Содержание
О спутниках
О спутниках
вернёмся в библиотеку?
«Техника-молодежи» №2-1958 с.5-8
Арий Абрамович ШТЕРНФЕЛЬД, председатель Научно-технического комитета космической навигации секции астронавтики Центрального аэроклуба СССР, родился в 1905 году. Свою научную деятельность он посвятил решению проблемы космических полетов.
Труд А. А. Штернфельда «Введение в космонавтику» удостоен в 1934 году Международной поощрительной премии Комитета астронавтики Французского астрономического общества. В 1956 году вышла в Москве новая книга А. А. Штернфельда «Искусственные спутники Земли»; сейчас подготовлено к печати второе издание ее. Ниже мы публикуем ответы А. А. Штернфельда на вопросы читателей. | На цветной таблице в произвольном масштабе показаны слои атмосферы над нашей планетой, некоторые явления, происходящие в них, и технические средства, используемые для изучения атмосферы. Самый нижний слой — это одеяло Земли — тропосфера. В ней сосредоточено 79% всей массы атмосферы и почти вся атмосферная влага в виде паров, туманов и облаков. Выше находится стратосфера. Характерной особенностью этого слоя является наличие озона — трехатомного кислорода, нагреваемого ультрафиолетовой частью солнечной радиации. От высоты 80 км начинается ионосфера — слой, непрерывно бомбардируемый космическим и солнечным излучениями, а результате которых молекулы газов диссоциируют — расщепляются на атомы, приобретая электрический заряд. Свечением ионизированных частиц объясняются полярные сияния. В стратосфере сгорают метеоры. Справа условно изображено прохождение звуковых волн и радиоколебаний через атмосферу. От нагретого слоя (около 50 км высоты) отражаются звуковые лучи; лучи длинных и средних радиоволн отражаются от слоев ионосферы, расположенных на разных высотах, и только ультракороткие волны уходят в мировое пространство. Слева нарисованы технические средства, предназначенные для детального исследования свойств атмосферы; стратопланы и стратостаты поднимают ученых; выше с приборами поднимаются радиозонды и управляемые ракеты. |
Наконец уже за гранью атмосферы движутся созданные нами спутники Земли, о которых рассказывает сегодня А. А. Штернфельд.А. ШТЕРНФЕЛЬД
О СПУТНИКАХ
1. Как объяснить движение искусственного спутника по круговой орбите? |
— Брошенное горизонтально (на известной высоте) тело движется по дуге эллипса (Э1, Э2, Э3, Э4), имеющего один фокус в центре Земли (О), а другой (О1, О2, О3, О4) ближе к точке бросания. По мере увеличения начальной скорости размеры эллипса увеличиваются, а второй фокус эллипса приближается к центру Земли. При достижении определенной начальной скорости второй фокус тоже совпадает с центром нашей планеты, и эллипс превращается в окружность, движение по которой происходит с постоянной скоростью, равной начальной («круговая скорость»).
2. Известно, что если телу сообщить скорость больше круговой, то оно начинает двигаться по эллиптической орбите. |
Чем такой эллипс отличается от предыдущих?
— В отличие от эллипсов, изображенных на предыдущем рисунке, такой эллипс имеет второй фокус по ту сторону центра нашей планеты, по отношению к точке запуска. По мере увеличения скорости запуска второй фокус удаляется от центра Земли. Вместе с этим поднимается потолок орбиты. Увеличение начальной скорости у поверхности Земли с 7,9 до 10 км/сек поднимет потолок орбиты на 3 земных экваториальных радиуса (орбиты 1 и 2). Дальнейшее увеличение этой скорости на 1 км/сек поднимет потолок на 25 радиусов Земли (орбита 3). При скорости 11,1 км/сек тело будет облетать Луну, оставаясь искусственным спутником Земли (орбита 4).
При скорости 11,2 км/сек («параболическая скорость») второй фокус удаляется в бесконечность, и эллипс разрывается, превращаясь в параболу (орбита 5). Это предельная скорость искусственного спутника: тело удаляется в бесконечность.
3. Какова самая малая скорость движения искусственного спутника по своей орбите? |
— Эта скорость может быть сколь угодно малой и зависит от удаленности апогея: чем дальше от центра Земли расположен апогей орбиты, тем меньше скорость движения спутника.
Самое замедленное движение имеет спутник при прохождении через апогей, а самое быстрое — в перигее (ближайшая к Земле точка орбиты). Отношение между этими величинами напоминает известное правило рычага. Если, например, в перигее скорость спутника равна 5 км/сек, а апогей находится на расстоянии в пять раз большем перигея от центра Земли, то апогейная скорость составляет 1 км/сек (5 км/сек: 5).
4. Одинакова ли средняя скорость движения спутников, имеющих один и тот же период обращения? |
— Нет. Если периоды обращения разных спутников одинаковы, то согласно третьему закону Кеплера большие оси орбит этих спутников также одинаковы. Поскольку же малые оси орбит имеют различные размеры, то средняя орбитальная скорость этих спутников тем меньше, чем более сплюснут эллипс.
