Искусственный спутник Земли

Искусственный спутник Земли на орбите планеты

Иску́сственный спу́тник Земли́ (ИСЗ) — это космический аппарат, выведенный на орбиту вокруг Земли и совершивший не менее одного оборота.

История

За­пуск пер­во­го искусственного спутника Земли осу­ще­ст­в­лён 4 октября 1957 года в СССР; 1 февраля 1958 года на ор­би­ту вы­ве­ден пер­вый американский искусственный спутник Земли «Экс­пло­рер-1», позд­нее са­мо­стоя­тель­ные за­пус­ки ИСЗ про­из­ве­ли другие стра­ны: 26 ноября 1965 года — Франция (спут­ник «А-1»), 11 февраля 1970 года — Япония («Осу­ми»), 24 апреля 1970 года — КНР («Чай­на-1»), 28 октября 1971 года — Великобритания («Про­спе­ро»), 18 июля 1980 года — Индия («Ро­хи­ни»).

4 октября 1957 года, в СССР был запущен первый в мире искусственный спутник Земли (ИСЗ). Это событие ознаменовало начало космической эры, запустило космическую гонку между Советским Союзом и США, а также положило начало использованию космоса в оборонительных целях. К полёту первого ИСЗ приурочен также День Космических войск — самого молодого подразделения российской армии.

На околоземную орбиту был выведен первый в мире искусственный спутник Земли — «Простейший Спутник-1». Запуск ПС-1 был осуществлён с полигона Минобороны СССР Тюра-Там (ныне космодром Байконур) на ракете-носителе Р-7 и преследовал несколько целей:

• тестирование технической способности аппарата и проверка расчётов, принятых для успешного запуска спутника;
• исследование ионосферы посредством взаимодействия радиоволн, излучаемых спутником из космоса и идущих через атмосферу к поверхности Земли;
• расчёт плотности верхних слоев атмосферы при помощи наблюдения по торможению спутника;
• исследование влияния космического пространства на аппаратуру, а также определения благоприятных условий для работы аппаратуры в космосе.

Цель создания

Искусственный спутник Земли — это объект, созданный человеком и летающий вокруг нашей планеты. Он может быть использован для множества задач, таких как:

• Создание карт местности и навигация.
• Обеспечение связи и коммуникации.
• Изучение погоды и климата.
• Наблюдение за экологией.
• Изучение космоса и планет системы Солнечной системы.

Искусственные спутники земли — это объекты, которые были специально разработаны для запуска в орбиту вокруг Земли. Как правило, они представляют собой высокотехнологичные аппараты, которые строго закреплены на определённой высоте от основной планеты.

Вывод в космос и орбита

Искусственные спутники Земли вы­во­дят­ся на орбиты с по­мо­щью ра­кет-но­си­те­лей. Путь от стар­та до не­ко­то­рой рас­чёт­ной точки в про­стран­ст­ве, ко­то­рый ракета-носитель пре­одо­ле­ва­ет бла­го­да­ря тя­ге, раз­ви­вае­мой ракетными двигателями, на­зы­ва­ет­ся тра­ек­то­ри­ей вы­ве­де­ния искусственного спутника Земли на ор­би­ту. Так же называют ак­тив­ным уча­ст­ком движения ракеты-носителя и со­став­ля­ет обычно от не­сколь­ких со­тен до десятков ты­сяч километров. После дос­ти­же­ния ракетой-носителем в кон­це ак­тив­но­го уча­ст­ка рас­чёт­ной ско­ро­сти (по значению и на­прав­ле­нию) ра­бо­та ра­кет­ных двигателей (РД) пре­кра­ща­ет­ся (т. н. точка вы­ве­де­ния искусственного спутника Земли на ор­би­ту).

