинхронные (об этом позже).
- Телевизионные спутники передают телевизионные сигналы из одной точки в другую (по аналогии со спутниками связи).
- Научные спутники, как некогда космический телескоп Хаббла, выполняют все виды научных миссий. Они наблюдают за всем — от солнечных пятен до гамма-лучей.
- Навигационные спутники помогают летать самолетам и плавать кораблям. GPS NAVSTAR и спутники ГЛОНАСС - яркие представители.
- Спасательные спутники реагируют на сигналы бедствия.
- Спутники наблюдения за Землей отмечают изменения — от температуры до ледяных шапок. Наиболее известные - серия Landsat.
Военные спутники также находятся на орбите, но большая часть их работы остается тайной. Они могут ретранслировать зашифрованные сообщения, осуществлять наблюдение за ядерным оружием, передвижениями противника, предупреждать о запусках ракет, прослушивать сухопутное радио, осуществлять радиолокационную съемку и картографирование.
Когда были изобретены спутники?
Возможно, Ньютон в своих фантазиях и запускал спутники, но прежде чем мы на самом деле совершили этот подвиг, прошло немало времени. Одним из первых визионеров был писатель-фантаст Артур Кларк. В 1945 году Кларк предположил, что спутник может быть размещен на орбите так, что будет двигаться в том же направлении и с той же скоростью, что и Земля. Так называемые геостационарные спутники можно было бы использовать для связи.
Ученые не понимали Кларка - до 4 октября 1957 года. Тогда Советский Союз запустил «Спутник-1», первый искусственный спутник, на орбиту Земли. «Спутник» был 58 сантиметров в диаметре, весил 83 килограмма и был выполнен в форме шарика. Хотя это было замечательное достижение, содержание «Спутника» было скудным по сегодняшним меркам:
- термометр
- батарея
- радиопередатчик
- газообразный азот, который был под давлением внутри спутника
На внешней стороне «Спутника» четыре штыревые антенны передавали на коротковолновой частоте выше и ниже нынешнего стандарта (27 МГц). Станции слежения на Земле поймали радиосигнал и подтвердили, что крошечный спутник пережил запуск и успешно вышел на курс вокруг нашей планеты. Месяцем позже Советский Союз запустил на орбиту «Спутник-2». Внутри капсулы была собака Лайка.
В декабре 1957 года, отчаянно пытаясь идти в ногу со своими противниками по холодной войне, американские ученые попытались вывести спутник на орбиту вместе с планетой Vanguard. К сожалению, ракета разбилась и сгорела еще на стадии взлета. Вскоре после этого, 31 января 1958 года, США повторили успех СССР, приняв план Вернера фон Брауна, который заключался в выводе спутника Explorer-1 с ракетой U.S. Redstone. Explorer-1 нес инструменты для обнаружения космических лучей и обнаружил в ходе эксперимента Джеймса Ван Аллена из Университета Айовы, что космических лучей гораздо меньше, чем ожидалось. Это привело к открытию двух тороидальных зон (в конечном счете названных в честь Ван Аллена), наполненных заряженными частицами, захваченными магнитным полем Земли.
Воодушевленные этими успехами, некоторые компании начали разрабатывать и запускать спутники в 60-х годах. Одной из них была Hughes Aircraft вместе со звездным инженером Гарольдом Розеном. Розен возглавил команду, которая воплотила идею Кларка - спутник связи, размещенный на орбите Земли таким образом, что мог отражать радиоволны из одного места в другое. В 1961 году NASA заключило контракт с Hughes, чтобы построить серию спутников Syncom (синхронная связь). В июле 1963 года Розен и его коллеги увидели, как Syncom-2 взлетел в космос и вышел на грубую геосинхронную орбиту. Президент Кеннеди использовал новую систему, чтобы поговорить с премьер-министром Нигерии в Африке. Вскоре взлетел и Syncom-3, который на самом деле мог транслировать телевизионный сигнал.
Эпоха спутников началась.
Какая разница между спутником и космическим мусором?
Технически, спутник это любой объект, который вращается вокруг планеты или меньшего небесного тела. Астрономы классифицируют луны как природные спутники, и на протяжении многих лет они составили список из сотен таких объектов, обращающихся вокруг планет и карликовых планет нашей Солнечной системы. К примеру, насчитали 67 лун Юпитера. И до сих пор .
Техногенные объекты, вроде «Спутника» и Explorer, также можно классифицировать как спутники, поскольку они, как и луны, вращаются вокруг планеты. К сожалению, человеческая активность привела к тому, что на орбите Земли оказалось огромное количество мусора. Все эти куски и обломки ведут себя как и крупные ракеты - вращаются вокруг планеты на высокой скорости по круговому или эллиптическому пути. В строгом толковании определения можно каждый такой объект определить как спутник. Но астрономы, как правило, считают спутниками те объекты, которые выполняют полезную функцию. Обломки металла и другой хлам попадают в категорию орбитального мусора.
Орбитальный мусор поступает из многих источников:
- Взрыв ракеты, который производит больше всего хлама.
- Астронавт расслабил руку - если астронавт ремонтирует что-то в космосе и упускает гаечный ключ, тот потерян навсегда. Ключ выходит на орбиту и летит со скоростью около 10 км/с. Если он попадет в человека или в спутник, результаты могут быть катастрофическими. Крупные объекты, вроде МКС, представляют собой большую мишень для космического мусора.
- Выброшенные предметы. Части пусковых контейнеров, шапки объективов камер и так далее.
NASA вывело специальный спутник под названием LDEF для изучения долгосрочных эффектов от столкновения с космическим мусором. За шесть лет инструменты спутника зарегистрировали около 20 000 столкновений, некоторые из которых были вызваны микрометеоритами, а другие орбитальным мусором. Ученые NASA продолжают анализировать данные LDEF. А вот в Японии уже гигантскую сеть для отлова космического мусора.
Что внутри обычного спутника?
Спутники бывают разных форм и размеров и выполняют множество различных функций, однако все, в принципе, похожи. Все они имеют металлический или композитный каркас и тело, которое англоязычные инженеры называют bus, а русские - космической платформой. Космическая платформа собирает все вместе и обеспечивает достаточно мер, чтобы инструменты пережили запуск.