5. Как связаны между собой скорости движения спутника по эллипсу и по кругу? |
— При движении спутника по эллиптической орбите его скорость оказывается то больше той скорости, которую он бы имел, если бы двигался по окружности с диаметром, равным большой оси эллипса, то меньше ее.
Если разделить эллипс на две части его малой осью, то скорость спутника больше соответствующей круговой, когда он движется по той половине эллипса, которая ближе к Земле (часть эллипса, находящаяся внутри окружности), и меньше, когда он движется по другой половине (с наружной стороны окружности). Наконец скорости спутника в моменты, когда он проходит через концы малой оси эллипса (точки пересечения эллипса с окружностью), равны круговой скорости.
6. Когда наблюдатель на Земле видит, что два спутника движутся в обратных направлениях, то всегда ли это так? |
— Кажущееся движение двух спутников может происходить и в противоположных направлениях, хотя в действительности направления их движения могут в одном случае совпадать, а в другом быть противоположными.
Рассмотрим, например, два искусственных спутника, движущиеся в направлении вращения Земли, то есть с запада на восток в экваториальной плоскости по круговым орбитам с радиусами 33 800 и 59 400 километров.
Допустим, что в некоторый момент времени оба спутника находились над головой наблюдателя в одной точке неба — в зените. Нижний спутник, имеющий период обращения 17,1 часа, за один час опишет на своей орбите дугу 360°: 17,1 = 21°, а верхний — с периодом обращения 40 часов пройдет за то же время дугу 360° : 40 = 9°. Между тем за этот же час наблюдатель, участвуя в суточном вращении Земли, пройдет в восточном направлении дугу 360° : 24 = 15°. Таким образом, за час нижний спутник обгонит наблюдателя на 21°—15° = 6°, а верхний отстанет от него на 15° — 9° = 6°. Наблюдателю же будет казаться, что спутники движутся на небесной сфере в противоположных направлениях (нижний — на восток, верхний — на запад), проходя каждый 1° за 10 минут.
7. Известно, что движение планет кажется иногда наблюдателю с Земли попятным. Можно ли будет наблюдать такое явление и при движении искусственных спутников? |
— Конечно, но это будет иметь место только в случае запуска спутников на весьма большое апогейное расстояние.
На рисунке и показаны случаи «качающихся» искусственных спутников, то есть спутников, видимое движение которых может быть колебательным: то с запада на восток, то с востока на запад и опять с запада на восток.
На рисунке изображены эллиптические орбиты экваториальных искусственных спутников. Для спутников, вращающихся в первой зоне, кажущееся направление движения будет совпадать с действительным, так как их угловая скорость больше угловой скорости вращения Земли вокруг своей оси. Для других спутников, проходящих частично во второй и третьей зонах, кажущиеся и действительные направления будут совпадать только на части пути. Пока спутник находится вблизи Земли, его угловая скорость сравнительно велика и он кажется движущимся на восток, но по мере приближения спутника к указанной на рисунке межзональной границе видимое движение его по небесной сфере постоянно замедляется. В момент достижения спутником указанной границы он как бы на мгновение останавливается (угловая скорость обращается в нуль), чтобы начать затем двигаться в обратном направлении — с востока на запад.
Последнее движение длится до тех пор, пока спутник вновь достигнет межзональной границы и видимое направление движения изменится.
8. Искусственные спутники Земли могут облетать поверхность всего земного шара за одни сутки. Можно ли будет столь же быстро обследовать поверхность Луны с борта ее искусственного спутника? |
— Поскольку Луна делает одно полное обращение вокруг своей оси примерно за четыре недели, потребовалось бы не менее двух недель для обследования всей ее поверхности с борта спутника в солнечном освещении и отраженном Землей свете. Но можно также применить ускоренный метод, не дожидаясь, чтобы Луна сделала полуоборот вокруг своей оси. Для этого, совершив одно обращение вокруг Луны с выключенным двигателем и обозрев полосу определенной ширины, космонавты смогут, пролетая, например, над полюсом, включить ракетный двигатель, чтобы повернуть плоскость орбиты спутника вокруг оси Луны на определенный угол по отношению к звездам.
Таким образом, при следующем обращении спутника вокруг Луны по новой орбите астронавты увидят совершенно новые территории. Чем больше высота движения спутника, тем шире видимая полоса и тем меньше раз придется менять плоскость орбиты спутника. На рисунке показан такой ускоренный метод обозрения поверхности Луны в случае двукратного изменения плоскости орбиты, расположенной на высоте, равной радиусу Луны. Время обозрения Луны за три полных обращения спутника составляет всего пять с половиной часов. Цифрами отмечено, сколько раз можно со спутника обозреть данную площадь.
9. Как известно, вследствие сопротивления воздуха орбита искусственного спутника постепенно уменьшается. Уменьшается ли орбита равномерно со всех сторон? |
— Нет. Самым резким является это уменьшение в апогее. Как видно на рисунке, в перигее это уменьшение незначительно. Таким образом, эллиптическая орбита постепенно переходит почти в круговую, точнее — в частую спираль, вдоль которой в плотных слоях атмосферы спутник превращается в «падающую звезду».
