Orbita geostazionaria. Satelliti artificiali terrestri

Cos'è un'orbita geostazionaria? Questo è un campo circolare, che si trova sopra l'equatore della Terra, attraverso di esso un satellite artificiale disegna velocità angolare rotazione del pianeta attorno all'asse. Non cambia direzione nel sistema di coordinate orizzontale, ma rimane immobile nel cielo. Orbita terrestre geostazionaria (GSO) È una sorta di campo geosincrono e viene utilizzato per il posizionamento di comunicazioni, televisione e altri satelliti.

L'idea di usare dispositivi artificiali

Il concetto di un'orbita geostazionaria è stato avviato dall'inventore russo K. E. Tsiolkovsky. Nelle sue opere, ha proposto di colonizzare lo spazio usando stazioni orbitali. Gli scienziati stranieri hanno anche descritto il lavoro dei campi cosmici, per esempio, G. Obert. La persona che ha sviluppato il concetto di usare l'orbita per comunicare è Arthur Clark. Nel 1945, pubblicò un articolo sulla rivista "Wireless World", dove descrisse i vantaggi del lavoro del campo geostazionario. Per il lavoro attivo in quest'area in onore dell'orbita dello scienziato ha ricevuto il suo secondo nome: "Cintura di Clark". Oltre il problema dell'attuazione della comunicazione di alta qualità pensavano molti teorici. Così, nel 1928, Herman Potochnik suggerì come utilizzare i satelliti geostazionari.

Cintura di Clarke

Affinché un'orbita possa essere chiamata geostazionaria, deve soddisfare diversi parametri:

1. Geosincronalità. Questa caratteristica include il campo, che ha un periodo corrispondente al periodo della rivoluzione terrestre. Un satellite geosincrono completa una rivoluzione attorno al pianeta in un giorno siderale, che è di 23 ore e 56 minuti e 4 secondi. Lo stesso tempo è necessario affinché la Terra esegua una rivoluzione in uno spazio fisso.

2. Per mantenere un satellite in un punto specifico, l'orbita geostazionaria deve essere circolare, con inclinazione zero. Un campo ellittico porterà ad uno spostamento verso est o verso ovest, poiché l'apparato si muove in determinati punti dell'orbita in modi diversi.

3. Il "punto di stazionamento" del meccanismo spaziale dovrebbe essere all'equatore.

4. La posizione dei satelliti nell'orbita geostazionaria dovrebbe essere tale che un piccolo numero di frequenze destinate alla comunicazione non porti all'applicazione di frequenze di diversi dispositivi durante la ricezione e la trasmissione, nonché per evitare la loro collisione.

5. Abbastanza combustibile per mantenere la posizione del meccanismo spaziale.

L'orbita satellitare geostazionaria è unica in quanto solo con una combinazione dei suoi parametri il veicolo può essere fermo. Un'altra caratteristica è la capacità di vedere la Terra ad un angolo di diciassette gradi rispetto ai satelliti situati sul campo spaziale. Ogni dispositivo assorbe circa un terzo della superficie orbitale, quindi tre meccanismi sono in grado di coprire quasi l'intero pianeta.

Satelliti artificiali

aereo ruota attorno alla terra in modo geocentrico. Per produrlo usa un razzo multistadio. È un meccanismo cosmico che guida la forza reattiva del motore. Per muoversi in orbita, i satelliti artificiali terrestri devono avere una velocità iniziale, che corrisponde al primo spazio. I loro voli sono effettuati ad un'altezza non inferiore a poche centinaia di chilometri. Il periodo di circolazione dell'apparato può essere di diversi anni. I satelliti artificiali della Terra possono essere lanciati dalle schede di altri dispositivi, ad esempio stazioni orbitali e navi. Gli UAV hanno una massa fino a due decine di tonnellate e una dimensione fino a diverse decine di metri. Il ventunesimo secolo è stato contrassegnato dalla nascita di dispositivi con peso ultra-basso - fino a diversi chilogrammi.