У всех спутников есть источник питания (обычно солнечные батареи) и аккумуляторы. Массивы солнечных батарей позволяют заряжать аккумуляторы. Новейшие спутники включают и топливные элементы. Энергия спутников очень дорога и крайне ограничена. Ядерные элементы питания обычно используются для отправки космических зондов к другим планетам.
У всех спутников есть бортовой компьютер для контроля и мониторинга различных систем. У всех есть радио и антенна. Как минимум, у большинства спутников есть радиопередатчик и радиоприемник, поэтому экипаж наземной команды может запросить информацию о состоянии спутника и наблюдать за ним. Многие спутники позволяют массу различных вещей: от изменения орбиты до перепрограммирования компьютерной системы.
Как и следовало ожидать, собрать все эти системы воедино - непростая задача. Она занимает годы. Все начинается с определения цели миссии. Определение ее параметров позволяет инженерам собрать нужные инструменты и установить их в правильном порядке. Как только спецификация утверждена (и бюджет), начинается сборка спутника. Она происходит в чистой комнате, в стерильной среде, что позволяет поддерживать нужную температуру и влажность и защищать спутник во время разработки и сборки.
Искусственные спутники, как правило, производятся на заказ. Некоторые компании разработали модульные спутники, то есть конструкции, сборка которых позволяет устанавливать дополнительные элементы согласно спецификации. К примеру, у спутников Boeing 601 было два базовых модуля - шасси для перевозки двигательной подсистемы, электроника и батареи; и набор сотовых полок для хранения оборудования. Эта модульность позволяет инженерам собирать спутники не с нуля, а с заготовки.
Как спутники запускаются на орбиту?
Сегодня все спутники выводятся на орбиту на ракете. Многие перевозят их в грузовом отделе.
В большинстве запусков спутников запуск ракеты происходит прямо вверх, это позволяет быстрее провести ее через толстый слой атмосферы и минимизировать расход топлива. После того, как ракета взлетает, механизм управления ракеты использует инерциальную систему наведения для расчета необходимых корректировок сопла ракеты, чтобы обеспечить нужный наклон.
После того как ракета выходит в разреженный воздух, на высоту около 193 километров, система навигации выпускает небольшие ракетки, чего достаточно для переворота ракеты в горизонтальное положение. После этого выпускается спутник. Небольшие ракеты выпускаются снова и обеспечивают разницу в расстоянии между ракетой и спутником.
Орбитальная скорость и высота
Ракета должна набрать скорость в 40 320 километров в час, чтобы полностью сбежать от земной гравитации и улететь в космос. Космическая скорость куда больше, чем нужно спутнику на орбите. Они не избегают земной гравитации, а находятся в состоянии баланса. Орбитальная скорость - это скорость, необходимая для поддержания баланса между гравитационным притяжением и инерциальным движением спутника. Это примерно 27 359 километров в час на высоте 242 километра. Без гравитации инерция унесла бы спутник в космос. Даже с гравитацией, если спутник будет двигаться слишком быстро, его унесет в космос. Если спутник будет двигаться слишком медленно, гравитация притянет его обратно к Земле.
Орбитальная скорость спутника зависит от его высоты над Землей. Чем ближе к Земле, тем быстрее скорость. На высоте в 200 километров орбитальная скорость составляет 27 400 километров в час. Для поддержания орбиты на высоте 35 786 километров спутник должен обращаться со скорость 11 300 километров в час. Эта орбитальная скорость позволяет спутнику делать один облет в 24 часа. Поскольку Земля также вращается 24 часа, спутник на высоте в 35 786 километров находится в фиксированной позиции относительно поверхности Земли. Эта позиция называется геостационарной. Геостационарная орбита идеально подходит для метеорологических спутников и спутников связи.
В целом, чем выше орбита, тем дольше спутник может оставаться на ней. На низкой высоте спутник находится в земной атмосфере, которая создает сопротивление. На большой высоте нет практически никакого сопротивления, и спутник, как луна, может находиться на орбите веками.
Типы спутников
На земле все спутники выглядят похоже - блестящие коробки или цилиндры, украшенные крыльями из солнечных панелей. Но в космосе эти неуклюжие машины ведут себя совершенно по-разному в зависимости от траектории полета, высоты и ориентации. В результате, классификация спутников превращается в сложное дело. Один из подходов - определение орбиты аппарата относительно планеты (обычно Земли). Напомним, что существует две основных орбиты: круговая и эллиптическая. Некоторые спутники начинают по эллипсу, а потом выходят на круговую орбиту. Другие движутся по эллиптическому пути, известному как орбита «Молния». Эти объекты, как правило, кружат с севера на юг через полюсы Земли и завершают полный облет за 12 часов.
Полярно-орбитальные спутники также проходят через полюсы с каждым оборотом, хотя их орбиты менее эллиптические. Полярные орбиты остаются фиксированными в космосе, в то время как вращается Земля. В результате, большая часть Земли проходит под спутником на полярной орбите. Поскольку полярные орбиты дают прекрасный охват планеты, они используются для картографирования и фотографии. Синоптики также полагаются на глобальную сеть полярных спутников, которые облетают наш шар за 12 часов.
Можно также классифицировать спутники по их высоте над земной поверхностью. Исходя из этой схемы, есть три категории:
- Низкая околоземная орбита (НОО) - НОО-спутники занимают область пространства от 180 до 2000 километров над Землей. Спутники, которые движутся близко к поверхности Земли, идеально подходят для проведения наблюдений, в военных целях и для сбора информации о погоде.
- Средняя околоземная орбита (СОО) - эти спутники летают от 2000 до 36 000 км над Землей. На этой высоте хорошо работают навигационные спутники GPS. Примерная орбитальная скорость - 13 900 км/ч.
- Геостационарная (геосинхронная) орбита - геостационарные спутники двигаются вокруг Земли на высоте, превышающей 36 000 км и на той же скорости вращения, что и планета. Поэтому спутники на этой орбите всегда позиционируются к одному и тому же месту на Земле. Многие геостационарные спутники летают по экватору, что породило множество «пробок» в этом регионе космоса. Несколько сотен телевизионных, коммуникационных и погодных спутников используют геостационарную орбиту.
И наконец, можно подумать о спутниках в том смысле, где они «ищут». Большинство объектов, отправленных в космос за последние несколько десятилетий, смотрят на Землю. У этих спутников есть камеры и оборудование, которое способно видеть наш мир в разных длинах волн света, что позволяет насладиться захватывающим зрелищем в ультрафиолетовых и инфракрасных тонах нашей планеты. Меньше спутников обращают свой взгляд к пространству, где наблюдают за звездами, планетами и галактиками, а также сканируют объекты вроде астероидов и комет, которые могут столкнуться с Землей.