10. Можно ли будет произвести спуск с искусственного спутника? |
— Да. Например, с помощью миниатюрного ракетного двигателя можно столкнуть со спутника космический планер со сравнительно небольшой скоростью в сторону, противоположную орбитальному движению (точка А). Тогда скорость планера сделается меньше орбитальной, и он по полуэллиптической орбите начнет приближаться к поверхности Земли (полуэллипс АВ). В перигее этой траектории планер войдет в плотные слои атмосферы (точка В на рисунке). Здесь и начинается торможение планера атмосферой. Когда скорость космического планера будет почти погашена и упадет у поверхности примерно до 100 км/сек, он сможет приземлиться подобно обычному планеру (точка С на рисунке).
11. При спуске с искусственного спутника, летящего на большой высоте, скорость вторжения в атмосферу может быть порядка 11 км сек. Не опасно ли это? Не сгорит ли планер? |
— С очень высоко летящего искусственного спутника (точка А) спуск будет происходить несколько иначе, чем в предыдущем случае.
Для облегчения задачи можно разделить операцию торможения на несколько этапов. Космический планер, обогнув Землю в очень разреженных слоях атмосферы (точка В на рисунке), возвращается в межпланетное пространство с уменьшенной скоростью. Вернувшись по эллипсу ВОВ в атмосферу Земли, планер опять замедляет свою скорость. Дальнейшее движение происходит по эллипсу ВСВ, вдоль которого, как и во время движения по предыдущему эллипсу, происходит охлаждение перегретых частей конструкции планера вследствие лучеиспускания. Наконец, пройдя спираль ВЕ, планер приземляется в точке Е.
На следующие вопросы мы попросили ответить тт. КАЗНЕВСКОГО В. П., ИСАКОВА П. К., РАПОПОРТ Т. Л. и ЛУЦКОГО В. К., написавших недавно интересную книгу «СТО ВОПРОСОВ И ОТВЕТОВ ОБ ИСКУССТВЕННЫХ СПУТНИКАХ ЗЕМЛИ» для издательства «Знание».
КАКОВЫ ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ АСТРОНАВТИКИ НА БЛИЖАЙШИЕ ГОДЫ?
Самым трудным было сделать первый шаг в космос. Для этого требовалось достичь скорости 8 км/сек, в то время как современные сверхскоростные самолеты развивают не больше 1 км/сек.
Для полного преодоления земного тяготения потребуется прибавить к круговой скорости всего 3 с небольшим километра в секунду. Это, конечно, значительно проще, чем увеличить скорость с 1 км/сек на 8 км/сек. Поэтому следует ожидать бурного развития астронавтики. Посылка автоматической ракеты на Луну может произойти в ближайшие несколько лет. Полет людей на круговые орбиты и на Луну — это тоже вопрос ближайших десятилетий. Для этого нужно только решить проблему возвращения с искусственного спутника. Полеты на соседние планеты будут осуществлены, как только будет построена атомная ракета, над созданием которой уже сейчас напряженно работают ученые ряда стран. Полеты к звездам — это пока дело далекого будущего, но уже сейчас решен ряд теоретических вопросов такого полета.
При полете в межпланетном пространстве космическому кораблю не потребуются удобообтекаемые формы, свойственные современным самолетам и ракетам.
Внешняя форма межпланетного корабля будет необычной.
Он представит собой ряд шарообразных и цилиндрических корпусов с большими удобными и просторными помещениями для астронавтов. Кабины межпланетного корабля будут более просторными, чем кабины самолета. Ведь при полете, например, на Марс астронавтам придется провести в корабле около одного года.
Межпланетный корабль будет иметь атомный реактивный двигатель и оборудоваться источником электроэнергии с использованием солнечной энергии, иметь надежные средства радиосвязи и совершенную радиолокационную аппаратуру, а также автоматическое управление, которое позволит точно выдерживать заданную траекторию и скорость полета.
После того как около Земли будет создана пересадочная космическая станция в виде искусственного спутника и доставлены на нее части межпланетного корабля, астронавты произведут его сборку. Собранный межпланетный корабль с орбиты искусственного спутника Земли отправится к планетам. Подлетая к планете, корабль затормозит свой полет и превратится сам в искусственного спутника планеты.
От корабля отделится небольшая посадочная «ракета-лодка», которая перенесет астронавтов на планету.
Возвращение на Землю будет происходить в обратном порядке. Отправляясь в обратный путь, посадочная «ракета-лодка» подлетает к поджидающему ее космическому кораблю-спутнику, который забирает астронавтов, включает двигатель и устремляется к искусственному спутнику Земли.
Да, смогут, для этого потребуется прибавить еще одну — самое большее две ступени к ракете, которая забросила на орбиту первые ИСЗ. Так как отношение полезного веса к начальному весу ракеты при этом резко уменьшится, то нужно будет увеличить первые ступени ракеты.
