При виведенні супутника на орбіту ракета-носій зазвичай повідомляє йому початкову швидкість після перетину щільних шарів атмосфери на висоті, неменшою 140 км. У момент, коли досягнута необхідна орбітальна швидкість, двигун останнього ступеня ракети-носія вимикається. Далі від цієї ступені можуть відділятися один або кілька штучних супутників, призначених для різних цілей. У момент відділення супутник отримує невелику додаткову швидкість. Тому початкові орбіти супутника і останнього ступеня ракети-носія завжди дещо відрізняються між собою.

Крім одного або декількох супутників з тієї чи іншої апаратурою і останнього ступеня ракети-носія, зазвичай на близькі орбіти виводяться і деякі деталі, наприклад частини носового обтічника, що захищає супутник при проходженні щільних шарів атмосфери, і т. П.

На рис. 34 показана схема запуску корабля-супутника «Схід». На кораблі «Восток» 12 квітня 1961 М. Ю. А. Гагарін здійснив перший в історії пілотований орбітальний політ.

В принципі початковою точкою руху супутника може бути будь-яка точка його орбіти, але характеристична швидкість ракети-носія буде мінімальною, якщо активна ділянка закінчується поблизу перигею. У разі, коли перигей знаходиться поблизу щільних шарів атмосфери, особливо важливо, щоб придбана супутником при розгоні швидкість не була менше заданої величини і щоб її напрямок мінімально відхилялося від горизонтального. В іншому випадку супутник увійде в щільні шари атмосфери, не завершивши і одного обороту (такі об'єкти і не реєструються в якості супутників).

Якщо запланована орбіта розташована досить високо, то невеликі помилки не загрожують загибеллю супутнику, але через них

отримана орбіта, навіть якщо вона не перетне щільні шари атмосфери, може виявитися непридатною для намічених наукових цілей.

Рис. 34. (див. Скан) Схеми ракет-носія «Восток», «союз» і етапів виведення на орбіту корабля «Восток» - 1 - один з чотирьох бічних блоків першого ступеня, 2 - центральний блок (другий ступінь), 3 - третя ступінь ракети «Восток», 4 - головний обтічник ракети «Восток», 5 третій ступінь ракети «Союз», 6 - корабель «Союз», 7 - головний обтічник ракети Ділянка виведення на орбіту зазвичай включає в себе один або більше пасивних інтервалів. При досить високому

перигеї орбіти, на яку виводиться супутник, пасивний ділянку виведення може мати більш в довжину.

Траєкторія виведення, що представляє собою, взагалі кажучи, просторову криву, розташована поблизу площини орбіти супутника. Якщо запуск проводиться точно в східному напрямку, то нахил площини орбіти дорівнює широті місця запуску. При цьому площина орбіти стосується паралелі. У всіх інших випадках нахил орбіти може бути тільки більше широти космодрому (зокрема, при запуску в західному напрямку, коли площина орбіти також стосується паралелі космодрому, нахил повинен бути більше 90 °).

Менше широти місця запуску нахил орбіти може бути тільки в тому випадку, якщо передбачений маневр зміни площини орбіти вже після виведення на неї.

На активній ділянці від ракети-носія може відокремитися супутник ще до виключення останнього ступеня. Після виключення може відокремитися другий супутник. Очевидно, орбіти двох супутників будуть різні, але їх перігейние висоти будуть відрізнятися мало, так як за час додаткового розгону остання ступінь не могла піднятися дуже високо. Апогеї ж можуть перебувати на зовсім різних висотах, бо навіть невелике збільшення початкової швидкості різко піднімає апогей (згадаємо рис. 17 в § 5 гл. 2). За такого методу були в сiчнi 1964 р запущені радянські супутники «Електрон-1, -2» для вивчення внутрішньої і зовнішньої частин пояса радіації (перигей на висотах 406 і 460, а апогеї - 7100 і 68 200 км відповідно).

Все сказане вище справедливо і в тому випадку, якщо замість ракети-носія використовується апарат багаторазового вживання - орбітальний літак, пілотований людиною (див. § 4 гл. 7).

Для виведення КА на орбіту ракета-носій (РН) повинна повідомити йому цілком певну швидкість, як за величиною, так і за напрямком при заданих координатах точки виведення. Це забезпечується програмою польоту, реалізація якої відбувається при впливі на РН органів управління.