Известные спутники
До недавнего времени спутники оставались экзотическими и сверхсекретными приборами, которые использовались в основном в военных целях для навигации и шпионажа. Теперь они стали неотъемлемой частью нашей повседневной жизни. Благодаря им, мы узнаем прогноз погоды (хотя синоптики ой как часто ошибаются). Мы смотрим телевизоры и работаем с Интернетом также благодаря спутникам. GPS в наших автомобилях и смартфонах позволяет добраться до нужного места. Стоит ли говорить о неоценимом вкладе телескопа «Хаббл» и работы космонавтов на МКС?
Однако есть настоящие герои орбиты. Давайте с ними познакомимся.
- Спутники Landsat фотографируют Землю с начала 1970-х годов, и по части наблюдений за поверхностью Земли они рекордсмены. Landsat-1, известный в свое время как ERTS (Earth Resources Technology Satellite) был запущен 23 июля 1972 года. Он нес два основных инструмента: камеру и многоспектральный сканер, созданный Hughes Aircraft Company и способный записывать данные в зеленом, красном и двух инфракрасных спектрах. Спутник делал настолько шикарные изображения и считался настолько успешным, что за ним последовала целая серия. NASA запустило последний Landsat-8 в феврале 2013 года. На этом аппарате полетели два наблюдающих за Землей датчика, Operational Land Imager и Thermal Infrared Sensor, собирающие многоспектральные изображения прибрежных регионов, полярных льдов, островов и континентов.
- Геостационарные эксплуатационные экологические спутники (GOES) кружат над Землей на геостационарной орбите, каждый отвечает за фиксированную часть земного шара. Это позволяет спутникам внимательно наблюдать за атмосферой и выявлять изменения погодных условий, которые могут привести к торнадо, ураганам, паводкам и грозовым штормам. Также спутники используются для оценки сумм осадков и накопления снегов, измерения степени снежного покрова и отслеживания передвижений морского и озерного льда. С 1974 года на орбиту было выведено 15 спутников GOES, но одновременно за погодой наблюдают только два спутника GOES «Запад» и GOES «Восток».
- Jason-1 и Jason-2 сыграли ключевую роль в долгосрочном анализе океанов Земли. NASA запустило Jason-1 в декабре 2001 года, чтобы заменить им спутник NASA/CNES Topex/Poseidon, который работал над Землей с 1992 года. На протяжении почти тринадцати лет Jason-1 измерял уровень моря, скорость ветра и высоту волн более 95 % свободных от льда земных океанов. NASA официально списало Jason-1 3 июля 2013 года. В 2008 году на орбиту вышел Jason-2. Он нес высокоточные инструменты, позволяющие измерять дистанцию от спутника до поверхности океана с точностью в несколько сантиметров. Эти данные, помимо ценности для океанологов, предоставляют обширный взгляд на поведение мировых климатических паттернов.
Сколько стоят спутники?
После «Спутника» и Explorer, спутники стали больше и сложнее. Возьмем, к примеру, TerreStar-1, коммерческий спутник, который должен был обеспечить передачу мобильных данных в Северной Америке для смартфонов и подобных устройств. Запущенный в 2009 году TerreStar-1 весил 6910 килограмм. И будучи полностью развернутым, он раскрывал 18-метровую антенну и массивные солнечные батареи с размахом крыльев в 32 метра.
Строительство такой сложной машины требует массы ресурсов, поэтому исторически только правительственные ведомства и корпорации с глубокими карманами могли войти в спутниковый бизнес. Большая часть стоимости спутника лежит в оборудовании - транспондерах, компьютерах и камерах. Обычный метеорологический спутник стоит около 290 миллионов долларов. Спутник-шпион обойдется на 100 миллионов долларов больше. Добавьте к этому стоимость содержания и ремонта спутников. Компании должны платить за пропускную полосу спутника так же, как владельцы телефонов платят за сотовую связь. Обходится иногда это более чем в 1,5 миллиона долларов в год.
Другим важным фактором является стоимость запуска. Запуск одного спутника в космос может обойтись от 10 до 400 миллионов долларов, в зависимости от аппарата. Ракета Pegasus XL может поднять 443 килограмма на низкую околоземную орбиту за 13,5 миллиона долларов. Запуск тяжелого спутника потребует большей подъемной силы. Ракета Ariane 5G может вывести на низкую орбиту 18 000-килограммовый спутник за 165 миллионов долларов.
Несмотря на затраты и риски, связанные с постройкой, запуском и эксплуатацией спутников, некоторые компании сумели построить целый бизнес на этом. К примеру, Boeing. В 2012 году компания доставила в космос около 10 спутников и получила заказы на более чем семь лет, что принесло ей почти 32 миллиарда долларов дохода.
Будущее спутников
Спустя почти пятьдесят лет после запуска «Спутника», спутники, как и бюджеты, растут и крепнут. США, к примеру, потратили почти 200 миллиардов долларов с начала военной спутниковой программы и теперь, несмотря на все это, обладает флотом стареющих аппаратов, ожидающих своей замены. Многие эксперты опасаются, что строительство и развертывание крупных спутников просто не может существовать на деньги налогоплательщиков. Решением, которое может перевернуть все с ног на голову, остаются частные компании, вроде SpaceX, и другие, которых явно не постигнет бюрократический застой, как NASA, NRO и NOAA.
Другое решение - сокращение размера и сложности спутников. Ученые Калтеха и Стэнфордского университета с 1999 года работают над новым типом спутника CubeSat, в основе которого лежат строительные блоки с гранью в 10 сантиметров. Каждый куб содержит готовые компоненты и может объединиться с другими кубиками, чтобы повысить эффективность и снизить нагрузку. Благодаря стандартизации дизайна и сокращению расходов на создание каждого спутника с нуля, один CubeSat может стоить всего 100 000 долларов.
В апреле 2013 года NASA решила проверить этот простой принцип и три CubeSat на базе коммерческих смартфонов. Цель состояла в том, чтобы вывести микроспутники на орбиту на короткое время и сделать несколько снимков на телефоны. Теперь агентство планирует развернуть обширную сеть таких спутников.
