Нештатное выведение спутника: варианты развития событий. Способы безракетного космического запуска

Выведение космического аппарата на орбиту

Для выведения КА на орбиту ракета-носитель должна сообщить ему вполне определенную скорость, как по величине, так и по направлению при заданных коорди­натах конца полета. Это обеспечивается программой выведе­ния, полет по которой происходит при воздействии на РН орга­нов управления. Путь, проходимый ракетой-носителем при вы­ведении космического аппарата на орбиту, называют траек­торией полета (рис. 3.14) и характеризуют активным и пассивным участками. Активный участок полета – это полет ступеней ракеты-носителя с работающим двигателем, пассивный участок – полет отработавших ракетных блоков после их отделения от ракеты-носителя. Возможен также полет ракеты-носителя в так называемом импульсном режиме, т. е. с перерывами в работе двигателей.

Рис. 3.14. Траектория ракеты-носителя:

1 - Земля; 2 - вертикальный участок полета; 3 - активный участок полета I ступе­ни;

4 - активный участок полета II ступени; 5 - активный участок полета III ступе­ни;

6 - орбита КА; 7 - пассивный участок полета ракетного блока II ступени;

8- пассивный участок полета ракетного блока I ступени; 9 - местный горизонт;

10 - направление радиуса Земли

Ракета-носитель, стартуя вертикально, выходит затем на криволинейный участок траектории полета, обеспечивающий постепенное уменьшение угла наклона ее оси по отношению к местному горизонту. Для уменьшения потерь скорости ракеты-носителя от аэродинамического сопротивления желательно как можно более быстрое прохождение ею плотных слоев атмосфе­ры и приближение ее траектории полета к горизонтальной только после выхода из этих слоев. В плотных слоях атмосфе­ры РН, как правило, движется по траектории, близкой к траек­тории с нулевой подъемной силой, что обеспечивает снижение нагрузок, вызываемых аэродинамическими силами при больших углах атаки, на ее корпус.

Одним из основных вопросов, связанных с траекторией по­лета, является вопрос ее оптимизации, т. е. определения такой траектории, при движении по которой критерий оптимально­сти (высота орбиты, величина полезного груза и т. д.) дости­гает своего максимального (минимального) значения. В этом случае обычно решают две задачи: первую - определение оптимальной траектории полета ракеты-носителя при извест­ных ее параметрах и вторую - определение параметров РН при известных требованиях к траектории ее полета, т. е. за­дачу оптимального конструирования.

Как правило, ракеты-носители сообщают космическому ап­парату только первую космическую скорость и выводят его или на круговую, или на эллиптическую орбиту. Достижение второй и третьей космических скоростей более выгодно за счет энер­гетики самого КА, стартующего в этом слу­чае с опорной орбиты ИСЗ.

Параметры определяющие конечную скорость ракеты-носителя. В общем случае движение ракеты-носителя характеризуется достаточно сложной системой уравнений (Аппазов Р. Ф., Лавров С, С., Мишин В. П. Баллистика управляемых ракет дальнего действия. М., Наука, 1966,), одно из которых, учитывающее лишь основные силы, действующие на ракету-носитель в полете, можно записать в виде

, (3.1)

где V - скорость ракеты-носителя;

τ - время полета;

Р - тяга двигателя;

X - сила аэродинамического сопротивления;

m - текущая масса РН (масса в данный мо­мент времени);

g - ускорение силы земного тяготения;

θ - угол наклона касательной к траектории полета относи­тельно горизонта.

Для выявления параметров, определяющих конечную ско­рость РН, воспользуемся преобразованиями уравнения (3.1), в соответствии с которыми конечная скорость ракеты-носителя

где ; (3.3)

; (3.4)

– относительная масса РН – безразмерный коэффициент, характеризующий ее текущую массу; m 0 и т –стартовая и текущая массы ракеты-носителя соот­ветственно; – нагрузка на мидель – стартовый вес, приходящийся на единицу площади максимального поперечного сечения РН; S м – площадь миделя; и – удельный импульс ракетного двигателя на уровне море и в пустоте соответственно; – безразмерный коэффициент, характеризующий тяговооруженность РН; P 0 – стартовая (на уровне моря) тяга РН; – скорость напор; V – текущая скорость РН; р 0 – давление атмосферы на уровне моря; ρ и р – текущие плотность и давление атмосферы в точке нахождения РН в данный момент времени; С Х – безразмерный коэффициент силы аэродинамического сопротивления.

Из уравнений (3.2) – (3.5) следует, что конечная скорость ракеты-носителя определяется конструктивно-энергетическими параметрами: относительной конечной массой μ к, удельным импульсом двигателя и , тяговооруженностью РН, характеризуемой величиной ν 0 , аэродинамической компоновкой, характеризуемой значениями Р м и С Х, и параметрами траектории (программой изменения угла θ , изменением скоростного напора q и давления окружающей среды р по времени полета). Относительная конечная масса РН

, (3.6)

где m пг – масса полезного груза; m кон – масса элементов конструкции корпуса РН и ее систем; m то – масса остатков топлива; m гн – масса газов наддува; m 0 – стартовая масса РН.

Величина μ к определяется совершенством конструкции корпуса, агрегатов и систем ракеты-носителя, а также совершенством двигателя и топливной системы, которые определяют величину остатков топлива и конечную массу газов наддува топливных баков. Совершенство конструкции корпуса, агрегатов и систем зависит от искусства конструктора, принятой компоновочной схемы, развития материаловедения и уровня нагрузок, определяемых, степенью оптимизации траектории полета.

Чем меньше величина μ к тем большую скорость развивает РН в конце своего полета.

Удельный импульс двигателя зависит от типа двигательной установки (РДТТ, ЖРД, ЯРД), компонентов топлива (рабочего тела) и уровня развития двигателестроения. Последний характеризуется совершенством конструкции двигателя (наличием или отсутствием непроизводительных потерь компонентов топлива), совершенством процессов сгорания топлива и степенью расширения продуктов сгорания. Чем выше удельный импульс двигателя , тем дольше конечная скорость ракеты-носителя.