Ракета-носій, стартуючи вертикально, виходить потім на криволінійну ділянку траєкторії польоту, протягом якого кут нахилу її осі до місцевого горизонту поступово зменшується. У щільних шарах атмосфери РН рухається по траєкторії, близькій до траєкторії з нульовою підйомної силою, тобто рух відбувається з нульовим кутом атаки.

Швидкість, необхідна для виведення КА на кругову орбіту в центральному полі тяжіння Землі (перша космічна швидкість), розраховується за формулою

де g- прискорення вільного падіння на поверхні Землі, g\u003d 9,80665 м / с 2; R- середній радіус Землі, рівний 6371 км; H- висота орбіти КА над поверхнею Землі.

Для поверхні Землі, як відомо, перша космічна швидкість дорівнює 7,9 км / с, для км (НГО - низька навколоземну або опорна орбіта) км / с, для ДСО - 3,076 км / с.

Для еліптичних орбіт кінцеві швидкості знаходяться в діапазоні між першою і другою космічними швидкостями (7,9 ... 11,2 км / с). Слід пам'ятати, що за рахунок використання обертання Землі навколо власної осі, при запуску РН з КА в східному напрямку можна отримати додаткове збільшення швидкості, що дорівнює для екватора 465 м / с. Для широти космодрому Плесецьк (Росія, 63 ° 00 'пн. Ш. 41 ° 00' східної довготи. Д.) - 210 м / с.

На практиці реалізуються різні методи виведення КА на орбіту, що відрізняються один від одного необхідної енергією, програмою зміни тяги, параметрами ступенів РН, тривалістю виведення, і ін. Однак головною вимогою, що обумовлює вибір типу виведення, є мінімізація енергії. Розрізняють три основних типи виведення КА на орбіту:

- повністю активний висновок (пряме виведення);

- балістичний висновок;

- еліптичний висновок (з ділянкою руху по перігейной круговій орбіті радіуса, рівного перігейному віддалі перехідною орбіти або без нього).

при прямому виведенніє лише один активний ділянку, параметри руху в кінці якого повинні збігатися з необхідними орбітальними параметрами КА. Це тип виведення, в порівнянні з двома наступними типами виведення є менш економічним, оскільки зі збільшенням тривалості активної ділянки зростає витрата енергії на подолання гравітаційних сил. Цей метод доцільно використовувати для виведення КА тільки на НГО (до 400 км). Тут велике значення набуває питання вибору програми руху РН, що забезпечує мінімум витрат енергії.

при балістичному виведенняреалізуються траєкторії, що представляють собою дуги еліптичних траєкторій в центральному полі тяжіння. При цьому вершина еліптичної траєкторії повинна стосуватися орбіти, на яку виводиться КА. У вершині траєкторії КА повідомляється додатковий імпульс до необхідної орбітальної швидкості (другий активна ділянка). Цей метод виведення у порівнянні з іншими забезпечує пряму видимість під час виведення і більш сприятливі умови для порятунку окремих ступенів РН, на висновок витрачається менше часу. Баллистический тип виведення несе найменші витрати енергії при висотах орбіти КА до 1000 км.

еліптичний висновок- найбільш економічний спосіб перекладу космічного апарату з одного кругової орбіти на іншу (з точки зору витрат ракетного палива). При еліптичному виведення КА спочатку виводиться на НГО висотою 180 ... 200 км, де (відразу або через певний проміжок часу) він розганяється до перігейной швидкості перехідного еліпса, в апогеї якого, що стосується заданої орбіти, КА розганяється до необхідної орбітальної швидкості. Тобто перехід відбувається по полуелліптічекой траєкторії, яка стосується внутрішньої (меншою) кругової орбіти зовні, і стосується зовнішньої (більшої) кругової орбіти зсередини. Такі переходи називають напівеліптичними або гомановскімі переходами по імені німецького вченого В. Гомана (W. Hohman), який вперше запропонував використовувати їх для міжпланетних перельотів.

Широке застосування в космонавтиці знаходить геостаціонарна орбіта. Найбільш вигідним з енергетичної точки зору вважається виведення КА на ГСО зі стартових майданчиків на екваторі. Запуск КА на ГСО з космодромів Росії є більш складним, так як вимагає додаткового зміни площини орбіти КА. Цей енергоємний маневр здійснюється, як правило, спеціальних багаторазово включаються ступенів РН - розгінних блоків. При цьому використовуються способи виведення, що включають в себе пасивні ділянки і опорні орбіти. Практичне застосування в даний час отримали дво- і трехімпульсние схеми виведення, а також використання гравітаційного поля Місяця для повороту площини орбіти КА.