Искусственный спутник Земли авто­ма­ти­че­ски от­де­ля­ет­ся от по­след­ней сту­пе­ни ракеты-носителя и на­чи­на­ет движение по некоторой ор­би­те от­но­си­тель­но Зем­ли, ста­но­вясь искусственным не­бес­ным те­лом. Его движение оп­ре­де­ля­ет­ся пас­сив­ны­ми (при­тя­же­ние Зем­ли, а так­же Лу­ны, Солн­ца и других пла­нет, со­про­тив­ле­ние зем­ной атмосферы и др.) и ак­тив­ны­ми (управ­ляю­щи­ми) си­ла­ми, ес­ли на бор­ту искусственного спутника Земли ус­та­нов­ле­ны ракетные двигатели. Вид на­чаль­ной ор­би­ты искусственного спутника Земли от­но­си­тель­но Зем­ли за­ви­сит це­ли­ком от его по­ло­же­ния, значения и на­прав­ле­ния век­то­ра ско­ро­сти в мо­мент вы­хо­да искусственного спутника Земли на ор­би­ту и рассчитывается с по­мо­щью ме­то­дов не­бес­ной ме­ха­ни­ки.

В пер­вом при­бли­же­нии ор­би­та искусственного спутника Земли пред­став­ля­ет со­бой эл­липс с од­ним из фо­ку­сов в цен­тре Зем­ли (в ча­ст­ном случае — ок­руж­ность), сохраняющий не­измен­ную ори­ен­та­цию в про­стран­ст­ве. Существует несколько классических ор­бит, на ко­то­рых функционируют спут­ни­ки: по­ляр­ные или при­по­ляр­ные (движение спут­ни­ка про­ис­хо­дит в плоскостях, про­хо­дя­щих по на­прав­ле­ни­ям се­вер­ный — юж­ный по­лю­сы Зем­ли); вы­со­ко­эл­лип­ти­че­ские (движение спут­ни­ка про­ис­хо­дит по эл­лип­су, в од­ном из фо­ку­сов ко­то­ро­го рас­по­ло­жен центр Зем­ли; например, ор­би­ты искусственные спутники Земли се­рии «Мол­ния» с вы­со­той пе­ри­гея 300—600 км, апо­гея — 42 000 км); гео­ста­цио­нар­ная, про­хо­дя­щая в плоскости эк­ва­то­ра, вы­со­той 35 800 км от по­верх­но­сти Зем­ли (спут­ник на этой ор­би­те «ви­сит» неподвижно над од­ной точкой эк­ва­то­ра; на­клон­ные кру­го­вые (например, ор­би­ты на­ви­га­ци­он­ных спут­ни­ков вы­со­той 20 000 км от по­верх­но­сти Зем­ли и на­кло­ном к плоскости эк­ва­то­ра 65°).

Типы орбит

Стационарная орбита

Международная астрономическая уния (МАУ) определяет высоту, на которой летают искусственные спутники земли. Эта высота известна как орбитальная высота (altitude) и измеряется в километрах от поверхности Земли. Всего существует несколько различных типов орбит, на которых могут летать искусственные спутники земли.

Существует несколько типов орбит для искусственных спутников Земли, каждая из которых имеет свой набор характеристик, таких как высота, скорость, период орбиты и т. д.

Наиболее распространёнными являются:

• Низкой орбиты Земли.
• Средней орбиты Земли.
• Геостационарной орбиты Земли.
• Молниеносных орбит Земли.
• Стационарной орбиты для искусственных спутников Земли.

Низкая орбита

Низкая орбита — это орбита, которая находится между поверхностью Земли и высотой около 2 тысяч километров. Использование такой орбиты преимущественно связано с наблюдением планеты земля, зондированием поверхности или для обеспечения связи и навигации. Это также является оптимальным вариантом для запуска спутников начального уровня, так как они не требуют много энергии для подъёма на эту высоту.

Средняя орбита

Низкая, средняя и геостационарная орбиты Земли

Средняя орбита представляет собой высоту между околоземной орбитой и геостационарной орбитой на высоте около 22 тысяч километров. Она используется для обеспечения многих коммуникационных услуг, таких как телевидение и телефония, а также для навигации и спутниковой метеорологии.