Будучи большими или маленькими, спутники будущего должны быть в состоянии эффективно сообщаться с наземными станциями. Исторически сложилось так, что NASA полагалось на радиочастотную связь, но РЧ достигла своего предела, поскольку возник спрос на большую мощность. Чтобы преодолеть это препятствие, ученые NASA разрабатывают систему двусторонней связи на основе лазеров вместо радиоволн. 18 октября 2013 года ученые впервые запустили лазерный луч для передачи данных с Луны на Землю (на расстоянии 384 633 километра) и получили рекордную скорость передачи в 622 мегабита в секунду.
И частные компании, и некоммерческие организации, и отдельные энтузиасты всё чаще собирают деньги на космические проекты через краудфандинговые платформы. Рассказываем о наиболее интересных идеях.
Увидеть следы «Аполлонов»
Вопрос, были ли американцы на Луне, волнует огромное число людей по всему миру. А уж россиян — особенно.
Четыре года назад известный популяризатор космонавтики, блогер Виталий Егоров предложил получить ответ на «проклятый» вопрос самым что ни на есть прямым способом — отправить на орбиту Луны спутник, который сфотографирует места посадки «Аполлонов». Всего их, напомним, было шесть, и в окрестностях должно сохраниться много следов астронавтов, оставленных ими артефактов (вплоть до луномобилей), да и просто мусора.
«Сейчас на орбиту чуть ли не каждый месяц запускают частные и студенческие спутники, — рассказал Виталий Егоров на недавней презентации проекта, проходившей в Музее космонавтики. — Мы решили замахнуться на что-нибудь посложнее. А это Луна. Как известно, общество волнуют два вопроса: существуют ли инопланетяне и были ли американцы на Луне. Я лично не сомневаюсь, что американцы на Луне были. С инопланетянами непонятно, но мы их отложили на потом, а пока решили сконцентрироваться на более реальной цели».
В октябре 2015 года Егоров объявил о сборе средств на постройку «народного» микроспутника. Тогда менее чем за три дня блогер со своей командой собрал свыше миллиона рублей. Первая версия космического аппарата была весьма скромной — с небольшим двигателем и солнечными батареями. Но затем, изучив все нюансы предстоящей миссии, участники проекта были вынуждены увеличить массу спутника, добавить ему полноценный жидкостный двигатель и мощную антенну. Зонд оснастят фотоаппаратурой, которая сделает очень чёткие снимки: каждый пиксель будет соответствовать 25 см поверхности Луны.
С 2015 года аппарат всячески упрощали, и нынешняя его версия — уже четвёртая. Но чтобы построить спутник, средств понадобится примерно в тысячу раз больше, чем было собрано с помощью краудфандинга. Участники рассчитывают на разные варианты финансирования — на частных спонсоров, рекламные контракты, а также на помощь со стороны общества, бизнеса и государства.
«Если сегодня к нам придёт потенциальный спонсор и подарит грузовик, наполненный деньгами, мы сможем подготовить аппарат и доставить его на Байконур или Восточный в ближайшие три года, — отметил Виталий Егоров. — Когда его запустят, будет зависеть от того, какие ракеты окажутся доступны. Но на этот запуск будут смотреть все, ведь людей, верящих в лунный заговор, хватает».
На что скидываются на Западе?
Первым космическим проектом англоязычной краудфандинговой платформы Kickstarter была предпринятая девять лет назад попытка запустить в атмосферу очень большой воздушный шар, чтобы сфотографировать Землю с высоты 40 км (это уже считается ближним космосом). Удалось собрать 296 долларов.
Наиболее шумной кампанией сбора средств на той же платформе стоит признать Arkyd-100. Это проект «космического телескопа для всех». О нём в 2013 году объявила фирма Planetary Resources, которая намеревалась заняться добычей полезных ископаемых на астероидах. В общей сложности было собрано более 1,5 млн долларов. Жертвователям обещали «космические селфи» на борту телескопа и съемку астрономических объектов по желанию. Однако в 2016 году было объявлено, что запуск телескопа не состоится. Деньги должны были вернуть.
10 фантастических снимков телескопа «Хаббл»
Ещё одна компания собирается отправить на Луну космический зонд, чтобы он просверлил скалы на её Южном полюсе. Уже привлечено более миллиона долларов. А некоммерческое «Планетарное общество» (Planetary Society) 10 лет собирало средства на миссию крошечного спутника с солнечным парусом LightSail. Цель проекта была проста — показать, что создание такого космического аппарата в принципе возможно. Его стоимость оценивалась в 1,8 млн долларов, и эти деньги, в конце концов, были собраны. 25 июня 2019 года солнечный парусник отправился на орбиту.
Среди других космических проектов, получивших финансирование от интернет-общественности, можно упомянуть SkyCube (сверхмалый спутник, «надувающий» блестящий воздушный шар, видимый с Земли), KickSat (на орбите он должен выпустить рой крохотных спутников размером с почтовую марку) и Plasma Jet Electric Thrusters (плазменный двигатель, который найдёт применение в космонавтике будущего).
...и на что — у нас?
В России тоже собирали деньги на запуск стратосферного зонда. Автор идеи — спасатель и фотограф Денис Ефремов . Сначала он вместе с другом отправил в стратосферу видеокамеру в честь юбилея полёта Юрия Гагарина . А затем объявил о сборе средств на запуск стратостата. Достигнув критического размера на большой высоте, этот шар должен лопнуть, а платформа с оборудованием — спуститься на парашюте.
«Моя цель — устроить детский научный фестиваль на базе крупной образовательной программы, — сообщал Денис Ефремов. — Ядро проекта — запуски в ближний космос на высоту до 40 км. Отправить что-то своё в космос, следить за полётом, искать место приземления и снова взять в руки то, что побывало „там“, — это чудо! Дети получают стимул интересоваться наукой. Они своими глазами видят и могут придумать сами, как применить знания на практике. И, наконец, запуск и поиски платформы на природе — это настоящее приключение, которое вытащит из соцсетей любого школьника!»
Проект стал успешным. Планировалось собрать 140 тыс. рублей, в итоге удалось привлечь 155 тыс.
В 2014 году группа энтузиастов создала сообщество «Твой сектор космоса», которое впервые на практике доказало, что в России любители космонавтики могут запустить на орбиту свой собственный космический аппарат. Им стал спутник «Маяк». Cредства собирали методом краудфандинга за две кампании, в 2014 и 2016 годах. Всего собрали около 2,5 млн рублей. Непосредственно на создание лётного экземпляра аппарата, его дублёра и их испытания ушло порядка 1 млн рублей.