Тяговооруженность РН – имеет двойственное влияние на величину конечной скорости. Ее возрастание приводит к уменьшению времени полета и увеличению скорости прохождения плотных слоев атмосферы (увеличению скоростных напоров), уменьшению затрат, энергии на преодо­ление силы земного тяготения и увеличению их на преодоление сил аэродинамического сопротивления. Одновременно возрастают нагрузки, действующие на корпус РН, что обусловливает увеличение ее конечной массы. Сложный характер влияния тяговооруженности ракеты-носителя на величину ее конечной скорости при конкретном проектировании приводит к необходимости совместной оптимизации параметров РН и траектории ее полета.

Влияние аэродинамической компоновки ракеты-носителя на ее конечную скорость определяется нагрузкой на мидель Р м и коэффициентом силы аэродинамического сопротивления С Х, при этом коэффициент С Х является прямым показателем совершенства аэродинамической компоновки, а Р м – косвенным, хотя и более наглядным. Совершенство аэродинамической ком­поновки простых компоновочных схем (моноблочные, без большого количества элементов, выступающих над обводами корпуса, с ограниченным количеством двигателей и т. п.) достаточно хорошо характеризуется величиной Р м, а аэродинамическое совершенство более сложных компоновочных схем – коэффициентом С Х. Аэродинамическое совершенство может характеризоваться безразмерным коэффициентом

где – относительная масса полезного груза при произвольной нагрузке на мидель;

μ пг 10 000 – относительная масса полезного груза при Р м =10 000 кгс/м.

Схемы выведения на орбиту космического аппарата.

Скорость, необходимая для выведения КА на круговую орбиту в центральном поле тяготения Земли, определяется по формуле:

где g = 9,81 м/с2 − ускорение свободного падения; R = 6 371 км − средний радиус Земли; Н − высота орбиты КА над поверхностью Земли.

Значение этой скорости при H=0 называют первой космической скоростью (~ 7 900 м/с). Для низкой круговой орбите H=200 км (базовая орбита) скорость движения КА равна 7 791 м/с, для геостационарной орбиты H=35 809 км – 3 076 м/с.

Для эллиптических орбит конечные скорости V э = 7 900…11 200 м/с. Полет КА по параболе с энергетической точки зрения характеризуется так называемой второй кос­мической скоростью, равной V п ≈ 11 200 м/с, которая по­зволяет преодолеть земное притяжение. Движение по параболе относительно Земли возможно только в случае отсутствия других сил воздействия, кроме силы земного тяготения.

Гиперболические орбиты характеризуются скоростями V г > 11 200 м/с, куда входит и третья космическая скорость (V г ≈ 16 700 м/с) – наименьшая начальная скорость, при ко­торой КА может преодолеть не только земное, но и солнечное притяжение и покинуть Солнечную систему.

Следует учитывать, что за счет вращения Земли РН с КА приобретает некоторую начальную скорость, которая при запуске в восточном направлении составляет: на экваторе – 465 м/с, а на широте российского космодрома Плесецк – 210 м/с.

На практике реализуются различные методы выведения КА на орбиту, каждый из которых влияет на многие параметры, такие как требуемая энергия, программа изменения тяги, параметры ступеней РН, продолжительность выведения, условия видимости участков выведения с определенных пунктов и другие. Однако главным требованием, определяющим выбор типа выведения, остается требование минимизации энергии. Различают три основных типа вывода:

− полностью активный вывод (прямое выведение);

− баллистический вывод;

− эллиптический вывод (с участком движения по перигейной круговой орбите радиуса, равного перигейному расстоянию переходной орбиты или без него).

При прямом выведении имеется лишь один активный участок, параметры движения в конце которого должны совпадать с требуемыми орбитальными параметрами движения КА. Этот тип вывода по сравнению с двумя последующими типами вывода является менее экономичным поскольку с увеличением продолжительности активного участка возрастает расход энергии на преодоление гравитационных сил. По этому методу целесообразно осуществлять выведение КА только на низкие (до 400 км) орбиты. При этом важное значение приобретают вопросы выбора оптимальной программы движения РН, обеспечивающей минимум расхода энергии.

При баллистическом выводе реализуются траектории, подобные траекториям МБР, которые представляют собой дуги эллиптических траекторий в центральном поле тяготения. При этом вершина эллиптической траектории должна касаться орбиты, на которую выводится КА. В вершине траектории КА сообщается дополнительный импульс до требуемой орбитальной скорости (второй активный участок). Данный метод по сравнению с другими обладает следующими свойствами: меньше время полета, прямая видимость во время выведения, более благоприятные условия для спасения отдельных ступеней РН. Граница высот, для которых баллистический тип вывода оказывается более приемлемым с точки зрения расхода энергии составляет около 1 000 км.

При эллиптическом выводе КА вначале выводится на круговую орбиту малой высоты (180…200 км), на которой (сразу или спустя некоторое время) он разгоняется до перигейной скорости переходного эллипса (траектории Гомана), в апогее которого, касающегося заданной орбиты, КА разгоняется до требуемой орбитальной скорости.

Широкое применение в космонавтике находит геостационарная орбита (ГСО), расположенная в плоскости экватора с высотой над поверхностью земли 35 809 км. Наклонение и эксцетриситет этой орбиты равны нулю, движение происходит в восточном направлении с периодом равным суточному вращению Земли (23 ч 56 мин 4 сек).

Наиболее выгодным с энергетической точки зрения является выведение КА на ГСО со стартовых площадок, расположенных на экваторе. Запуск КА на геостационарную орбиту с космодромов России является более сложным, так как требует дополнительного изменения плоскости орбиты КА. Этот энергоемкий маневр осуществляется, как правило, с помощью специальных многократно включаемых ступеней РН – разгонных блоков (РБ). При этом используются способы выведения, включающие в себя пассивные участки и опорные орбиты. Практическое применение в настоящее время для выведения КА на ГСО нашли двух- и трехимпульсные схемы выведения, а также использование для поворота плоскости орбиты гравитационного поля Луны. Разгонные блоки используются также для выведения КА на межпланетные траектории.

