0. 5 Штучні супутники Землі

Вперше здійснення мрії людства про підкорення космосу беззаперечно належить Корольову Сергію Павловичу (1907–1966рр.), який народився у Житомирі в сім′ї вчителя гімназії. Довгий час життя Корольова проходило на Україні, поки в 1926 він з другого курсу Київського політехнічного інституту не перейшов в Московське вище технічне училище ім. Баумана. За радянських часів мало хто знав, що Генеральний Конструктор перших бойових і космічних ракет – це Корольов С.П. Лише згодом він був «розсекречений». Завдяки Корольову відбувся справжній прорив людства в космос починаючи з запуску 1957 року першого штучного супутника Землі.

Тут можна багато говорити про холодну війну в той час між США та Радянським Союзом, що спонукало гонку озброєнь, а, значить, і розвиток ракетної техніки, яка, по суті, і дала можливість здійснити запуск першого супутника. На рис.2.4.15 наведено знімок першого супутника і його наступні характеристики:

Маса апарату — 83,6 кг

Максимальний діаметр — 0,58 м

Нахил орбіти — 65,1°

Період обертання — 96,7 хвилин

Перигей — 228 км

Апогей — 947 км

Витків — 1440

Початок польоту — 4 жовтня 1957 року в 19:28:34 за п Гринвічем

Зробивши 1440 витків, супутник увійшов в атмосферу Землі і, згорівши в ній, припинив існування 4 січня 1959 року.

Цікава деталь – чому супутник мав сферичну форму, адже в безповітряному просторі орбіти супутника його форма не грає ролі. Саме на сферичній формі супутника наполягав С.П.Корольов. Він такою сферичною формою супутника хотів підкреслити своєрідність кроку в космос – така сферична форма символізувала небесні тіла.

В попередній темі, розглядаючи вплив обертання на вагу тіла, вже по було введено поняття першої космічної швидкості, при якій тіло, обертаючись навколо Землі по колу, рівному радіусу самої Землі, стає її супутником. Звичайно, такий штучний супутник не зможе обертатись відносно нашої Землі на такій низькій орбіті з такою швидкість – він просто згорить в повітрі. Супутники виводять на високі орбіти, за межі земної атмосфери. Так, на рис 2.4.16 показано супутник, що обертається по коловій орбіті навколо Землі на відстані h від її поверхні. Визначимо, якою повинна бути в даному випадку швидкість супутника.

Як і в попередніх прикладах, які стосувались динаміки руху по колу, починаємо з елементарних речей: супутник як матеріальна точка рухається з швидкістю v по колу радіуса r = R + h з нормальним (доцентровим) прискоренням

. (2.4.20)

Для надання такого прискорення супутнику масою m, згідно другого закону Ньютона необхідна сила і роль цієї сили виконує сила тяжіння

. (2.4.21)

Підставивши значення цієї сили та прискорення в другий закон Ньютона, після простих перетворень отримаємо, що значення шуканої швидкості супутника становить

, (2.4.22)

Враховуючи, що , тому , отже,

. (2.4.23)

Особливий інтерес становить так звана геостаціонарна орбіта супутника, тобто період обертання супутника на такій орбіті строго дорівнює періоду обертання Землі. Так що фактично супутник, обертаючись навколо Землі, завжди знаходиться відносно її поверхні нерухомим і, як говорять, «висить» нерухомо над Землею. Тапер такі геостаціонарні супутники широко використовуються в системах глобального радіо і теле зв′язку. Ідея таких геостаціонарних супутників була висловлена відомим письменником фантастом Артуром Кларком в його фантастичному оповіданні ще в 1945 році. Фантастика стала дійсністю, і в даний час таку геостаціонарну орбіту називають орбітою або поясом Кларка.

Використовуючи відомий зв’язок між лінійною швидкістю v та частотою або періодом T обертання з формули 2.3.7.4 отримаємо значення висоти h для геостаціонарної орбіти

. (2.4.24)