Будущие искусственные спутники Земли обязательно будут использоваться как стартовые площадки для космических кораблей. Они обладают для этого рядом преимуществ.
Во-первых, сила притяжения Земли на спутнике уже частично преодолена, и остается прибавить к скорости спутника всего около 3 км/сек, чтобы ее преодолеть полностью.
Во-вторых, на будущих космических ракетах будут, вероятно, работать атомные, ионные или фотонные двигатели. Запуск таких ракет с поверхности Земли может иметь нежелательные последствия ввиду их радиоактивного действия. Старт же с искусственного спутника позволит избежать действия реактивной струи на земную поверхность и атмосферу.
Ускорения, развиваемые космическими кораблями, стартующими со спутника, могут быть совсем небольшими, и корабль может постепенно набирать скорость, что особенно облегчит работу будущим конструкторам новых типов ракет. В первый период полетов на жидкостных ракетах искусственные спутники можно использовать как станции для заправки топливом. Значение искусственных спутников, как будущих межпланетных вокзалов, безусловно, огромное.
Невесомость, то есть отсутствие веса, возникает после прекращения работы двигателей ракеты-носителя и вывода искусственного спутника Земли на заданную орбиту.
Состояние невесомости длится в течение всего полета спутника в космосе. Во время запусков высотных ракет с помещенными в них животными — обезьянами, мышами, собаками — велись исследования поведения и состояния их внутри ракеты. Было установлено, что в состоянии невесомости у животных нарушается некоторая координация движений, они принимают самые неестественные позы, утрачивают способность захватывать пищу. Однако полет ракеты длится всего лишь несколько минут. Опыт с собакой Лайкой, помещенной на втором спутнике, показал, что при соответствующей тренировке и соответствующем оборудовании — специальной герметической кабины все жизненные функции организма протекают вполне нормально.
Можно сказать, что скорость полета определяет возможности ракеты.
Так, например, если первым советским спутникам придать скорость полета более 8 км/сек, то они смогли бы огибать Землю по все более вытянутым эллиптическим траекториям, среди которых была бы и траектория, огибающая Луну.
При скорости полета несколько больше 11,2 км/сек ракета навсегда удалится по параболической траектории в межпланетное пространство.
При скорости полета более 16 км/сек ракета навсегда покинет нашу солнечную систему и безвозвратно уйдет в космос. Такая скорость называется гиперболической скоростью, при ней ракета движется по гиперболической траектории.
Интересно отметить, что достигнутая первыми советскими спутниками скорость в 8 км/сек намного перекрывает значение круговых и параболических скоростей на поверхности Луны и Марса. На поверхности Луны круговая скорость составляет 1,669 км/сек, а параболическая 2,38 км/сек. На поверхности планеты Марс круговая скорость равна 3,562 км/сек, параболическая — 5,15 км/сек.
Последняя скорость 5,15 км/сек означает, что советская ракета-носитель наверняка могла бы уже сейчас стартовать с планеты Марс и достичь либо Земли, либо планеты Венеры.
«Никогда я не претендовал на полное решение вопроса.
Сначала неизбежно идут: мысль, фантазия, сказка. За ними шествует научный расчет. И уже в конце концов исполнение венчает мысль. Мои работы о космических путешествиях относятся к средней фазе творчества. Более чем кто-нибудь я понимаю бездну, разделяющую идею от ее осуществления, так как в течение моей жизни я не только мыслил и вычислял, но и исполнял, работая также руками. Однако нельзя не быть идее: исполнению предшествует мысль, точному расчету — фантазия».
«Человечество не останется вечно на Земле, но в погоне за светом и пространством сначала робко проникнет за пределы атмосферы, а потом завоюет себе все околосолнечное пространство».
«У нас, в Советском Союзе, много юных летателей — так я именую детей-авиамоделистов, детей-планеристов, юношей на самолетах. Их у нас десятки тысяч. На них я возлагаю самые смелые надежды. Они помогут осуществить мои открытия и подготовят талантливых строителей первого межпланетного корабля.
Герои и смельчаки проложат первые воздушные трассы — Земля — орбита Луны.
Земля — орбита Марса и еще далее: Москва — Луна, Калуга — Марс».
«Все, о чем я говорю, — слабая попытка предвидеть будущее авиации, воздухоплавания и ракетоплавания. В одном я твердо уверен, — первенство будет принадлежать Советскому Союзу».
«Мои труды не пропадут даром, к ним бережно относятся Коммунистическая партия и Советское правительство. Надо только работать, побольше работать. Ради дела можно только жить, и интересно жить!»
Движение искусственных спутников | Физика
В работах Ньютона можно найти замечательный рисунок, показывающий, как можно осуществить переход от простого падения тела по параболе к орбитальному движению тела вокруг Земли (рис. 107). «Брошенный на землю камень,— писал Ньютон,— отклонится под действием тяжести от прямолинейного пути и, описав кривую траекторию, упадет наконец на Землю. Если его бросить с большей скоростью, то он упадет дальше». Продолжая эти рассуждения, нетрудно прийти к выводу, что если бросить камень с высокой горы с достаточно большой скоростью, то его траектория могла бы стать такой, что он вообще никогда не упал бы на Землю, превратившись в ее искусственный спутник.