Подібно до того, як місця в театрі дозволяють по-різному поглянути на уявлення, різні орбіти супутників дають перспективу, кожна з яких має своє призначення. Одні здаються висячими над точкою поверхні, вони забезпечують постійний огляд одного боку Землі, в той час як інші кружляють навколо нашої планети, за день пролітаючи над безліччю місць.

типи орбіт

На якій висоті літають супутники? Розрізняють 3 типи навколоземних орбіт: високі, середні і низькі. На високій, найбільш віддаленої від поверхні, як правило, знаходяться багато погодні і деякі супутники зв'язку. Сателіти, що обертаються на середньої навколоземній орбіті, включають навігаційні та спеціальні, призначені для моніторингу конкретного регіону. Більшість наукових космічних апаратів, в тому числі флот системи спостереження за поверхнею Землі НАСА, знаходиться на низькій орбіті.

Від того, на якій висоті літають супутники, залежить швидкість їх руху. У міру наближення до Землі гравітація стає все сильніше, і рух прискорюється. Наприклад, супутнику НАСА Aqua потрібно близько 99 хвилин, щоб облетіти навколо нашої планети на висоті близько 705 км, а метеорологічного апарату, віддаленого на 35 786 км від поверхні, для цього буде потрібно 23 години, 56 хвилин і 4 секунди. На відстані 384 403 км від центру Землі Місяць завершує один оборот за 28 днів.

аеродинамічний парадокс

Зміна висоти супутника також змінює його швидкість руху по орбіті. Тут спостерігається парадокс. Якщо оператор супутника хоче підвищити його швидкість, він не може просто запустити двигуни для прискорення. Це збільшить орбіту (і висоту), що призведе до зменшення швидкості. Замість цього слід запустити двигуни в напрямку, протилежному напрямку руху супутника, т. Е. Зробити дію, яке на Землі б уповільнило рухомий транспортний засіб. Така дія перемістить його нижче, що дозволить збільшити швидкість.

характеристики орбіт

На додаток до висоти, шлях руху супутника характеризується ексцентриситетом і нахилом. Перший відноситься до форми орбіти. Супутник з низьким ексцентриситетом рухається по траєкторії, близькій до кругової. Ексцентрична орбіта має форму еліпса. Відстань від космічного апарату до Землі залежить від його положення.

Нахил - це кут орбіти по відношенню до екватора. Супутник, який обертається безпосередньо над екватором, має нульовий нахил. Якщо космічний апарат проходить над північним і південним полюсами (географічними, а не магнітними), його нахил складає 90 °.

Всі разом - висота, ексцентриситет і нахил - визначають рух сателіта і то, як з його точки зору буде виглядати Земля.

висока навколоземну

Коли супутник досягає рівно 42164 км від центру Землі (близько 36 тис. Км від поверхні), він входить в зону, де його орбіта відповідає обертанню нашої планети. Оскільки апарат рухається з тією ж швидкістю, що і Земля, т. Е. Його період обертання дорівнює 24 год, здається, що він залишається на місці над єдиною довготою, хоча і може дрейфувати з півночі на південь. Ця спеціальний високий орбіта називається геосинхронной.

Супутник рухається по круговій орбіті прямо над екватором (ексцентриситет і нахил дорівнюють нулю) і відносно Землі стоїть на місці. Він завжди розташований над однією і тією ж точкою на її поверхні.

Орбіта "Блискавка" (нахил 63,4 °) використовується для спостереження в високих широтах. Геостаціонарні супутники прив'язані до екватора, тому вони не підходять для далеких північних або південних регіонів. Ця орбіта досить ексцентрична: космічний апарат рухається по витягнутому еліпсу з Землею, розташованої близько до одного краю. Так як супутник прискорюється під дією сили тяжіння, він рухається дуже швидко, коли знаходиться близько до нашої планети. При видаленні його швидкість сповільнюється, тому він більше часу проводить на вершині орбіти в найдальшому від Землі краю, відстань до якого може досягати 40 тис. Км. Період обертання становить 12 год, але близько двох третин цього часу супутник проводить над однією півкулею. Подібно полусінхронной орбіті сателіт проходить по одному і тому ж шляху через кожні 24 год. Використовується для зв'язку на крайній півночі чи півдні.