При выводе спутника на орбиту ракета-носитель обычно сообщает ему начальную скорость после пересечения плотных слоев атмосферы, на высоте, не меньшей 140 км. В момент, когда достигнута необходимая орбитальная скорость, двигатель последней ступени ракеты-носителя выключается. Далее от этой ступени могут отделяться один или несколько искусственных спутников, предназначенных для разных целей. В момент отделения спутник получает небольшую дополнительную скорость. Поэтому начальные орбиты спутника и последней ступени ракеты-носителя всегда несколько отличаются между собой.

Помимо одного или нескольких спутников с той или иной аппаратурой и последней ступени ракеты-носителя обычно на близкие орбиты выводятся и некоторые детали, например, части носового обтекателя, защищающего спутник при прохождении плотных слоев атмосферы, и т. п.

В принципе начальной точкой движения спутника может быть любая точка его орбиты, но характеристическая скорость РН будет минимальной, если активный участок кончается вблизи перигея. В случае, когда перигей находится вблизи плотных слоев атмосферы, особенно важно, чтобы приобретенная спутником при разгоне скорость не была меньше заданной величины и чтобы ее направление минимально отклонялось от горизонтального (рис. 3.15, а, б). В противном случае спутник войдет в плотные слои атмосферы, не завершив и одного оборота.

Если запланированная орбита расположена достаточно высоко, то небольшие ошибки не грозят гибелью спутнику, но из-за них полученная орбита, даже если не пересечет плотные слои атмосферы, может оказаться непригодной для намеченных научных целей. Участок выведения на орбиту обычно включает в себя один или больше пассивных интервалов. При высоком перигее орбиты, на которую выводится спутник, пассивный участок выведения может иметь более 10 000 км в длину. Траектория выведения, представляющая собой, вообще говоря, пространственную

кривую, расположена вблизи плоскости орбиты спутника. Если запуск производится точно в восточном направлении, то наклонение плоскости орбиты равно широте места запуска. При этом плоскость орбиты касается параллели. Во всех остальных случаях наклонение орбиты может быть только больше широты космодрома (в частности, при запуске в западном направлении, когда плоскость орбиты также касается параллели космодрома, наклонение должно быть больше 90°). Меньше широты места запуска наклонение орбиты может быть только в том случае, если предусмотрен маневр изменения плоскости орбиты уже после вывода на нее.

Способы выведения спутника на орбиту показаны на рис. 3.16.

На активном участке от ракеты-носителя может отделиться спутник еще до выключения последней ступени. После выключения может отделиться второй спутник. Очевидно, орбиты двух спутников будут различны, но их перигейные высоты будут отличаться мало, так как за время дополнительного разгона последняя ступень не могла подняться слишком высоко. Апогеи же могут находиться различных высотах, ибо даже небольшое увеличение начальной скорости резко поднимает апогей.

Отделение двух спутников на активном участке полета последней ступени было впервые произведено 30 января 1964 г. При этом советский спутник «Электрон-1» был выведен на орбиту с высотой перигея 406 км и высотой апогея 7 145 км, а спутник «Электрон-2» - с высотами соответственно 457 км и 68 000 км. Выбор орбит определялся целями запуска - изучением внутренней и внешней части пояса радиации.

В случаях, когда намеченная орбита спутника круговая на большой высоте, или эллиптическая с высоким перигеем, или эллиптическая с низким перигеем, но с апогеем, расположенным в определенной области пространства, может оказаться необходимым предварительный вывод спутника на низкую промежуточную орбиту. При этом требуются дополнительные импульсы, сообщаемые верхней ступенью ракеты или бортовым двигателем спутника.

Предположим, что имея космодром в точке А (рис. 3.17), мы желаем вывести спутник на эллиптическую орбиту с апогеем, расположенным над точкой А. Разогнав спутник до круговой скорости в точке В, мы выведем его на низкую промежуточную орбиту 1. Если теперь сообщить спутнику в точке С приращение скорости, включив двигатель новой ступени или повторно включив предыдущую ступень, то спутник перейдет на эллиптическую орбиту с апогеем), расположенным над А. Подобный прием используется при запусках советских спутников связи типа «Молния», апогей которых должны располагаться на высоте приблизительно 40000 км непременно над северным полушарием (но, конечно, не обязательно над космодромом). Трудность такого запуска в том, что точка С находится вне зоны радиовидимости радиолокационных станций слежения.

Если в апогее эллиптической орбиты сообщить еще одно приращение скорости, то можно перевести спутник на новую орбиту. В частности, если довести скорость в точке D до местной круговой, то спутник перейдет на круговую орбиту 3. Если точка D находится на высоте 35 800 км, то мы получим суточный спутник с орбитальной скоростью 3,08 км/сек, а если вдобавок космодром и а орбита находятся в плоскости экватора, то стационарный. Если же точка А не находится на экваторе, то понадобится в момент пересечения экваториальной плоскости еще одним импульсом исправить положение плоскости орбиты. Положение точки С на промежуточной орбите 1 выбирается с таким расчетом, чтобы стационарный спутник находился над заданной точкой экватора. Обычно вследствие погрешностей в периоде обращения спутника это удается не сразу. Спутник начинает медленно «дрейфовать» на восток или на запад, и необходимы дополнительные коррекции орбиты, чтобы остановить его над заданной точкой, а впоследствии и компенсировать неизбежные возмущения. Наконец, в апогее промежуточной орбиты 2 (не обязательно на высоте 35 800 км) можно превысить с помощью бортового двигателя местную круговую скорость, и тогда точка D станет перигеем новой эллиптической орбиты 4. Таким путем выводятся спутники на эллиптические орбиты с высокими перигеями. В качестве примера можно указать американский спутник связи «Реле-2», запущенный 21 января 1964 г. на орбиту с перигеем на высоте 2 091 км и апогеем на высоте 7 411 км.