I satelliti sono stati lanciati da molti paesi e aziende. Il primo apparato artificiale nel mondo fu creato nell'URSS e volò nello spazio il 4 ottobre 1957. Ha portato il nome "Sputnik-1". Nel 1958, gli Stati Uniti lanciarono la seconda unità: Explorer 1. Il primo satellite, lanciato dalla NASA nel 1964, è stato nominato Syncom-3. I dispositivi artificiali sono per lo più non restituibili, ma ci sono quelli che vengono restituiti parzialmente o completamente. Sono utilizzati per condurre ricerche e risolvere vari problemi. Quindi, ci sono militari, ricerca, satelliti di navigazione e altri. Inoltre, vengono lanciati dispositivi creati dallo staff universitario o dai radioamatori.

"Punto di posizione"

I satelliti geostazionari si trovano ad un'altitudine di 35786 chilometri sul livello del mare. Questa altezza fornisce un periodo di rivoluzione, che corrisponde al periodo della circolazione terrestre in relazione alle stelle. L'apparato artificiale è stazionario, quindi la sua posizione nell'orbita geostazionaria è chiamata "punto fermo". Hangup fornisce una comunicazione a lungo termine costante, una volta che l'antenna orientata sarà sempre diretta al satellite desiderato.

movimento

I satelliti possono essere trasferiti dall'orbita di bassa altitudine al geostazionario utilizzando i campi geo-transitori. Questi ultimi sono un percorso ellittico con un punto a bassa quota e un picco ad un'altezza vicina al cerchio geostazionario. Il satellite, che è diventato inadatto per ulteriori lavori, viene inviato all'orbita di sepoltura, situata a 200-300 chilometri sopra il GSO.

Altitudine dell'orbita geostazionaria

Il satellite in questo campo è tenuto ad una certa distanza dalla Terra, senza avvicinarsi o allontanarsi. Si trova sempre sopra qualsiasi punto equatoriale. Sulla base di queste caratteristiche, ne consegue che le forze gravitazionali e la forza centrifuga si bilanciano a vicenda. L'altezza dell'orbita geostazionaria è calcolata con metodi basati sulla meccanica classica. Ciò tiene conto della conformità delle forze gravitazionali e centrifughe. Il valore della prima quantità è determinato da la legge del mondo Newton. L'indice di forza centrifuga è calcolato calcolando la massa del satellite di accelerazione centripeta. Il risultato dell'uguaglianza di massa gravitazionale e inerziale è la conclusione che l'altezza dell'orbita non dipende dalla massa del satellite. Pertanto, l'orbita geostazionaria è determinata solo dall'altezza alla quale la forza centrifuga è uguale in grandezza e opposta nella direzione della forza gravitazionale creata dall'attrazione della Terra ad una determinata altezza.

Dalla formula per calcolare l'accelerazione centripeta, si può trovare la velocità angolare. Il raggio dell'orbita geostazionaria è anche determinato da questa formula o dividendo il geocentrico costante gravitazionale sulla velocità angolare al quadrato. È 42164 chilometri. Dato il raggio equatoriale della Terra, otteniamo un'altezza pari a 35786 chilometri.

I calcoli possono essere effettuati in modo diverso, basandosi sull'affermazione che l'altezza dell'orbita, che rappresenta la distanza dal centro della Terra, con la velocità angolare del satellite, che coincide con il movimento della rotazione del pianeta, crea una velocità lineare uguale alla prima velocità spaziale ad una determinata altezza.

Velocità in orbita geostazionaria. lunghezza

Questo indicatore viene calcolato moltiplicando la velocità angolare per il raggio del campo. Il valore della velocità in orbita è di 3,07 chilometri al secondo, che è molto inferiore alla prima velocità cosmica sul percorso vicino alla Terra. Per ridurre la velocità, è necessario aumentare il raggio dell'orbita di oltre sei volte. La lunghezza viene calcolata moltiplicando il numero di pi per il raggio moltiplicato per due. Sono 264924 chilometri. L'indicatore viene preso in considerazione quando si calcolano i "punti in piedi" dei satelliti.

Influenza delle forze

I parametri dell'orbita lungo cui è disegnato il meccanismo artificiale possono cambiare sotto l'influenza delle perturbazioni gravitazionali del sole lunare, l'eterogeneità del campo terrestre e l'ellitticità dell'equatore. La trasformazione del campo è espressa in fenomeni come:

1. Lo spostamento del satellite dalla sua posizione lungo l'orbita verso i punti di equilibrio stabile, che sono chiamati i potenziali pozzi dell'orbita geostazionaria.
2. L'angolo di inclinazione del campo all'equatore cresce ad una certa velocità e raggiunge 15 gradi una volta in 26 anni e 5 mesi.