низька навколоземну

Більшість наукових супутників, багато метеорологічні і космічна станція знаходяться на майже круговій низькій навколоземній орбіті. Їх нахил залежить від того, моніторингом чого вони займаються. TRMM був запущений для моніторингу опадів в тропіках, тому має відносно низький нахил (35 °), залишаючись поблизу екватора.

Багато з супутників системи спостереження НАСА мають майже полярну високонаклонную орбіту. Космічний апарат рухається навколо Землі від полюса до полюса з періодом 99 хв. Половину часу він проходить над денною стороною нашої планети, а на полюсі переходить на нічну.

У міру руху супутника під ним обертається Земля. На той час, коли апарат переходить на освітлену ділянку, він знаходиться над областю, прилеглої до зони проходження своєї останньої орбіти. За 24-годинний період полярні супутники покривають більшу частину Землі двічі: один раз вдень і один раз вночі.

Сонячно-синхронна орбіта

Подібно до того як геосинхронной супутники повинні знаходитися над екватором, що дозволяє їм залишатися над однією точкою, полярно-орбітальні мають здатність залишатися в одному часі. Їх орбіта є сонячно-синхронній - при перетині космічним апаратом екватора місцевий сонячний час завжди одне і те ж. Наприклад, супутник Terra перетинає його над Бразилією завжди о 10:30 ранку. Наступне перетин через 99 хв над Еквадором або Колумбією відбувається також о 10:30 за місцевим часом.

Сонячно-синхронна орбіта необхідна для науки, так як дозволяє зберігати сонячного світла на поверхню Землі, хоча він буде змінюватися в залежності від сезону. Така сталість означає, що вчені можуть порівнювати зображення нашої планети одного пори року протягом декількох років, не турбуючись про занадто великих перегонах в освітленні, які можуть створити ілюзію змін. Без сонячно-синхронній орбіти було б складно відстежувати їх з плином часу і збирати інформацію, необхідну для вивчення змін клімату.

Шлях супутника тут дуже обмежений. Якщо він знаходиться на висоті 100 км, орбіта повинна мати нахил 96 °. Будь-яке відхилення буде неприпустимим. Оскільки опір атмосфери і сила тяжіння Сонця і Місяця змінюють орбіту апарату, її необхідно регулярно коригувати.

Виведення на орбіту: запуск

Запуск супутника вимагає енергії, кількість якої залежить від розташування місця старту, висоти і нахилу майбутньої траєкторії його руху. Щоб дістатися до віддаленої орбіти, потрібно затратити більше енергії. Супутники зі значним нахилом (наприклад, полярні) більш енерговитратних, ніж ті, які кружляють над екватором. Виведенню на орбіту з низьким нахилом допомагає обертання Землі. рухається під кутом 51,6397 °. Це необхідно для того, щоб космічним човників і російським ракетам було легше дістатися до неї. Висота МКС - 337-430 км. Полярні супутники, з іншого боку, від імпульсу Землі допомоги не отримують, тому їм потрібно більше енергії, щоб піднятися на таку ж відстань.

коригування

Після запуску супутника необхідно докласти зусиль, щоб утримати його на певній орбіті. Оскільки Земля не є ідеальною сферою, її гравітація в деяких місцях сильніше. Ця нерівномірність, поряд з притяганням Сонця, Місяця і Юпітера (наймасивнішою планети Сонячної системи), змінює нахил орбіти. Протягом усього свого терміну служби становище супутників GOES коректувалося три або чотири рази. Низькоорбітальні апарати НАСА повинні регулювати свій нахил щорічно.

Крім того, на навколоземні супутники впливає атмосфера. Самі верхні шари, хоча і досить зріджені, надають досить сильний опір, щоб притягати їх ближче до Землі. Дія сили тяжіння призводить до прискорення супутників. Згодом вони згорають, по спіралі опускаючись все нижче і швидше в атмосферу, або падають на Землю.