Для найбільш точних розрахунків параметрів геостаціонарної орбіти необхідні відповідно максимально точні значення всіх необхідних величин. Ми звикли, що період обертання Землі дорівнює 24 години, а в секундах це становить 864000 сек. Але, взявши таке значення періоду, ми ніколи не виведемо супутник на строго геоцентричну орбіту. Справа в тому, що 24 години – це, так званий, сонячний період обертання Землі, або сонячна доба, тобто, час від сходу до заходу сонця триває день, а від заходу до наступного сходу – ніч, а разом 24 години. Але Земля ще рухається по круговій орбіті (точніше по еліпсу), і тому відносно цієї орбіти теж буде обертатись, як це ілюструє рисунок 2.4.17. Наприклад, в західній півкулі ніч, на американському континенті сонце (позиція 1). Через 12 годин картина змінюється – день в Європі Азії та Африці, ніч в Америці (позиція 2). Ще через 12 годин (позиція 3) – попередня картина і, як бачимо, Земля здійснила один оберт відносно Сонця за 24 години – сонячну добу. А тепер уважно прослідкуйте, що робиться з лінією розділу день-ніч на Землі. Ця лінія внаслідок обертання Землі по своїй орбіті теж обертається. Значить, до обертання Землі відносно Сонця, при якому Земля послідовно «підставляє» до Сонця свої материки та океани д одається ще одне обертання: тобто за 24 години вона зробить не один оберт, а трошки більше. Значить, один оберт відносно своєї орбіти Земля зробить за час, менший 24 годин і цей час називається сидерична доба і становить 23 години 56 хвилин 4.090530833 секунд. Слово «сидерична» від латинського sidus – зоряний. Спрвіді, положення орбіти Землі визначають відносно системи відліку, яка зв’язана з, так званими, нерухомими зірками. Приймаючи екваторіальний радіус Землі 6 378 км, отримаємо значення висоти геоцентричної орбіти – висоту над поверхнею Землі h = 6 378 км. Такі геоцентричні супутники особливо широко застосовуються для телепередач – відомі всім супутникові «тарілки). Що стосується зв’язку через такі супутники, то зв’язок, наприклад телефонний, характеризується великими затримками в розповсюдженні сигналу. Сигнал до супутника і назад іде майже в чверть секунди. Крім того, прийом сигналу від таких супутників погіршується на полярних широтах, адже орбіти геостаціонарних супутників знаходяться в екваторіальній площині. Тому, крім геостаціонарних орбіт, для глобального зв’язку використовуються інші орбіти, де на кожній орбіті працює декілька супутників. За своїм призначенням штучні супутники можуть виконувати різноманітні спеціальні функції:

Астрономічні супутники — призначені для дослідження планет, галактик та інших космічних об'єктів.

Біосупутники призначені для проведення наукових експериментів над живими організмами.

Метеорологічні супутники — призначені для передачі даних з метою прогнозу погоди, а також для спостереження клімату Землі.

Зв’язок та телекомунікації забезпечують відповідні телекомунікаційні супутники.

Для глобальної системи навігації використовують відповідні навігаційні супутники.

Завдання розвідки виконують розвідувальні супутники, які інколи називають супутниками-шпигунами.

Але особливі супутники – це космічні станції, які виконують надзвичайно широкий обсяг різноманітних робіт: від чисто наукових і закінчуючи прикладними задачами. В даний час на навколоземній орбіті знаходиться міжнародна космічна станція – МКС. Ця станція – сумісний міжнародний проект, в якому приймає участь шістнадцять країн: Бельгія, Бразилія, Великобританія, Німеччина, Данія, Іспанія, Італія, Канада, Нідерланди, Норвегія, Росія, США, Франція, Швейцарія, Швеція, Японія. МКС має модульну структуру, різні її сегменти створені зусиллями країн – учасниць проекту і мають свою певну функцію: дослідницьку, житлову або використовуються як сховища. Деякі з модулів, наприклад американські модулі серії Unity, є перемичками або служать для стиковки з транспортними кораблями. У добудованому вигляді МКС складатиметься з 14 основних модулів загальним об'ємом 1000 кубометрів, на борту станції постійно знаходитиметься екіпаж з 6 або 7 чоловік. В ага МКС після завершення її будівництва, за планами, складе більше 400 тонн. За габаритами станція приблизно відповідає футбольному полю. На зоряному небі її можна спостерігати неозброєним оком: іноді станція є найяскравішим небесним тілом після Сонця і Місяця. На рис.2.4.18 наведено знімок міжнародної космічної станції, який зроблено з її орбіти.

В даний час МКС має такі параметри:

маса 303 663 кг

довжина 58,2 м

ширина з фермами 73,5 м

висота 27,4 м

нахил орбіти 51,6⁰

висота орбіти 332 —346 км.

Закінчуючи короткий огляд питання про штучні супутники Землі, слід відмітити, що в даний час на навколоземній орбіті знаходиться величезне число супутників. Так, тільки США мають в своєму розпорядженні 413 супутників і, образно кажучи, на навколоземній орбіті вже стає тісно, подібно як стає тісно автомобілям на наших дорогах, де мають місце дорожньо-транспортні події (ДТП). Так ось, в космосі теж відбулась така, тільки космічно-супутникова подія: 10 лютого 2009 року вперше в історії відбулося зіткнення супутників. Зіткнулися російський та американський супутники масою по 450 кг кожен. Зіткнення відбулось в небі над північною частиною Сибіру. В результаті зіткнення утворилися дві хмари з дрібних уламків і фрагментів – на цьому інцедент закінчився – потерпілих (жарт) не було.