Per mantenere il satellite nel "punto di posizione" desiderato è dotato di un sistema di propulsione, che comprende più volte in 10-15 giorni. Quindi, per compensare la crescita dell'inclinazione orbitale, viene utilizzata la correzione nord-sud, e per compensare la deriva lungo il campo, viene utilizzata la correzione ovest-est. Per regolare il percorso del satellite durante l'intero periodo di funzionamento, è richiesta una grande riserva di carburante a bordo.

Sistemi di propulsione

La scelta dell'adattamento è determinata dalle singole caratteristiche tecniche del satellite. Ad esempio, un motore a razzo chimico ha un'alimentazione di combustibile spostante e opera su componenti ad alto punto di ebollizione a lungo immagazzinati (diazotetraxide, dimetilidrazina asimmetrica). I dispositivi al plasma hanno significativamente meno appetito, ma a spese del lungo lavoro, che viene misurato in decine di minuti per un singolo movimento, possono ridurre significativamente la quantità di carburante consumato a bordo. Questo tipo di sistema di propulsione viene utilizzato per manovrare il trasferimento di un satellite in una diversa posizione orbitale. Il principale fattore limitante della vita del dispositivo è lo stock di carburante nell'orbita geostazionaria.

Gli svantaggi di un campo artificiale

Un difetto significativo nell'interazione con i satelliti geostazionari è un grande ritardo nella propagazione del segnale. Quindi, ad una velocità di luce di 300 mila chilometri al secondo e un'orbita di 35786 chilometri, il movimento del raggio "Terra-satellite" richiede circa 0,12 secondi, e "Terra-satellite - Terra" - 0,24 secondi. Considerando il ritardo del segnale nei sistemi di apparecchiature e cavi delle trasmissioni di servizio a terra, il ritardo complessivo del segnale sorgente-ricevitore-satellite raggiunge circa 2-4 secondi. Questa cifra complica in modo significativo l'uso di dispositivi in ​​orbita nella telefonia e rende impossibile l'uso di comunicazioni satellitari in sistemi in tempo reale.

Un altro svantaggio è l'invisibilità dell'orbita geostazionaria da alte latitudini, che interferisce con la conduttività delle comunicazioni e delle trasmissioni televisive nelle regioni dell'Artico e dell'Antartide. In situazioni in cui il sole e il trasmettitore satellitare sono in linea con l'antenna ricevente, c'è una diminuzione e talvolta una completa mancanza di segnale. In orbite geostazionarie dovute all'immobilità del satellite, questo fenomeno si manifesta più chiaramente.

Effetto Doppler

Questo fenomeno è il cambiamento nella frequenza delle vibrazioni elettromagnetiche con il reciproco avanzamento del trasmettitore e del ricevitore. Il fenomeno è espresso da un cambiamento di distanza nel tempo, nonché dal movimento di veicoli artificiali in orbita. L'effetto si manifesta come l'instabilità della frequenza portante delle oscillazioni del satellite, che si aggiunge all'instabilità strumentale della frequenza del ripetitore di bordo e della stazione di terra, il che complica la ricezione dei segnali. L'effetto Doppler contribuisce a modificare la frequenza della vibrazione modulante, che è impossibile da controllare. Nel caso in cui i satelliti per le comunicazioni e i satelliti per la trasmissione diretta della televisione siano utilizzati in orbita, questo fenomeno viene praticamente eliminato, cioè non vi sono cambiamenti nel livello del segnale nel punto di ricezione.

Atteggiamento nel mondo ai campi geostazionari

L'orbita spaziale della sua nascita ha creato molte domande e problemi legali internazionali. Sono trattati da un certo numero di commissioni, in particolare le Nazioni Unite. Alcuni paesi situati all'equatore, hanno affermato di estendere la loro sovranità alla parte del campo spaziale situato sopra il loro territorio. Gli stati hanno affermato che l'orbita geostazionaria è un fattore fisico che è associato con l'esistenza del pianeta e dipende dal campo gravitazionale della Terra, quindi i segmenti di campo sono una continuazione del territorio dei loro paesi. Ma tali affermazioni sono state respinte, poiché il mondo ha un principio di non appropriazione dello spazio. Tutti i problemi associati all'operazione di orbite e satelliti sono risolti a livello mondiale.