«Мы показали, что можно придумать спутник вместе с друзьями, без огромных заводов и сложных лабораторий построить его и запустить в самый настоящий космос, — делится впечатлениями руководитель проекта Александр Шаенко , инженер и кандидат технических наук. — Идея была в том, чтобы создать яркий светящийся объект, видимый невооруженным глазом».
Было решено снабдить спутник солнечным отражателем в виде пирамиды из металлизированной плёнки, который после выхода на орбиту должен развернуться. «Маяк» должен был почти на месяц стать самой яркой мерцающей звездой на ночном небе. Аппарат запустили 14 июля 2017 года с космодрома «Байконур» и успешно вывели на орбиту одновременно с 72 другими спутниками. К сожалению, отражатель так и не раскрылся. Вместе с «Маяком» отказали ещё 9 спутников, запущенных на ракете-носителе.
Вторым проектом сообщества «Твой сектор космоса» стал фотобиореактор для выращивания микроскопических зелёных водорослей. Его назвали 435nm. В дальнейшем на основе созданной установки планируется построить космическую систему жизнеобеспечения и испытать её в орбитальном полёте.
«Россия наряду с другими странами участвует в марсианской гонке, и мы заинтересованы в том, чтобы наша страна вышла из неё победителем, — говорит Александр Шаенко. — Одна из важных частей проекта по освоению Красной планеты — разработка космических кораблей, а для них необходимы технологии жизнеобеспечения. Поэтому в нашем сообществе и зародился проект биореактора 435nm».
Сбор средств завершили в марте 2018, команде удалось привлечь 407 тыс. рублей. Был создан прототип, проведены его испытания. Примечательно, что технология найдёт применение не только в космосе, но и на Земле. Такие фотобиореакторы можно будет использовать для очистки стоков или воздуха, выработки сырья для биотоплива и других практических задач.
Запуск спутника в космос ознаменовался новой эрой и стал прорывом в области техники и космонавтики. Необходимость создания спутника определилась ещё в начале двадцатого века. Однако с самого начала на пути запуска спутника в космическое пространство стояло множество проблем, над которыми трудились самые лучшие инженеры и учёные. Эти проблемы были связаны с необходимостью создания двигателей, способных работать в тяжелейших условиях и при этом, они должны быть необычайно мощными. Так же проблемы были связаны с правильным определением траектории движения спутника.
Итак, советские ученые решили поставленные задачи, и 4 октября 1957 года в СССР успешно был запущен искусственный спутник, за движением которого наблюдал весь мир. Это событие стало мировым прорывом и обозначило новый этап, как в науке в целом, так и во всем мире.
Прямая трансляция запуска Союз-Прогресс (миссия к МКС)
Задачи, решаемые спутником
Задачи, решаемые запуском спутника можно определить как следующие:
1. Изучение климата;
Всем известно, какое влияние климат оказывает на сельское хозяйство, на военную инфраструктуру. Благодаря спутникам можно предсказать появление разрушающих стихий, избежать большого количества жертв.
2. Изучение метеоритов;
В космическом пространстве находится огромное количество метеоритов, вес которых достигает нескольких тысяч тонн. Метеориты могут представлять опасность не только для спутников, космических кораблей, но и для людей. Если при пролете метеорита сила трения невелика, то несгоревшая часть способна достигнуть Земли. Диапазон скорости метеоритов достигает от 1220 м/сек до 61000 м/сек.
3. Применение телевизионного вещания;
В настоящее время роль телевидения велика. В 1962 году был запущен первый телевизионный транслятор, благодаря ему мир впервые увидел видеокадры через Атлантику в течение нескольких минут.
4. Система GPS.
Система GPS играет огромную роль почти в каждой сфере нашей жизни. GPS подразделяется на гражданскую и военную. Она представляет собой электромагнитные сигналы, излучаемые в радиоволновом участке спектра антенной, установленной на каждом из спутников. Состоит из 24 спутников, которые находятся на месте орбиты на высоте 20200 км. Время обращения вокруг Земли составляет 12 часов.
Телекоммуникационный спутник “Арабсат-5Б”
Запуск «Союз»
Запуск спутников и выход их на орбиту
Для начала важно обозначит траекторию полета спутника. На первый взгляд, кажется, что логичнее запустить ракету перпендикулярно (по кратчайшему расстоянию до цели), однако, такой вид запуска оказывается невыгодным, как с инженерной точки зрения, так и с экономической. На спутник, запущенный вертикально действуют силы притяжения Земли, которые значительно сносят её от назначенной траектории, и, сила тяги становится равной силе тяжести Земли.
Чтобы избежать падения спутника, сначала, его запускают вертикально, чтобы он смог преодолеть упругие слои атмосферы, такой полет продолжается на протяжении всего 20 км. Далее спутник с помощью автопилота наклоняется и в горизонтальном направлении движется к орбите.
Кроме того, задача инженеров состоит в том, чтобы рассчитать траекторию полета таким образом, чтобы скорость, затрачиваемая на преодоление атмосферных слоёв, а так же на затрату топлива составляли лишь несколько процентов от характеристической скорости.
Немаловажным является и то, в какую сторону запустить спутник. При запуске ракеты в сторону вращения Земли, происходит приращение скорости, которое зависит от местоположения запуска. Например, в экваторе оно является максимальным и составляет 403 м/с.
Орбиты спутников бывают круговыми и эллиптическими. Эллиптической орбита будет являться в том случае, если скорость ракеты будет выше окружной. Точка, находящаяся в ближайшем положении называется перигеем, а наиболее отдаленная апогеем.
Сам запуск ракеты со спутником производится в несколько ступеней. При прекращении работы двигателя первой ступени, угол наклона ракета-носителя составит 45 градусов, на высоте 58 км, затем производится её отделение. В работу включаются двигатели второй ступени, с возрастанием угла наклона. Далее, вторая ступени отделяется на высоте 225 км. Затем, ракета по инерции достигает высоты 480 км и оказывается в точке, находящейся на расстоянии 1125 км от старта. Затем начинает работать двигатели третьей ступени.