Любопытно, что, используя две промежуточные орбиты 1 и 2 (рис. 3.17), можно с помощью одной ракеты-носителя вывести два спутника на одну и ту же круговую орбиту (или почти одну и ту же) так, чтобы они находились одновременно в двух существенно разных точках этой орбиты. Для этого достаточно после вывода одного спутника на орбиту 3 в точке D позволить второму спутнику совершить целое обращение по орбите 2, чтобы при новом приходе в апогей D быть, наконец, выведенным на орбиту 3. Можно так подобрать периоды обращения орбит 2 и 3, чтобы оба спутника оказались друг от друга на заданном расстоянии по дуге орбиты (в принципе даже на концах одного диаметра). Таким путем в США в 1963, 1964, 1965 и 1967 гг. были выведены на круговые орбиты высотой примерно 100 000 км четыре пары спутников-инспекторов «Вела-Хоутел» (для обнаружения ядерных взрывов в космосе), причем один спутник в паре опережал на 130 - 140° другой. При всех запусках на промежуточной орбите 2 оставался еще и третий, научный спутник.

Процесс выведения ИСЗ на стационарную орбиту (рис. 3.18) поэтапно можно представить следующим образом (рис. 3.18, а):

– запуск со стартовой позиции, находящейся вблизи от экватора, в восточном направлении на орбиту ожидания высотой 185...250 км;

– в момент пересечения экваториальной плоскости перевод спутника с орбиты ожидания на промежуточную орбиту, апогей которой совпадает с высотой синхронной орбиты;

– проведение необходимых манёвров по ориентации на промежуточной орбите для подготовки к включению апогейного двигателя;

– после совершения нескольких витков по переходной орбите переход с помощью апогейного двигателя на орбиту близкую к круговой;

– точный перевод ИСЗ в точку над заданной долготой и коррекция его периода обращения и эксцентриситета орбиты; перевод ИСЗ (если требуется) из режима стабилизации вращением в режим стабилизации по трем осям и развертывание солнечных батарей;

– периодическая коррекция параметров орбиты для обеспечения нахождения ИСЗ над заданной точкой земной поверхности.

Возможно выведения ИСЗ на орбиту по схеме, представленной на рис. 3.18, б.

Судя по всему, начало амбициозного проекта не заставит себя долго ждать. На эту субботу 17 февраля 2018 года назначен запуск ракеты-носителя Falcon 9 с 1360-килограммовым испанским спутником Paz с базы Ванденберг в Калифорнии. В качестве «вторичного груза» в грузовой отсек добавят два мини-спутника - Microsat 2a и 2b. Это прототипы спутников из будущей глобальной спутниковой группировки SpaceX.

15 ноября 2016-го компания SpaceX запросила разрешение на работу собственного спутникового сервиса на орбите Земли, в котором её дочерняя фирма выступит оператором. В соответствии с документом, массивная спутниковая сеть SpaceX будет состоять не более чем из 4425 спутников (с запасными - до 4591) на низкой околоземной орбите, предоставляя услуги высокоскоростного доступа в интернет в глобальном масштабе в частотных диапазонах Ku (10,7−18 ГГц) и Ka (26,5−40 Ггц).

В марте 2017-го компания подала новую заявку ещё на 7518 спутников, доведя общее количество до 11 943, не считая резервных!

Каждый спутник заявлен весом 386 кг и размером 4×1,8×1,2 м, то есть со средний легковой автомобиль, не учитывая солнечные батареи. Срок службы - от пяти до семи лет. Согласно расчёту lozga , ракета-носитель Falcon 9 может вывести на орбиту 23 таких спутника. При такой загрузке понадобится минимум 70 пусков Falcon 9 для вывода первых 1600 спутников - и минимум 520 запусков для вывода на орбиту всей группировки. Для сравнения, компания OneWeb планирует выводить на «Союзах» по 32 своих спутника.

Грузовой отсек «Союза» со спутником Sentinel 1B размером 4×3×2,5 м, который занимает около 70% объёма. Грузовой отсек Falcon 9 значительно больше: 13,1×5,2 м

Возможно, благодаря Falcon Heavy количество запусков можно кардинально сократить - и проект обойдётся дешевле. Стоимость проекта изначально оценивалась в $10 млрд. Для его реализации планируется создать новую коммерческую компанию Space Exploration Technologies Corp, среди инвесторов называются Google и Fidelity Investments. Инвесторы уже вложили в новый космический стартап Илона Маска около $1 млрд.

Аналогичные планы по созданию огромных группировок мини-спутников вынашивают и конкуренты SpaceX. Так, OneWeb, Telesat и другие компании тоже внесли новые заявки. Таким образом, суммарное количество запланированных к выведению спутников составляет фантастические 18 470 штук. Для сравнения, сейчас на орбите Земли работает всего около 1400 спутников, в том числе 800 на низкой орбите.

Если тестовые спутники Microsat 2a и 2b успешно выйдут на орбиту, то инженеры SpaceX проверят работу коммникационного оборудования в Ku-диапазоне. В документах для Федеральной комиссии по связи указано, что наземные станции располагаются на объектах SpaceX в Редмонде и Брюстере, шт. Вашингтон, в штаб-квартире компании в Хоторне, шт. Калифорния, в испытательном центре SpaceX в МакГрегоре (Техас), в Барунсвилле (Техас), в штаб-квартире Tesla Motor во Фремонте (Калифорния). Ещё три наземные станции будут работать в передвижных фургонах. Компания также ведёт переговоры с партнёрами о работе наземных станций в Новой Зеландии и Норвегии.

Станции получения телеметрии и передачи управляющих команд в Ku-диапазоне

Кроме того, компания рассчитывает на поддержку сети наземных станций KSAT.

Теоретически, пользователь в любом уголке Земли сможет подключиться к спутниковой сети SpaceX и выйти в свободную Сеть независимо от попыток цензуры со стороны правительства своей страны. Илон Маск " >говорил , что стоимость терминала составит от $100 до $300, в зависимости от типа терминала.

В мае 2017 года SpaceX объявила , что практическая реализация планов по созданию спутниковой сети начнётся в 2019 году, а начало эксплуатации сети, вероятно, под названием Starlink , в ограниченном объёме запланировано на 2020 г.