Минимальная скорость, которую необходимо сообщить телу у поверхности Земли, чтобы превратить его в искусственный спутник, называется первой космической скоростью.
Для запуска искусственных спутников применяют ракеты, поднимающие спутник на заданную высоту и сообщающие ему в горизонтальном направлении требуемую скорость. После этого спутник отделяется от ракеты-носителя и продолжает дальнейшее движение лишь под действием гравитационного поля Земли. (Влиянием Луны, Солнца и других планет мы здесь пренебрегаем.) Ускорение, сообщаемое этим полем спутнику, есть ускорение свободного падения g. С другой стороны, поскольку спутник движется по круговой орбите, это ускорение является центростремительным и поэтому равно отношению квадрата скорости спутника к радиусу его орбиты. Таким образом,
g = v2/r,
откуда
v = √(gr).
Подставляя сюда выражение (43.1), получаем
Мы получили формулу круговой скорости спутника, т. е. такой скорости, которую имеет спутник, двигаясь по круговой орбите радиусом r на высоте h от поверхности Земли.
Чтобы найти первую космическую скорость v1, следует учесть, что она определяется как скорость спутника вблизи поверхности Земли, т. е. когда h << RЗ и r ≈ RЗ. Учитывая это в формуле (45.1), получаем
Подстановка в эту формулу числовых данных приводит к следующему результату:
v1 = 7900 м/с = 7,9 км/с.
Сообщить телу такую огромную скорость впервые удалось лишь в 1957 г., когда в СССР под руководством С. П. Королева был запущен первый в мире искусственный спутник Земли (сокращенно ИСЗ). Запуск этого спутника (рис. 108) — результат выдающихся достижений в области ракетной техники, электроники, автоматического управления, вычислительной техники и небесной механики.
В 1958 г. на орбиту был выведен первый американский спутник «Эксплорер-1», а несколько позже, в 60-х гг., запуски ИСЗ произвели и другие страны: Франция, Австралия, Япония, KHР, Великобритания и др., причем многие спутники были запущены с помощью американских ракет-носителей.
В настоящее время запуск искусственных спутников является привычным делом, и в практике космических исследований уже давно получило широкое распространение международное сотрудничество.
Запускаемые в разных странах спутники могут быть разделены по своему назначению на два класса:
1. Научно-исследовательские спутники. Они предназначены для изучения Земли как планеты, ее верхней атмосферы, околоземного космического пространства, Солнца, звезд и межзвездной среды.
2. Прикладные спутники. Они служат удовлетворению земных нужд народного хозяйства. Сюда относятся спутники связи, спутники для изучения природных ресурсов Земли, метеорологические спутники, навигационные, военные и др.
К ИСЗ, предназначенным для полета людей, относятся пилотируемые корабли-спутники и орбитальные станции.
Помимо работающих спутников на околоземных орбитах обращаются вокруг Земли и так называемые вспомогательные объекты: последние ступени ракет-носителей, головные обтекатели и некоторые другие детали, отделяемые от ИСЗ при выводе их на орбиты.
Заметим, что из-за огромного сопротивления воздуха вблизи поверхности Земли спутник не может быть запущен слишком низко. Например, на высоте 160 км он способен совершить всего лишь один оборот, после чего снижается и сгорает в плотных слоях атмосферы. По этой причине первый искусственный спутник Земли, выведенный на орбиту на высоте 228 км, просуществовал только три месяца.
С увеличением высоты сопротивление атмосферы уменьшается и при h > 300 км становится пренебрежимо малым.
Возникает вопрос: а что будет, если запустить спутник со скоростью, большей первой космической? Расчеты показывают, что если превышение незначительно, то тело при этом остается искусственным спутником Земли, но движется уже не по круговой, а по эллиптической орбите. С увеличением скорости орбита спутника становится все более вытянутой, пока наконец не «разрывается», превратившись в незамкнутую (параболическую) траекторию (рис. 109).
Минимальная скорость, которую нужно сообщить телу у поверхности Земли, чтобы оно ее покинуло, двигаясь по незамкнутой траектории, называется второй космической скоростью.
Вторая космическая скорость в √2 раза больше первой космической:
При такой скорости тело покидает область земного притяжения и становится спутником Солнца.
Чтобы преодолеть притяжение Солнца и покинуть Солнечную систему, нужно развить еще большую скорость — третью космическую. Третья космическая скорость равна 16,7 км/с. Имея примерно такую скорость, автоматическая межпланетная станция «Пионер-10» (США) в 1983 г. впервые в истории человечества вышла за пределы Солнечной системы и сейчас летит по направлению к звезде Барнарда.