Возвращение спутника на землю
Возвращение спутника на Землю сопровождается некоторыми проблемами, связанными с торможением. Торможение может осуществляться двумя способами:
- Благодаря сопротивлению атмосферы. Скорость спутника, вошедшего в верхние слои атмосферы, будет уменьшаться, но из-за аэродинамической формы подскочит рикошетом обратно в космическое пространство. После этого, спутник уменьшит свою скорость и войдет глубже в атмосферу. Так повторится несколько раз. После снижения скорости, спутник будет осуществлять спуск с помощью выдвижных крыльев.
- Автоматический ракетный двигатель. Ракетный двигатель должен быть направлен в сторону противоположную движению искусственного спутника. Плюс данного способа заключается в том, что скорость торможения можно регулировать.
Заключение
Итак, спутники всего за полвека вошли в жизнь человека. Их участие помогает исследовать новые космические пространства. Спутник, как средство бесперебойной связи помогает сделать удобной повседневную жизнь людей. Прокладывающие путь в космические просторы, они помогают сделать нашу жизнь такой, какая она есть сейчас.
Про Дмитрия и его достижение написали несколько интернет-изданий, но радиолюбитель не успел подхватить «звездную болезнь». А вся эта шумиха в СМИ его больше расстраивает, чем радует: «Не герой я никакой, надоели уже, честно говоря». Тем не менее, его достижения по достоинству оценили в профильной организации и уже в ближайшее время Дмитрий может переехать в Москву на работу в ОАО «Российские космические системы».
- Дмитрий, давайте сразу начнем с опровержения или подтверждения слухов: было предложение от РКС?
Ох, не нравится мне эта тема, честно говоря. Я уже начитался и наслушался в свой адрес. То, что я сделал, могут сделать если не все, то многие. А из меня какого-то героя прям сделали. А я не такой. Объясню.
Во-первых не люблю огласки и чем меньше меня знают, тем лучше. Во-вторых, сделали прям такую сенсацию, мол, парень из такой-то деревни принял то и то (причем многие вообще не понимают, о чем речь) и что теперь теперь ему звонили и РКС. Чуть ли не сюжет для кино - провинциала заметили в Москве, и все стали счастливы.
То, чем я занимаюсь, делают люди по всей стране и даже миру. Позвонить могут любому из них. Просто мой случай получил огласку. Безусловно, фото, которое достал я, получить неопытному радиолюбителю было бы тяжело. Причина - в удаленности аппарата, в моем случае из-за удаления от полярного круга аппарат почти был у горизонта.
Я не спорю: у меня большой опыт в приёме, поиске, опознании и реанимировании аппаратов. И принять обычный снимок проблем не составляет. И кто знает о моих возможностях и опыте, тот просто посмеялся. Но от шумихи в Рунете появился определенный шлейф и на зарубежных сайтах. А я ведь сотрудничаю с разными университетами и частными организациями по всему миру и портить репутацию совсем не хочу. Почему именно портить? Потому что люди “в теме” понимают, что я ничего такого особенного не сделал, а шума - будто открыл новое небесное тело в Солнечной системе.
Вот, например, какие заслуги я действительно считаю важными: я опознал легендарный COSMOS 2499 , нашел аппарат WREN и еще парочку других, принимал сигналы с Фобос-Грунт, который так и не улетел, реанимировал аппарат COMPAS (на фото ниже).
На фоне этого получение фото с метеорологического спутника - пустяк.
Прим. авт.: Тут важно добавить, что Дмитрий много раз получал благодарности даже от руководителей государств. Например от президента Литвы, за то, что он стал одним из трех радиолюбителей, получивших сигнал от их первого спутника. Потом была благодарность от руководства Эстонии. Дмитрий не раз проводил сеанс связи с космонавтами на МКС, его личный позывной R4UAB.
Если опять же верить СМИ, то по профессии Вы системный администратор, а по призванию – радиолюбитель. Расскажите о своем детстве, получении образования и выборе профессии.
Я окончил Национальный исследовательский Мордовский государственный университет имени Н.П. Огарева, факультет «Радиотехника». А любовь к радиотехнике мне привил дед. Помню, как он по вечерам паял микросхемы, я начал брать с него пример. Свою первую радиостанцию спаял в 12 лет. И очень гордился, что сделал сам. После её настройки услышал голоса радиолюбителей - больше
10 диапазонов. Поскольку лицензии не было, то мог только слушать голоса. Помню, какой испытывал восторг. Позже были куплены детские рации, мы с другом стали общаться с их помощью. И вот однажды к нам подключился кто-то третий.
С 17 лет я стал работать на заводе и на первую зарплату купил первую в жизни носимую радиостанцию. Получил лицензию, позывной, вышел в эфир и познакомился с рузаевским радиолюбителем.
Будучи консультантом кружка для детей «Юные кулибины», я наладил сотрудничество с наукоградом «Сколково» (компания «Даурия»). Рузаевские школьники-радиотехники собирают информацию о местонахождении морских и речных судов с трех космических спутников и отправляют ее в компанию для последующей обработки. Для детей – это бесценный опыт работы с радиоаппаратурой.
- А как так получилось, что работаете системным администратором?
А теперь подходим к самому интересному – что же Вы такого сложного сделали, что в российских космических системах обратили на Вас внимание?
Я ничего сложного не делал. Любой радиолюбитель, имеющий хоть какой-то опыт, сможет принять снимки с метеорологических спутников.
Если в этих Ваших действиях нет ничего сложного, давайте по шагам распишем порядок действий, чтобы любой желающий мог увидеть Землю из космоса или заглянуть в глубины космического пространства. К каким спутникам в принципе можно подключиться, а к каким нет?
Слово “подключаться” тут не подходит. Мы просто принимаем сигналы, которые идут со спутников, а потом с помощью специального ПО обрабатываем и получаем результат.
Начинающим я рекомендую самое простое оборудование: RTLSDR-приёмник и квадрифилярную антенну. Цена приёмника – 1000 рублей, а антенну можно собрать самому, хотя есть и “магазинные” варианты.
Для отслеживания спутников рекомендую программу Orbitron. А чтобы не запутаться в огромном количестве спутников, где 90% не работают, можете установить обновление с моего сервера , где я веду все рабочие и интересные аппараты.
Частоты работы спутников и их модуляция описана .
Программа для добавления частот в программу Orbitron находится .
Если вы приобрели такой приёмник, то нужно подключить его к программе Orbitron. Как это сделать можно прочитать .