Земля, как любое космическое тело, обладает собственным гравитационным полем и рядом расположенными орбитами, на которых могут находиться тела и объекты разной величины. Чаще всего под ними подразумеваются Луна и международная космическая станция. Первая ходит по своей собственной орбите, а МКС - по низкой околоземной. Существует несколько орбит, которые между собой отличаются удаленностью от Земли, относительным расположением относительно планеты и направлением вращения.

Орбиты искусственных спутников Земли

На сегодняшний день в ближайшем околоземном космическом пространстве находится множество объектов, которые являются результатами человеческой деятельности. В основном, это искусственные спутники, служащие для обеспечения связи, однако есть и немало космического мусора. Одним из самых известных искусственных спутников Земли является Международная космическая станция.

ИСЗ движутся по трем основным орбитам: экваториальной (геостационарной), полярной и наклонной. Первая полностью лежит в плоскости окружности экватора, вторая строго ей перпендикулярна, а третья располагается между ними.

Геосинхронная орбита

Название этой траектории связано с тем, что тело, движущееся по ней, имеет скорость, равную звездному периоду вращения Земли. Геостационарная орбита - это частный случай геосинхронной орбиты, которая лежит в той же плоскости, что и земной экватор.

При наклонении не равном нулю и нулевом эксцентриситете спутник, при наблюдении с Земли, описывает в течение суток в небе восьмерку.

Первый спутник на геосинхронной орбите - американский Syncom-2, выведенный на нее в 1963 году. Сегодня в некоторых случаях размещение спутников на геосинхронной орбите происходит по причине того, что ракета-носитель не может вывести их на геостационарную.

Геостационарная орбита

Данная траектория имеет такое название по той причине, что, несмотря на постоянное движение, объект, на ней находящийся, остается статичным относительно земной поверхности. Место, в котором находится объект, называется точкой стояния.

Спутники, выведенные на такую орбиту, часто используются для передачи спутникового телевидения, потому что статичность позволяет единожды направить на него антенну и долгое время оставаться на связи.

Высота расположения спутников на геостационарной орбите равна 35 786 километрам. Поскольку все они находятся прямо над экватором, для обозначения позиции называют только меридиан, например, 180.0˚E Интелсат 18 или 172.0˚E Eutelsat 172A.

Приблизительный радиус орбиты равен ~42 164 км, длина - около 265 000 км, а орбитальная скорость - примерно 3, 07 км/с.

Высокая эллиптическая орбита

Высокой эллиптической орбитой называют такую траекторию, высота которой в перигее в несколько раз меньше, чем в апогее. Выведение спутников на такие орбиты имеет ряд важных преимущества. Например, одной такой системы может быть достаточно для обслуживания всей России или, соответственно, группы государств с равной суммарной площадью. Кроме того, системы ВЭО на высоких широтах более функциональные, чем геостационарные спутники. А еще вывод спутника на высокую эллиптическую орбиту обходится приблизительно в 1,8 раза дешевле.

Крупные примеры систем, работающих на ВЭО:

• Космические обсерватории, запущенные NASA и ESA.
• Спутниковое радио Sirius XM Radio.
• Спутниковая связь Меридиан, -З и -ЗК, Молния-1Т.
• Спутниковая система коррекции GPS.

Низкая околоземная орбита

Это одна из самых низких орбит, которая в зависимости от разных обстоятельств может иметь высоту 160-2000 км и период обращения, соответственно, 88-127 минут. Единственным случаем, когда НОО была преодолена пилотируемыми космическими аппаратами - это программа Апполон с высадкой американских астронавтов на луну.

Большая часть используемых сейчас или использованных когда-либо ранее искусственных земных спутников работали на низкой околоземной орбите. По этой же причине в этой зоне сейчас расположена основная доля космического мусора. Оптимальная орбитальная скорость для спутников, находящихся на НОО, в среднем, равна 7,8 км/с.

Примеры искусственных спутников на НОО:

• Международная Космическая станция (400 км).
• Телекоммуникационные спутники самых разных систем и сетей.
• Разведывательные аппараты и спутники-зонды.

Обилие космического мусора на орбите - главная современная проблема всей космической индустрии. Сегодня ситуация такова, что вероятность столкновения различных объектов на НОО растет. А это, в свою очередь, ведет к разрушению и образованию на орбите еще большего числа фрагментов и деталей. Пессимистичные прогнозы говорят о том, что запущенный Принцип домино может полностью лишить человечество возможности осваивать космос.

Низкая опорная орбита

Низкой опорной принято называть ту орбиту аппарата, которая предусматривает изменение наклона, высоты или другие существенные изменения. Если же у аппарата нет двигателя и он не совершает маневры, его орбиту называют низкой околоземной.

Интересно, что российские и американские баллистики рассчитывают её высоту по разному, потому что первые основываются на эллиптической модели Земли, а вторые - на сферической. Из-за этого есть разница не только в высоте, но и в положении перигея и апогея.

Запуск спутника в космос ознаменовался новой эрой и стал прорывом в области техники и космонавтики. Необходимость создания спутника определилась ещё в начале двадцатого века. Однако с самого начала на пути запуска спутника в космическое пространство стояло множество проблем, над которыми трудились самые лучшие инженеры и учёные. Эти проблемы были связаны с необходимостью создания двигателей, способных работать в тяжелейших условиях и при этом, они должны быть необычайно мощными. Так же проблемы были связаны с правильным определением траектории движения спутника.

Итак, советские ученые решили поставленные задачи, и 4 октября 1957 года в СССР успешно был запущен искусственный спутник, за движением которого наблюдал весь мир. Это событие стало мировым прорывом и обозначило новый этап, как в науке в целом, так и во всем мире.

Прямая трансляция запуска Союз-Прогресс (миссия к МКС)

Задачи, решаемые спутником

Задачи, решаемые запуском спутника можно определить как следующие:

1. Изучение климата;

Всем известно, какое влияние климат оказывает на сельское хозяйство, на военную инфраструктуру. Благодаря спутникам можно предсказать появление разрушающих стихий, избежать большого количества жертв.

2. Изучение метеоритов;

В космическом пространстве находится огромное количество метеоритов, вес которых достигает нескольких тысяч тонн. Метеориты могут представлять опасность не только для спутников, космических кораблей, но и для людей. Если при пролете метеорита сила трения невелика, то несгоревшая часть способна достигнуть Земли. Диапазон скорости метеоритов достигает от 1220 м/сек до 61000 м/сек.