Атмосферний опір сильніше, коли Сонце активно. Так само, як повітря в повітряній кулі розширюється і піднімається при нагріванні, атмосфера піднімається і розширюється, коли Сонце дає їй додаткову енергію. Розріджені шари атмосфери піднімаються, а їх місце займають більш щільні. Тому супутники на орбіті Землі повинні змінювати своє положення приблизно чотири рази на рік, щоб компенсувати опір атмосфери. Коли сонячна активність максимальна, положення апарату доводиться коригувати кожні 2-3 тижні.

Космічне сміття

Третя причина, яка змушує змінювати орбіту - космічне сміття. Один з комунікаційних супутників Iridium зіткнувся з не функціонує російським космічним апаратом. Вони розбилися, утворивши хмару сміття, що складається з більш ніж 2500 частин. Кожен елемент був доданий в базу даних, яка сьогодні налічує понад 18000 об'єктів техногенного походження.

НАСА ретельно відстежує всі, що може виявитися на шляху супутників, т. К. Через космічне сміття вже кілька разів доводилося міняти орбіти.

Інженери відстежують положення космічного сміття і сателітів, які можуть перешкодити руху і в міру необхідності ретельно планують маневри ухилення. Ця ж команда планує і виконує маневри по регулюванню нахилу і висоти супутника.

Повернемося на час до проекту №7 «суперхмарочоса». Уявімо собі, що ми знаходимося в нашому суперхмарочосі на висоті h \u003e 35,9 · 10 3 км над поверхнею Землі, тобто стоїмо на стелі вниз головою. Ясно, що на той же стелю ми можемо без проблем покласти той самий масивний куля, про який говорить барон. Якщо ми тепер прив'яжемо цю кулю легким і міцним тросом до підлоги, то трос буде натягнутий (Рис. 8.1). Тобто куля буде мати «бажання» впасти на стелю, на якому ми стоїмо.

Якщо ми тепер викинемо кінець троса в вікно так, щоб його нижній кінець дістав до землі і біля самої землі закріпимо кінець троса, то куля натягне весь трос (якщо, звичайно, маса троса значно менше маси кулі).

Тепер прив'яжемо до нижнього кінця троса супутник, який ми збираємося вивести на орбіту, а стелю, на якому стоїть куля, акуратно розсунемо. Тоді куля почне сам (!) Підніматися вгору, захоплюючи за собою прив'язаний внизу супутник. І, зауважте, ніякої енергії до нашого кулі з боку ми начебто не підводимо!

Почекаємо, коли наш супутник підніметься на висоту h \u003d 35,9 · 10 3 км (саме на цій висоті тіла знаходяться в невагомості), зупинимо його, від'єднати від троса і ... легким поштовхом акуратно виштовхни в вікно. І наш супутник відразу ж стане реальним супутником Землі, який рухається по так званій геостаціонарній орбіті: він здійснює обертання навколо центру Землі з періодом обертання 24 год і при цьому весь час як би «висить» над однією і тією ж точкою земної поверхні.

Зауважимо, що з точки зору фізики цей супутник нічим не буде відрізнятися від мешканця, який буде висіти між підлогою та стелею в своїй квартирі, розташованій на висоті h \u003d 35,9 · 10 3 км над поверхнею Землі! Так що теоретично задум барона абсолютно правильний.

Тепер відповімо на питання його опонентів.

Інженер цікавиться, якої висоти має бути наша вежа. Ясно, що значно вище 35,9 · 10 3 км. Причому чим вище - тим краще. Адже чим більше відстань від кулі до центру Землі, тим сильніше відцентровий ефект!

Бізнесмен вельми оптимістично сподівається, що дана вежа дозволить заощадити купу грошей на запуск космічних ракет. Він, безумовно, прав, але з однією маленькою обмовкою: економія почнеться після того, Як вежа буде побудована, а до того -одні суцільні витрати. Є підстави вважати, що подібне будівництво - досить витратний захід.

Саме серйозне заперечення висловив Професор: він вважає, що запропонований проект - це проект чергового вічного двигуна, який виробляє роботу, не споживаючи жодної енергії. А сам факт існування вічного двигуна суперечить закону збереження енергії!

Професор прав: вічний двигун в принципі неможливий, але запропонована модель - це нЕ вічний двигун. Насправді підйом кулі вгору за рахунок відцентрового ефекту відбувається за рахунок енергії обертання Землі. Тобто чим вище буде підніматися куля по нашій вежі, тим повільніше буде обертатися Земля навколо своєї осі! Доведемо це.