Подключение необходимо для компенсации эффекта Доплера, так как спутник постоянно в движении, поэтому происходит сдвиг частоты.
- Итак, успех зависит от приемника и антенны. Расскажете подробнее про антенну - как собрать и как настроить?
Квадрифилярная спиральная антенна (КСА) является многоэлементной антенной системой, состоящей из нескольких излучателей. Эти излучатели могут быть соединены со схемой питания, которая формирует на входах элементарных излучателей возбуждающие напряжения с требуемыми амплитудами и фазами.
У КСА четыре элемента, каждый из них - спиральный проводник, который возбуждается от вывода полосковой схемы питания. В идеальном случае схема питания создаёт падающие волны с одинаковой амплитудой и со сдвигом фаз на 90 градусов.
Антенна состоит их двух рамок, повёрнутых одна относительно другой на 90 градусов по фазе. Отсюда круговая поляризация и, поскольку элемента два, то усиление 4-5 дБ в зависимости от отношения высота-ширина. А еще антенна изгибается по спирали, как бы наклоняясь, и диаграмма «выпучивается» вверх. На самом деле диаграмма направленности проволочной спиральной рамки распространяется в сторону меньшей петли по аналогии директор-рефлектор, в нашем случае вверх. Если изменить фазирование питания антенны, то диаграмма направленности будет такой же, но полусфера будет обращена вниз. В результате имеем антенну очень подходящую для спутниковой связи Диаграмма её – полусфера, направленная вверх. Крутить не надо, поляризация круговая, да еще и усиление 4 дБ. И полоса пропускания в УКВ-диапазоне очень даже приличная.
Диаграмма направленности квадрифилярной антенны и её усиление:
Общий вид
Настройка антенны сводится к растяжению/сжатию рамок и образки элементов по 2 мм. Правильно собранная антенна почти не нуждается в настройке. Вот несколько советов советов по настройку. Настройку следует производить только на крыше (не в помещении). Основа установки антенны - это диэлектрик. Расстояние до металлических предметов желательно сделать не менее 3 метров.
Обозначения:
TC - луженая медь
FPE - физически вспененный полиэтилен
PVC - поливинилхлорид
DF - двухсторонняя алюминиевая фольга на лавсановой основе
График затухания RG-58 A/U:
Книга «Простая наука»
Пользуясь случаем, напоминаю, что не так давно вышла четвертая книга серии «Простая наука» и научный набор к ней.
Продолжаем наш цикл статей «Все обо всем». В этот раз поговорим о спутниках.
Не так давно спутники были экзотикой и сверх-секретными устройствами. В основном они использовались в военных целях, навигации и шпионаже. Теперь же они является неотъемлемой частью современной жизни. Мы может увидеть их в прогнозировании погоды, телевидении и даже в обычных телефонных звонках. Спутники также часто играют вспомогательную роль в некоторых областях:
- Некоторые газеты и журналы быстры потому, что они отправляют материалы на печать в разные типографии через спутники, чтобы ускорить локальную дистрибьюцию.
- Перед тем как передать сигнал по проводам пользователям кабельного телевидения, компании-провайдеры используют спутники для передачи сигнала.
- В последнее время небывалую популярность преобрели геолокационные возможности, предоставляемые системами GPS и ГЛОНАСС. С помощью них мы может быстрее и точнее добраться до необходимого месяца.
- Товары, которые мы покупаем, доставляются производителями поставщика более эффективно, благодаря логистики с использованием геолокации с помощью GPS и ГЛОНАСС.
- Радиомаяки с упавших самолетов и терпящих бедствие кораблей отправляют через спутник сигналы командам спасения.
Что такое Спутник?
Спутник в общем - это объект, которые вращается вокруг планеты по круговой или эллиптической орбите. Например, Луна - это природный естественный спутник Земли, однако существует еще много сделанных человеком (искусственных) спутников, которые как правило ближе к Земле.Путь по которому следует спутник называется орбитой. Самая далекая от Земли точка орбиты называется апогеем, ближайшая - перигеем.
Искусственные спутники не являются продуктами массового производства. Большинство спутников были специально произведены для выполнения предназначенных им функций. Исключение составляют спутники GPS/ГЛОНАСС (которых около 20 копий для каждой из систем) и спутники системы Iridium (которых больше 60 копий, они используются для передачи голосовой связт).
Существует также около 23 000 объектов, которые являются космическим мусором. Эти объекты имеют достаточный размер для того, чтобы улавливаться радаром. Они либо случайно оказались на орбите, либо исчерпали свою полезность. Точное число зависит от того, кто считает. Полезный груз, который попал на неправильную орбиту, спутники у которых сели батареи и также остатки разгонных блоков ракет - все это составляет космический мусор. Например, этот онлайн каталог спутников насчитывает около 26 000 объектов.
Хотя любой объект на орбите земли вообще-то можно назвать спутником, термин «спутник» обычно используется для описания полезного объекта размещенного на орбите для выполнения некоторых важных задач. Нам часто приходится слышать о погодных спутниках, спутниках связи и научных спутниках.
Чей спутник первым оказался на орбите Земли?
Вообще, самым первым спутником Земли по праву стоит считать Луну:)
Для нашей общей радости, первым искусственным спутником Земли был «Спутник 1», запущенный Советским Союзом 4 октября 1957 года. Ура, товарищи!
Однако, из-за существовавшей в то время строжайшей секретности, в свободном доступе нет фотографий того знаменитого запуска. Спутник-1 имел длину 23-дюйма (58 сантиметров), весил 184 фунта (83 килограмма) и имел форму металлического шара. Однако, для того времени это было важное достижение. Содержимое спутника по современным меркам кажется скудным:
- Термометр
- Батарея
- Радио передатчик - изменял тон своих звуков согласно показаниям термометра
- Азот - создавал давление внутри спутника
После 92 дней, гравитация сделала свое дело и Спутник-1 сгорел в атмосфере Земли. Тридцать дней спустя после запуска Спутник-1, собака Лайка совершила полет на полутонном спутнике с воздухом. Этот спутник сгорел в атмосфере в апреле 1958 года.
Спутник-1 это хороший пример того, каким простым может быть спутник. Как мы увидим дальше, современные спутники гораздо более сложными, но основная идея проста.
Как спутники запускают на орбиту?