Геостационарная орбита

Геостационарная орбита находится на высоте около 36 тысяч километров от поверхности Земли и соответствует скорости вращения нашей планеты. Это означает, что спутник всегда будет оставаться на одном и том же месте относительно местности на Земле. Эта высота является идеальным местом для погодной спутниковой обсервации, спутниковой телевидения и других видов связи.

Стационарная орбита

Стационарная орбита для искусственных спутников Земли (ГСО, сокращение от англ. Geostationary Orbit) — это круговая орбита на высоте 35 786 км от земной поверхности. Интересно то, что ГСО расположена на такой высоте, что она совпадает с вращением Земли вокруг своей оси. Это означает, что спутник остается в неподвижном положении относительно земной поверхности и находится над одним и тем же местом в течение всего своего периода орбиты, который составляет около 24 часов, то есть такой же, как и длительность суток на Земле.

Эта орбита настолько высоко над нашей планетой, что отсутствует воздействие атмосферы Земли, из-за чего на спутник не влияют силы трения, и он сохраняет свою высоту и орбиту. Поэтому ГСО является наиболее подходящей для работы на космических спутниках, которые требуют длительного времени находиться над одним и тем же местом на поверхности Земли, например всех видов коммуникационных спутников.

Риски стационарной орбиты

К сожалению, существует один большой риск при использовании стационарной орбиты для искусственных спутников Земли. Из-за ограниченного количества доступных ГСО-слотов, различные государства и корпорации соперничают за право использовать эти орбиты для своих спутников, что приводит к перегруженности определённых зон.

Это означает, что некоторые спутники находятся настолько близко друг к другу, что сигналы могут пересекаться и создавать помехи, что в конечном итоге может повлиять на работу других спутников. Кроме того, перегруженность ГСО может потенциально создавать проблемы с удалением неисправных спутников.

Стационарная орбита для искусственных спутников Земли — это высокая круговая орбита, на которой находятся многие типы коммуникационных, телевизионных и метеорологических спутников, которые используются повсеместно в мире. ГСО является одним из важнейших мегапроектов человечества, поскольку он открывает нам огромный потенциал для изучения и улучшения нашей жизни на Земле. Однако существует риск перегруженности, который нужно учитывать и решать в дальнейших планах использования ГСО.

Энергоснабжение

В качестве энергоснабжения, искусственные спутники земли используют солнечные батареи и другие источники энергии, такие как генераторы радионуклидов. К ним также может относиться космический мусор и космические аппараты, которые отслеживают погоду, среду обитания и другие параметры деятельности нашей планеты.

Типы спутников

Искусственные спутники активно используются в современной астрономии, климатологии, разведке, навигации и естественных науках. Они могут быть классифицированы по назначению. Выделяют:

• Астрономические. Это космические аппараты, которые используются для получения новых знаний о Вселенной.
• Биологические. Их основная задача — проведение экспериментов с живыми организмами в космосе.
• Геостационарные. К ним относятся спутники, расположенные на орбите, которая совпадает с вращением Земли. Они необходимы для обеспечения метеонаблюдений, телевизионной и спутниковой связи.
• Метеорологические. С их помощью можно отслеживать климатические изменения на Земле, а также передавать данные для предсказания погоды.
• Полярные. Получают данные о климате, помогают в мониторинге окружающей среды, а также используются в научно-исследовательской работе.
• Научные. Основная задача — проведение научных испытаний. Это может быть изучение атмосферы, магнитного поля, космического излучения.
• Военные. Разные страны используют их в военных целях и запускают для сбора разведывательной информации.
• Навигационные. Необходимы для определения положения воздушных, морских и наземных объектов.
• Спутники связи. Они перераспределяют радиосигналы между точками на Земле, находящимися вне прямой зоны видимости.
• Коммерческие. Они используются с коммерческой целью для обеспечения интернет связи, спутникового телевидения, картографии. Их спектр использования широк и увеличивается с каждым годом.

В отдельную категорию выделяют орбитальные станции. Это специальные космические корабли для длительного пребывания в космосе, геостационарные спутники, которые изучают другие планеты.