??? 1. Какую скорость называют первой космической? 2. Как изменяется скорость движения спутника по орбите с увеличением высоты h? 3. Зависит ли скорость движения спутника от его массы? 4. Как направлены скорость и ускорение спутника, движущегося по круговой орбите? Чему равно ускорение такого спутника? 5. Можно ли считать круговое движение спутника равноускоренным? Почему? 6. На какие два класса делят искусственные спутники Земли? 7.
Какую скорость называют второй космической? Чему она равна? 8. Что представляет собой третья космическая скорость? 9. Что вы знаете о станции «Пионер-10»?
С какой скоростью движутся спутники, обращаясь вокруг Земли?
Скорость спутников — интересная тема. Они путешествуют невероятно быстро, но большинство из нас никогда не задумывается об этом. В этой статье мы более подробно рассмотрим скорости спутников и для чего они используются. Мы поможем вам разобраться в этих удивительных машинах! Итак, как быстро летают спутники?
Узнайте в этой статье
- Как работают спутники
- Как быстро путешествуют спутники
- МКС
- Как спутники выходят на стабильную орбиту
- Как обнаружить спутники в ночном небе
- Сколько космического мусора вращается вокруг Земли
- Основные выводы
Как работают спутники
Если вы думаете о это, спутники довольно впечатляют. Они вращаются вокруг Земли на высоких скоростях и могут использоваться для различных целей, от навигации до связи.
Но как они на самом деле работают?
Спутники на околоземной орбите — это просто большие металлические объекты, которые служат многим целям. Они не производят энергию, поэтому полагаются на солнечные батареи для преобразования солнечного света в электричество. Эта мощность используется для работы оборудования спутника и обеспечения связи с наземными станциями на Земле.
Спутники можно использовать по-разному, включая навигацию, связь и прогнозирование погоды. Спутники GPS (глобальная система позиционирования), например, используются для предоставления точной информации о местоположении для устройств GPS. С другой стороны, метеорологические спутники используются для наблюдения за земной атмосферой и отслеживания штормов.
Как быстро путешествуют спутники
Спутники движутся с невероятно высокой скоростью, достигая орбитальной скорости 17 000 миль в час. Однако скорость спутника может варьироваться в зависимости от его орбиты. Например, геостационарные спутники перемещаются намного медленнее, чем низкоорбитальные спутники.
Другими словами, чем ближе спутник к Земле, тем быстрее он будет двигаться.
Спутники на низкой околоземной орбите
Спутники на низкой околоземной орбите или LEO достигают орбитальной скорости 17 000 миль в час. Во время путешествия они постоянно регулируют свою скорость и высоту, чтобы их не втянуло обратно в атмосферу. Спутники LEO используются для различных целей, таких как связь, наблюдение Земли, геолокация, мониторинг сигналов и т. д. Одним из их ключевых преимуществ является то, что при необходимости их можно быстро перемещать в другое место.
Спутники средней околоземной орбиты
Спутники средней околоземной орбиты (MEO) вращаются в среднем диапазоне орбиты Земли. Итак, как далеко спутники MEO от Земли? Ну, они занимают пространство от 3100 до 7500 миль. Они часто используются для телекоммуникаций и наблюдения за погодой. Спутники MEO совершают путешествие вокруг Земли за время от 2 до 24 часов, обеспечивая большее покрытие, чем спутники LEO.
Геостационарные спутники
Геостационарный спутник находится на орбите, которая может быть достигнута только на высоте 22 236 миль, вращаясь над экватором и следуя вращению Земли.
Итак, с какой скоростью перемещаются геостационарные спутники? Из-за того, как они двигаются, кажется, что они находятся в фиксированном положении. Тем не менее, они путешествуют со скоростью около 7000 миль в час. Спутник GEO покрывает большую часть Земли. На самом деле для обеспечения глобального покрытия достаточно трех равноудаленных спутников.
МКС
Международная космическая станция (МКС) — модульная космическая станция на низкой околоземной орбите. МКС является крупнейшим искусственным спутником на орбите, и ее можно увидеть без помощи телескопа с Земли. Орбитальная скорость МКС составляет 17 500 миль в час.
Эта орбитальная скорость необходима для поддержания станции на высоте примерно 248 миль над поверхностью Земли. На этой высоте МКС испытывает очень небольшое атмосферное сопротивление, которое в противном случае привело бы к потере высоты станции и, в конечном итоге, к ее сгоранию в атмосфере. НАСА планирует сделать это в 2031 году, когда МКС будет выведена из эксплуатации .
При максимальной скорости МКС может совершить один оборот вокруг Земли всего за 92 минуты. Хотя МКС движется с большой скоростью, астронавты на борту станции испытывают невесомость, потому что находятся в свободном падении.
Как спутники выходят на стабильную орбиту
Спутники раньше запускались с помощью космических челноков и ракет, но с программы шаттлов они запускались исключительно в космос на ракетах. Ракета отрывает спутник от земли и придает ему достаточную скорость для выхода на орбиту. Как только спутник выходит на орбиту, он использует собственные двигатели для поддержания своего положения.