Все современные спутники попадают на орбиту с помощью ракет. Некоторые доставлялись на орбиту в грузовом отсеке шаттлов. Возможность запуска спутников на орбиту имеют несколько стран и даже коммерческих компаний, и теперь нет ничего необычного в доставке на орбиту спутника весом несколько тонн.
Для большинства запланированных запусков, ракета как правило располагается вертикально вверх. Это позволяет ей пройти плотные слои атмосферы быстро и с минимальными затратами топлива.
После того, как ракета запущена вертикально вверх, система управления ракетой используется инерциальную систему наведения для управления соплами ракеты и наводит ее на расчетную траекторию. В большинстве случаев ракета направляется на восток, потому что сама Земля вращается на восток, что позволяет добавить ракете «бесплатное» ускорение. Сила такого «бесплатного» ускорения зависит от скорости вращения Земли в месте запуска. Самое большое ускорение - на экваторе, там где расстояние вокруг Земли наибольшее, а следственно и скорость вращения тоже.
Насколько велико ускорение при экваториальном запуске? Для грубой оценки мы можем вычислить длину экватора Земли путем умножения ее диаметра на число пи (3.141592654...). Диаметр земли примерно 12 753 километра. Умножая на пи получаем длину окружности около 40 065 километров. Для прохождения всей окружности в 24 часа точка на поверхности Земли должна двигаться со скоростью 1 669 км/ч. Запуск с Байконура в Казахстане не дает такого большого ускорения от вращения Земли. Скорость вращения Земли в районе Байконура около 1 134 км/ч, а в районе Плесецка вообще 760 км/ч. Таким образом запуск с экватора дает большее «бесплатное» ускорение. Вообще Земля имеет не совсем форму сферы - она приплюснута. Поэтому наша оценка Длины окружности Земли несколько неточна.
Но подождите, скажете Вы, если ракеты способы достигать скоростей в тысячи километров в час, то что даст небольшой прирост? Ответ состоит в том, что ракеты, вместе с топливом и полезным грузом, очень тяжелые. Например, ракета-носитель протон согласно данным википедии имеет стартовую массу 705 тонн. Для ускорения такой массы даже до 1 134 км/ч требуется огромное количество энергии, а следовательно и большой объем топлива. Поэтому запуск с экватора дает ощутимые выгоды.
Когда ракета достигает очень разреженного воздуха на высоте примерно 193 километра, система управления ракетой включает небольшие двигатели, достаточные для поворота ракеты в горизонтальное положение. Затем спутник отделяется от ракеты. Затем ракета снова включает двигатели для обеспечения некоторого разделения ракеты и спутника.
Инерциальный системы наведения
Ракета должна управляться очень точно для выведения спутника на требуемую орбиту, и ошибки в этом деле очень дорого стоят (вспомните неудачи Роскосмоса со спутниками ГЛОНАСС или зондом Фобос-Грунт, которые оказались не на той орбите, на какой следовало бы). Инерциальные системы наведения внутри ракет делают такое управление возможным. Такая система определяет точное положение ракеты и ее направления путем измерения ускорения ракеты с использованием гироскопов и акселерометров. Расположенные в кардановом подвесе , оси гироскопа всегда показывают в одном направлении. Кроме того, платформа гироскопов содержит акселерометры, которые измеряют ускорение в трех разных осях. Если системе управления известно первоначальное местоположение ракеты в момент запуск и ускорения в момент полета, она сможет рассчитать положение ракеты и ориентацию в пространстве.Орбитальная скорость и высота
Ракета должна разогнаться до скорости как минимум 40 320 км/ч (11.2 км/с) чтобы полностью выйти из Земной гравитации и отправиться в космос. Эта скорость называется второй космической скоростью и для разных небесных тел она разная.
Вторая космическая скорость земли куда больше, чем скорость требуемая для помещения спутников на орбиту. Спутникам не требуется выходить из гравитации Земли, им нужно балансировать относительно нее. Орбитальная скорость - это скорость требуемая для достижения равновесия между гравитационным притяжением и инерцией движения спутника. В среднем эта скорость составляет 27 359 км/ч на высоте примерно 242 километра. Без гравитации, инерция спутника будет выталкивать его в космос. Хотя даже если гравитация присутствует, то слишком большая скорость спутника выведет его с орбиты Земли в открытый космос. С другой стороны, если спутник будет двигаться медленно, то под действием гравитации он упадет обратно на Землю. Если спутник будет иметь определенную правильную скорость, то гравитации будет уравновешена инерцией спутника, сила тяжести Земли будет достаточна для того, чтобы спутник двигался по круговой или эллиптической орбите, а не улетел в космос по прямой линии.
Орбитальная скорость спутника зависит от того, на какой высоте последний находится. Чем ближе к Земли - тем больше требуемая скорость. На высоте 200 километров, требуемая орбитальная скорость составляет около 27 400 км/ч. Для поддержания орбиты в 35 786 км, спутник должен двигаться по орбите со скоростью около 11 300 км/ч. Такая орбитальная скорость позволит спутнику сделать один оборот вокруг Земли за 24 часа. Так как сама Земля вращается со скоростью 24 часа, спутник на высоте 35 786 км будет оставаться строго над одной и той же точкой на поверхности Земли. Такая орбита носит название «геостационарная». Геостационарные орбиты идеальны для погодных спутников и спутников связи.
Луна имеет «высоту» относительно Земли 384 400 километров, а ее орбитальная скорость составляет 3 700 км/ч. Она совершает полный оборот по своей орбите за 27.322 дня. Заметьте, что ее орбитальная скорость ниже, потому что она находится дальше искусственных спутников.
Вообщем, чем выше орбита, тем дольше спутник может находится на орбите. На низких высотах, спутник входит в слои атмосферы, которая создает трение. Трение отнимает часть энергии движения спутника, и он попадает в более плотные слои и, падая на Землю, сгорает в атмосфере. На больших высотах, где почти вакуум, трения не возникает и спутник может оставаться на орбите веками (возьмем Луну, например).
Спутники, как правило, сначала имеют эллиптическую орбиту. Наземные станции управления используют небольшие реактивные двигатели спутника для корректировки орбиты. Цель - сделать орбиту круговой настолько, насколько это возможно. Включение реактивного двигателя в апогее орбиты (наиболее удаленная точка), и приложение силы в направлении полета смещают перигей дальше от Земли. В результате орбита приближается по форме к круговой.
Продолжение следует…