3. Применение телевизионного вещания;

В настоящее время роль телевидения велика. В 1962 году был запущен первый телевизионный транслятор, благодаря ему мир впервые увидел видеокадры через Атлантику в течение нескольких минут.

4. Система GPS.

Система GPS играет огромную роль почти в каждой сфере нашей жизни. GPS подразделяется на гражданскую и военную. Она представляет собой электромагнитные сигналы, излучаемые в радиоволновом участке спектра антенной, установленной на каждом из спутников. Состоит из 24 спутников, которые находятся на месте орбиты на высоте 20200 км. Время обращения вокруг Земли составляет 12 часов.

Телекоммуникационный спутник “Арабсат-5Б”

Запуск «Союз»

Запуск спутников и выход их на орбиту

Для начала важно обозначит траекторию полета спутника. На первый взгляд, кажется, что логичнее запустить ракету перпендикулярно (по кратчайшему расстоянию до цели), однако, такой вид запуска оказывается невыгодным, как с инженерной точки зрения, так и с экономической. На спутник, запущенный вертикально действуют силы притяжения Земли, которые значительно сносят её от назначенной траектории, и, сила тяги становится равной силе тяжести Земли.

Чтобы избежать падения спутника, сначала, его запускают вертикально, чтобы он смог преодолеть упругие слои атмосферы, такой полет продолжается на протяжении всего 20 км. Далее спутник с помощью автопилота наклоняется и в горизонтальном направлении движется к орбите.

Кроме того, задача инженеров состоит в том, чтобы рассчитать траекторию полета таким образом, чтобы скорость, затрачиваемая на преодоление атмосферных слоёв, а так же на затрату топлива составляли лишь несколько процентов от характеристической скорости.

Немаловажным является и то, в какую сторону запустить спутник. При запуске ракеты в сторону вращения Земли, происходит приращение скорости, которое зависит от местоположения запуска. Например, в экваторе оно является максимальным и составляет 403 м/с.

Орбиты спутников бывают круговыми и эллиптическими. Эллиптической орбита будет являться в том случае, если скорость ракеты будет выше окружной. Точка, находящаяся в ближайшем положении называется перигеем, а наиболее отдаленная апогеем.

Сам запуск ракеты со спутником производится в несколько ступеней. При прекращении работы двигателя первой ступени, угол наклона ракета-носителя составит 45 градусов, на высоте 58 км, затем производится её отделение. В работу включаются двигатели второй ступени, с возрастанием угла наклона. Далее, вторая ступени отделяется на высоте 225 км. Затем, ракета по инерции достигает высоты 480 км и оказывается в точке, находящейся на расстоянии 1125 км от старта. Затем начинает работать двигатели третьей ступени.

Возвращение спутника на землю

Возвращение спутника на Землю сопровождается некоторыми проблемами, связанными с торможением. Торможение может осуществляться двумя способами:

1. Благодаря сопротивлению атмосферы. Скорость спутника, вошедшего в верхние слои атмосферы, будет уменьшаться, но из-за аэродинамической формы подскочит рикошетом обратно в космическое пространство. После этого, спутник уменьшит свою скорость и войдет глубже в атмосферу. Так повторится несколько раз. После снижения скорости, спутник будет осуществлять спуск с помощью выдвижных крыльев.
2. Автоматический ракетный двигатель. Ракетный двигатель должен быть направлен в сторону противоположную движению искусственного спутника. Плюс данного способа заключается в том, что скорость торможения можно регулировать.

Заключение

Итак, спутники всего за полвека вошли в жизнь человека. Их участие помогает исследовать новые космические пространства. Спутник, как средство бесперебойной связи помогает сделать удобной повседневную жизнь людей. Прокладывающие путь в космические просторы, они помогают сделать нашу жизнь такой, какая она есть сейчас.

Завтра весь мир празднует День космонавтики. 12 апреля 1961 года Советский союз впервые в истории запустил пилотируемый корабль на борту которого был Юрий Гагарин. Сегодня мы покажем, как с космодрома "Байконур" в конце 2011 года с помощью ракетоносителя “Протон-М” был запущен второй казахстанский телекоммуникационный спутник “КазСат-2” (KazSat-2). Как аппарат был запущен на орбиту, в каком он состоянии, как и откуда производится его управление? Об этом мы узнаем в этом фоторепортаже.

1. 12-е июля 2011-го года. Cамую тяжелую российскую ракету космического назначения “Протон-М” с казахстанским спутником связи №2 и американским SES-3 (OS-2) вывозят на стартовую позицию. “Протон-М” запускают только с космодрома “Байконур”. Именно здесь существует необходимая инфраструктура для обслуживания этой сложнейшей ракетно-космической системы. Российская сторона, а именно производитель аппарата, космический центр имени Хруничева, гарантирует, что “КазСат-2” прослужит не менее 12-ти лет.

С момента подписания договора о создании спутника проект несколько раз перерабатывался, а сам запуск откладывался, по меньшей мере, три раза. В результате “КазСат-2” получил принципиально новую элементную базу и новый алгоритм управления. Но самое главное, на спутнике были смонтированы новейшие и очень надежные навигационные приборы, производства французского концерна ASTRIUM.

Это гироскопический измеритель вектора угловой скорости и астродатчики. С помощью астродатчиков спутник ориентирует себя в пространстве по звездам. Именно отказ навигационного оборудования привел к тому, что первый “КазСат” был фактически потерян в 2008-м году, что почти вызвало международный скандал.

2. Путь ракеты с подключенными к ней системами энергоснабжения и термостатирования головной части, где расположены разгонный блок “Бриз-М” и спутники занимает около 3-х часов. Скорость движения специального железнодорожного состава 5-7 километров в час, состав обслуживает команда специально подготовленных машинистов.

Еще одна группа сотрудников службы безопасности космодрома осматривает железнодорожные пути. Малейшая не расчетная нагрузка может повредить ракету. В отличие от своего предшественника, “КазСат” стал более энергоемким.