Также отдельно выделяют малые спутники. Это космические аппараты, которые обладают относительно небольшой массой и габаритами, что делает их более компактными и доступными по сравнению со спутниками большего размера. Обычно их масса составляет от нескольких килограмм до нескольких сотен килограмм, что позволяет сравнительно недорого запустить их на орбиту.

Малые спутники широко используются для различных целей, таких как научные исследования, обеспечение связи, наблюдение за Землей, навигация, технологические демонстрации и многие другие. Их компактный размер и относительно невысокая стоимость позволяют проводить более гибкие и инновационные космические миссии.

Они могут быть различных типов, включая кубсаты (небольшие спутники в форме куба), мини-спутники, микроспутники и даже наноспутники, что отражает их разнообразное применение и возможности для проведения исследований и экспериментов в космосе.

Столкновения спутников

Возможная потеря связи со спутниками может привести к их столкновению и последующему уничтожению или повреждению, что влечет за собой ухудшение функциональности или даже полную потерю связи. Кроме того, разрушенные спутники могут создавать облако космического мусора, увеличивая риск для других объектов. Для уменьшения вероятности столкновений проводится мониторинг орбит и разработаны специальные меры, такие как маневры избегания и средства связи для координации движения спутников.

Первое известное столкновение в космосе произошло между российским спутником «Космос-2251» и американским «Iridium 33». Инцидент произошел 10 февраля 2009 года над полуостровом Таймыр. Два спутника столкнулись практически под прямым углом с относительной скоростью более 10 км/с. Это вызвало разрушение с последующим образованием более 600 обломков. Точные детали трагедии и место столкновения на каждом из спутников неизвестны.

На момент 2010 года зарегистрировано суммарно 1875 крупных обломков, оставшихся после столкновения. К 2014 году только 89 обломков от обоих спутников покинули орбиту Земли. По оценкам экспертов, примерно пятая часть обломков не покинет земную орбиту на протяжении 30 лет, а около 5% будут пребывать здесь свыше 100 лет.

Список спутников у каждой страны

Количество искусственных спутников вокруг Земли постоянно увеличивается. По последним официальным данным, к середине 2023 года на орбите находится более 6,7 тысяч спутников. Запуском занимаются как государственные, так и частные компании. Например, SpaceX разрабатывает собственную сеть Starlink для предоставления высокоскоростного интернета на всей планете. В этой же области и работает компания OneWeb.

Самыми известными и наиболее используемыми обычными людьми сетями являются GPS, ГЛОНАСС, Galileo и BeiDou. Они обеспечивают точное позиционирование и навигацию по всем уголкам планеты.

Основные участники запусков спутников приведены в таблице. Данные актуальны на начало 2023 года.

Страна	США	Китай	Великобритания	Евросоюз	Россия	Япония	Индия	Канада	Другие страны
Число действующих спутников	4531	592	563	343	188	92	61	56	303
Возраст, лет	2,7	4,6	2,2	7,2	7,8	7,2	7,1	7,5	7,1
Средняя масса, т.	0,5	1,1	0,3	1,4	1,6	1,5	1,5	1,4	1,5

На данный момент несколько стран, включая США, Китай, Россию, Европейский союз, активно участвуют в запуске искусственных спутников на орбиту Земли. Некоторые из них имеют значительное преимущество в этой области и лидируют по количеству запущенных спутников.

Ожидается, что к 2024 году количество искусственных спутников продолжит увеличиваться. Запуск этих космических объектов имеет важное значение для различных сфер жизни. Он позволяет обеспечивать глобальную связь, телекоммуникации, спутниковую навигацию, погодное прогнозирование, а также проведение научных исследований космоса и Земли. Кроме того, спутники играют важную роль в обеспечении безопасности стран, обнаружении природных катастроф и для многих других прикладных и научных целей.

Ссылки

• Космическая энциклопедия
• Большая Российская Энциклопедия
• Государственная корпорация по космической деятельности «Роскосмос»