Как обнаружить спутники в ночном небе
Если вы хотите увидеть спутник в ночном небе, вам нужно знать несколько вещей. Во-первых, вы должны найти ясный вид неба без каких-либо деревьев, зданий или светового загрязнения. Во-вторых, вам нужно знать, когда спутник будет пролетать над вами и с какой скоростью он движется.
Есть несколько способов определить, когда спутник будет виден.
Один из них — использовать приложение для отслеживания спутников, такое как SkySafari или Heavens-Above. Эти приложения покажут вам карту ночного неба и подскажут, когда и где искать определенные спутники.
Еще один способ узнать, когда будет виден спутник, — проверить веб-сайт Satellite Map. Этот веб-сайт показывает все спутники, высоту этих спутников, страну происхождения и размер спутников.
Когда вы знаете, когда и где смотреть, обнаружить спутник в ночном небе несложно! Просто ищите движущийся объект, который выглядит как яркая точка.
Сколько космического мусора вращается вокруг Земли
Около 37 000 единиц космического мусора вращается вокруг Земли. Этот космический мусор включает в себя все: от ступеней ракет и старых спутников до кусочков краски и металла, сброшенных космическими кораблями за долгие годы.
Большая часть этого космического мусора сосредоточена на низкой околоземной орбите (НОО), части космоса на высоте от 370 до 620 миль над поверхностью Земли.
Концентрация космического мусора на НОО представляет опасность для активных спутников. Столкновение спутника на этих высотах с космическим мусором может привести к нарушению связи и навигации.
Риск столкновений — одна из причин растущего интереса к очистке космического мусора. Изучаются несколько различных подходов, в том числе использование лазеров для уничтожения космического мусора или «облов» его гигантскими сетями. Однако масштабных работ по очистке пока не предпринималось.
Ключевые выводы
- Спутники на низкой околоземной орбите перемещаются на высоких скоростях и используются для различных целей, таких как связь, наблюдение Земли, геолокация, мониторинг сигналов и т. д.
- Спутники на средней околоземной орбите используются для телекоммуникаций и прогноза погоды наблюдение.
- Геостационарные спутники кажутся неподвижными с земли, что делает их полезными в качестве спутников связи.
- МКС движется со скоростью 17 500 миль в час, чтобы поддерживать свою высоту.
- Спутники вращаются вокруг Земли на высоких скоростях, но астронавты на борту станции испытывают невесомость, потому что находятся в свободном падении.
- На максимальной скорости МКС может совершить один оборот вокруг Земли всего за 92 минуты.
- Спутники запускаются в космос на ракетах и используют их двигатели для удержания позиции.
- Вокруг Земли вращается около 37 000 единиц космического мусора, большая часть которых сосредоточена на низкой околоземной орбите.
- Риск столкновения с космическим мусором является одной из причин растущего интереса к очистке космического мусора.
Часто задаваемые вопросы
Насколько быстры самые быстрые спутники?
Скорость спутника зависит от его орбиты. Спутник на низкой околоземной орбите (НОО) перемещается намного быстрее, чем геостационарный спутник (ГЕО). Самые быстрые спутники могут развивать скорость до 17 500 миль в час, но большинство спутников движутся со скоростью около 7 000 миль в час..jpg)
Для сравнения, МКС движется со скоростью 17 500 миль в час, когда находится на орбите. С другой стороны, космический корабль Parker Solar Probe достиг скорости 364 621 миль в час 21 ноября 2021 года во время своего 10-го близкого пролета вокруг Солнца. К 2025 году он достигнет скорости 430 000 миль в час при максимальном сближении с Солнцем.
Спутники движутся быстрее Земли?
Да, большинство спутников вращаются быстрее Земли, особенно на низких и средних околоземных орбитах.
Как часто спутник совершает оборот вокруг Земли?
Это зависит. Спутники на низкой околоземной орбите могут совершить полный оборот за 90 минут, а спутники на средней околоземной орбите могут сделать это до 24 часов. Международная космическая станция находится на низкой околоземной орбите, то есть совершает около 16 оборотов вокруг нашей планеты в день.
МКС на геостационарной орбите?
Нет, МКС не на геостационарной орбите. Он находится на низкой околоземной орбите (НОО), что означает, что он вращается на более низкой высоте, чем геостационарная орбита (ГЕО).
Сколько миль до низкой околоземной орбиты?
Низкая околоземная орбита — это орбита с высотой над поверхностью Земли от 100 до 1200 миль.
Какова скорость спутника на геостационарной орбите?
Геосинхронная орбита — это орбита с центром на Земле. Его орбитальный период соответствует вращению Земли. Но с какой скоростью спутники перемещаются по геостационарной орбите? Что ж, спутник должен двигаться со скоростью 7000 миль в час, чтобы оставаться на геостационарной орбите.
Орбитальная скорость
Спутник на орбите движется быстрее, когда он находится близко к планете или
другое тело, вокруг которого он вращается, и медленнее, чем дальше. 
Когда спутник падает с большой высоты на меньшую, он получает
скорость, и когда он поднимается с малой высоты на большую высоту, он
теряет скорость.