Количество передатчиков увеличилось до 16-ти. На “КазСате-1” их было 12. А суммарная мощность транспондеров увеличена до 4 с половиной киловатт. Это позволит прокачивать на порядок больше всевозможных данных. Все эти изменения отразились на стоимости аппарата. Она составила 115 миллионов долларов. Первый аппарат обошелся Казахстану в 65 миллионов.

3. За всем происходящим спокойно наблюдают обитатели местной степи. Корабли пустыни)

4. Размеры и возможности этой ракеты на самом деле поражают воображение. Ее длина составляет 58,2 метра, масса в заправленном состоянии 705 тонн. На старте тяга 6-ти двигателей первой ступени ракетоносителя составляет около 1 тыс. тонн. Это позволяет выводить на опорную околоземную орбиту объекты массой до 25-ти тонн, а на высокую геостационарную (30 тыс. км. от поверхности Земли)- до 5-ти тонн. Поэтому “Протон-М” незаменим, когда речь идет о запуске телекоммуникационных спутников.

Двух одинаковых космических аппаратов просто не бывает, потому что каждый космический аппарат - это совершенно новые технологии. За короткий период, бывает так, что приходится менять совершенно новые элементы. В “КазCате-2” применены те новые передовые технологии, которые на тот момент уже были. Была поставлена часть оборудования европейского производства, в части той, где у нас были отказы на “КазСат-1”. Я думаю, что оборудование, которое у нас сейчас работает на “КазСат-2” должно показать хорошие результаты. Оно имеет достаточно хорошую летную историю

5. На космодроме в настоящее время имеются 4 стартовые позиции для ракетоносителя “Протон”. Однако, только 3 из них, на площадках № 81 и № 200 находятся в рабочем состоянии. Ранее пусками этой ракеты занимались только военные из-за того, что работа с токсичным топливом требовала жесткого командного руководства. Сегодня комплекс демилитаризирован, хотя в составе боевых расчетов очень много бывших военных, снявших погоны.

Орбитальная позиция второго “КазСата” стала намного удобнее для работы. Это 86 с половиной градусов восточной долготы. Зона покрытия включает всю территорию Казахстана, часть Центральной Азии и России.

6. Закаты на космодроме “Байконур” исключительно технологические! Массивная конструкция чуть правее центра снимка - это “Протон-М” с подведенной к нему фермой обслуживания. С момента вывоза ракеты на стартовую позицию площадки № 200, и до момента старта проходит 4 суток. Все это время проводится подготовка и тестирование систем “Протона-М”. Примерно за 12 часов до старта проводится заседание государственной комиссии, которая дает разрешение на заправку ракеты топливом. Заправка начинается за 6 часов до старта. С этого момента все операции становятся необратимыми.

7. Какую же выгоду получает наша страна обладая собственным спутником связи? Прежде всего - это решение проблемы информационного обеспечения Казахстана. Свой спутник поможет расширить спектр информационных услуг для всего населения страны. Это услуга электронного правительства, интернета, мобильной связи. Самое главное, что казахстанский спутник позволит частично отказаться от услуг иностранных телекоммуникационных компаний, предоставляющих нашим оператором услуги по ретрансляции. Речь идет о десятках миллионов долларов, которые будут теперь уходить не за рубеж, а поступать в бюджет страны.

Виктор Лефтер, президент Республиканского центра космической связи:

Казахстан имеет достаточно большую территорию, по сравнению с другими странами. И надо понимать, что в каждый населенный пункт, в каждую деревенскую, сельскую школу мы не сможем подать те услуги связи, которые ограничены средствами кабельных и других систем. Космический аппарат решает эту проблему. Практически закрывается вся территория. Более того, не только территория Казахстана, но и часть территории соседних государств. И спутник - это стабильная возможность обеспечения связью

8. Различные модификации ракетоносителя “Протон” эксплуатируются с 1967-го года. Его главным конструктором был академик Владимир Челомей и его КБ (в настоящее время - КБ «Салют», филиал ГКНПЦ им. М.В.Хруничева). Можно смело утверждать, что все впечатляющие советские проекты по освоению околоземного пространства и изучению объектов Солнечной системы были бы неосуществимы без этой ракеты. Кроме того, “Протон” отличается очень высокой для техники подобного уровня надежностью: за все время его эксплуатации было произведено 370 пусков, из них 44 - неудачные.

9. Единственный и главный недостаток “Протона” - это крайне токсичные компоненты топлива: несимметричный диметилгидразин (НДМГ), или как его еще называют "гептил" и азотный тетраоксид ("амил"). В местах падения первой ступени (это территории в районе города Джезказгана), происходит загрязнение окружающей среды, что требует проведения дорогостоящих операций по ее очистке.

Ситуация серьезно усугубилась в начале 2000-х, когда произошло подряд три аварии ракетоносителя. Это вызвало крайнее недовольство властей Казахстана, потребовавших от российской стороны больших компенсаций. С 2001-го года старые модификации ракетоносителя были заменены на модернизированный “Протон-М”. В нем стоит цифровая система управления, а также система стравливания не сгоревших остатков топлива в верхних слоях ионосферы.

Таким образом, удалось существенно снизить ущерб для окружающей среды. Кроме того, разработан, но пока еще остается на бумаге проект экологически безопасного ракетоносителя “Ангара”, который использует в качестве компонентов топлива керосин и кислород, и который должен постепенно заменить “Протон-М”. Кстати, комплекс ракетоносителя “Ангара”на “Байконуре” будет называться “Байтерек” (в переводе с казахского “Тополь”.)

10. Именно надежность ракеты в свое время привлекла американцев. В 90-х годах было создано совместное предприятие ILS, которое позиционировало ракету на американском рынке телекоммуникационных систем. Сегодня большинство американских спутников связи гражданского назначения запускаются “Протоном-М” с космодрома в казахстанской степи. Американский SES-3 (принадлежащий компании SES WORLD SKIES), который находится в головной части ракеты вместе с казахстанским “КазСатом-2” - один из множества запускаемых с “Байконура”.