Спутник на круговой орбите имеет постоянную скорость, которая зависит только
от массы планеты и расстояния между спутником и
центр планеты.  Вот несколько примеров спутников
на околоземной орбите:
|   | Высота над уровнем моря | р | Скорость | Период | Lifetime | |||||||
| Луна | 385 000 км | 391 370 км | 1,01 км/с | 27,3 | дней | Миллиарды лет | ||||||
| 100 000 км | 106 370 км | 1,94 км/с | 4 | дней | Миллиарды лет | |||||||
| ГСО | 35 800 км | 42 170 км | 3,07 км/с | 1 | день | Миллионы лет | ||||||
| Навстар | 20 200 км | 26 570 км | 3,87 км/с | 12 | часов | Миллионы лет | ||||||
| 10 000 км | 16 370 км | 4,93 км/с | 5,8 | часов | Миллионы лет | |||||||
| Лагеос | 5900 км | 12 270 км | 5,70 км/с | 3,8 | часов | Миллионы лет | ||||||
| 2000 км | 8 370 км | 6,90 км/с | 2,1 | часов | Милления | |||||||
| 1000 км | 7370 км | 7,35 км/с | 105 | минут | Милления | |||||||
| Хаббл | 600  км | 6970 км | 7,56 км/с | 97 | минут | Декады | ||||||
| МКС | 380км | 6750 км | 7,68 км/с | 92 | минут | Годы | ||||||
| 200км | 6 570 км | 7,78 км/с | 89 | минут | Дни или недели | |||||||
| 100км | 6470 км | 7,84 км/с | 87 | минут | Минуты | |||||||
| Уровень моря | 0  км | 6 370 км | 7,90 км/с | 84 | минут | Секунды | ||||||
Скорость ( v ) спутника на круговой орбите:
      v = SQRT(G * M / r)
где G — универсальная гравитационная постоянная.
(6.6726 Е-11 Н м 2 кг -2 ), М
— масса объединенной системы планета/спутник (масса Земли равна
5,972 E24 кг), а r радиус орбиты
измеряется от центра планеты. 
« SQRT » означает «квадратный корень».
Использование этих значений дает скорость в метрах в секунду.
Период ( P ) спутника на круговой орбите равен
длина окружности, деленная на скорость спутника:
      P = 2 * pi * r / v
Использование значений в метрических единицах, как указано выше, дает период в
секунд.  ( пи = 3,14159…)
Гравитационные притяжения Луны и Солнца являются сильнейшими силами
возмущающие орбиты спутников Земли выше 40 000 км.
Смещенное от центра гравитационное притяжение от экваториальной выпуклости Земли
сильнейшая сила, возмущающая орбиты спутников между
500 км и 40 000 км.
Атмосферное сопротивление — сильнейшая сила, возмущающая орбиты
Спутники Земли ниже 500 км.
  Плотные спутники
с небольшой площадью поперечного сечения поражаются меньше, чем легкие
спутники с большой площадью.  Очень плотный спутник может
просто сделайте полный оборот, начиная со 100 км.
Спутники на эллиптической орбите движутся быстрее, чем на круговой
скорость вблизи перигея и медленнее, чем круговая скорость
в то время как вблизи апогея.  Период спутника на любой орбите,
круговая или эллиптическая, определяется третьим законом Кеплера:
      P = 2 * pi * SQRT (r 3 / G * M)
где r — средний радиус орбиты, т. е.
апогей плюс перигей (отсчитываемый от центра планеты), разделенный
на две или половину большой оси эллипса.
Изменения орбиты спутника наиболее эффективны при
перигея и апогея. Ракета горит в перигее, что увеличивает
орбитальная скорость поднимает апогей. Горение в перигее, которое
уменьшает орбитальную скорость снижает апогей.
в апогее что увеличивает орбитальную скорость поднимает перигей,
а горение в апогее, уменьшающее орбитальную скорость, снижает
перигей.
Атмосферное сопротивление спутника в перигее снижает апогей,
заставляя орбиту становиться все более и более круговой, пока
вся орбита находится на высоте перигея, а спутник
вскоре падает с орбиты.
Состояние атмосферы также является фактором.
активность в одиннадцатилетнем солнечном цикле нагрела верхнюю часть Земли.
атмосферу в конце 1970-х годов, расширив ее.  Это увеличило
тащить на Скайлэбе, который изначально был на 435 километрах,
и обрушил его на два года раньше, чем ожидалось.
Изменения наклонения плоскости орбиты спутника
наиболее эффективен в апогее. Большие изменения наклона требуют
очень большие затраты топлива, поэтому делаются редко.
изменение плоскости перемещает геостационарные спутники на орбиту напрямую
над экватором.
Сочетание изменения высоты с изменением наклона
является более эффективным, чем использование отдельного двигателя для каждого из них.
Будь то увеличение или уменьшение высоты или изменение орбиты
наклон, наиболее эффективные ожоги двигателя параллельны
поверхность планеты.