11. Кроме российского и американского флагов, на ракете размещен казахстанский а также эмблема Республиканского центра космической связи - организации, которая сегодня владеет и управляет спутником.

12. 16 июля 2011-го года 5 часов 16 минут и 10 секунд утра. Кульминационный момент. К счастью, все проходит благополучно.

13. Через 3 месяца после запуска. Молодые специалисты - ведущий инженер отдела управления спутником Бекболот Азаев, а также его коллеги инженеры Римма Кожевникова и Асылбек Абдрахманов. Вот эти ребята и управляют “КазСатом-2”.

14. Акмолинская область. Небольшой, и до 2006-го года ничем не примечательный районный центр Акколь получил широкую известность 5 лет назад, когда здесь построили первый в стране ЦУП - центр управления полетами орбитальных спутников. Октябрь здесь холодный, ветреный и дождливый, однако именно сейчас наступает самая горячая пора для тех людей, которые должны придать спутнику “КазСат-2” статус полноценного и важного сегмента казахстанской телекоммуникационной инфраструктуры.

15. После потери первого спутника в 2008-м году в Аккольском центре космической связи была проведена серьезная модернизация. Она позволяет уже сейчас управлять сразу двумя аппаратами.

Бауржан Кудабаев, вице-президент Республиканского центра космической связи:

Было установлено специальное программное обеспечение, поставлено новое оборудование. Перед вами стойка командно-измерительной системы. Это поставка американской фирмы Vertex, как и было на “КазСат-1”, но уже новой модификации, улучшенная версия. Применены разработки компании “Российские космические системы”. Т.е. это все - разработки сегодняшнего дня. Новые программы, оборудование элементная база. Все это улучшает работу с нашим космическим аппаратом

16. Дархан Марал, начальник центра управления полетом на рабочем месте. В 2011-м в Центр пришли молодые специалисты, выпускники российских и казахстанских вузов. Их уже научили работать, и как утверждают в руководстве РЦКС, с кадровым пополнением проблем нет. В 2008-м ситуация была намного печальнее. После потери первого спутника, значительная часть высокообразованных людей покинула центр.

17. Октябрь 2011-го был еще одним кульминационным моментом в работе над казахстанским спутником. Завершились его летно-конструкторские испытания, и начались так называемые зачетные испытания. Т.е. это был как бы экзамен для производителя на функциональность спутника. Происходило все следующим образом. На “КазСат-2” подняли телевизионный сигнал.

Затем несколько групп специалистов отправились в разные регионы Казахстана и замеряли параметры этого сигнала, т.е. насколько корректно сигнал ретранслирует спутник. Замечаний не возникло, и в конце концов специальная комиссия приняла акт о передаче спутника казахстанской стороне. С этого момента эксплуатацией аппарата занимаются казахстанские специалисты.

18. До конца ноября 2011-го в космическом центре “Акколь” работала большая группа российских специалистов. Они представляли субподрядные организации по проекту “КазСат-2”. Это ведущие компании российской космической отрасли: Центр им. Хруничева, который разработал и построил спутник, конструкторское бюро “Марс”(оно специализируется в области навигации орбитальных спутников), а также корпорация “Российские космические системы”, разрабатывающая программное обеспечение.

Вся система делится на две составляющие. Это, собственно, сам спутник и наземная инфраструктура управления. По технологии сначала подрядчик должен продемонстрировать работоспособность системы - это монтаж оборудования, его отладка, демонстрация функциональных возможностей. После всех процедур - обучение казахстанских специалистов.

19. Центр космической связи в Акколе - это одно из немногих мест в нашей стране, где сложилась благоприятная электромагнитная обстановка. На многие десятки километров вокруг здесь отсутствуют источники излучения. Они могут создать помехи и помешать управлению спутником. 10 больших параболических антенн направлены в небо в одну единственную точку. Там на большом расстоянии от поверхности Земли - это более 36-ти тысяч километров висит небольшой рукотворный объект - казахстанский спутник связи “КазСат-2”.

Большинство современных спутников связи геостационарные. Т.е. их орбита построена таким образом, что как бы зависает над одной географической точкой, и вращение Земли практически не оказывает на эту стабильную позицию никакого влияния. Это позволяет с помощью бортового ретранслятора прокачивать большие объемы информации, уверенно принимать эту информацию в зоне покрытия на Земле.

20. Еще одна любопытная деталь. По международным правилам допустимое отклонение спутника от точки стояния может составлять максимум пол-градуса. Для специалистов ЦУПа -удержать аппарат в заданных параметрах - ювелирная работа, требующая высочайшей квалификации специалистов-баллистиков. В центре будет работать 69 человек, из них 36 - это технические специалисты.

21. Вот это и есть главный пульт управления. На стене большой монитор, куда стекается вся телеметрия, на полукруглом столе несколько компьютеров, телефоны. Вроде бы все очень просто…

23. Виктор Лефтер, президент Республиканского центра космической связи:
- Мы будем расширять казахстанскую флотилию до 3-х, 4-х, а возможно даже - до 5-ти cпутников. Т.е. чтобы была постоянна замена аппаратов, резерв был, и чтобы наши операторы не испытывали такой острой необходимости использовать изделия других государств. Чтобы мы были обеспечены своими резервами.”

24. В настоящее время резервирование управления спутником осуществляется из Москвы, где расположен космический центр им. Хруничева. Однако, Республиканский центр космической связи намерен резервировать полет c казахстанской территории. Для этого сейчас строится второй ЦУП. Он будет расположен в 30-ти километрах севернее Алматы.

25. В планах Национального космического агентства Казахстана предстоящий в 2013-м году запуск третьего спутника “КазСат-3”. Контракт на его разработку и производство был подписан в 2011-м году во Франции, на аэрокосмическом салоне в ле Бурже. Спутник для Казахстана строит НПО им.академика Решетнева, которое расположено в российском городе Красноярске.

26. Интерфейс оператора отдела управления. Так он выглядит сейчас.

На видео можно увидеть, как был запущен этот спутник.

Оригинал взят отсюда

Читайте наше сообщество также вконтакте, где огромный выбор видеосюжетов по тематике "как это сделано" и в фейсбуке.