Созданные на заводах и запущенные на орбиту, они продолжают «кружить» во благо человечества, оставаясь неизменно интересными разве что узкому кругу специалистов. Что же представляют собой искусственные спутники и какую пользу из них извлекает человек?
Как известно, одним из главных условий выхода спутника на орбиту является его скорость – 7,9 км/с для низкоорбитальных спутников. Именно при такой скорости наступает динамическое равновесие и центробежная сила уравновешивает силу тяжести. Иными словами, спутник летит настолько быстро, что не успевает упасть на земную поверхность, поскольку Земля в прямом смысле слова уходит у него «из-под ног» из-за того, что она круглая. Чем больше начальная скорость, сообщенная спутнику, тем выше будет его орбита. Однако по мере удаления от Земли скорость на круговой орбите падает и геостационарные спутники движутся по своим орбитам со скоростью всего 2,5 км/с. При решении задачи длительного и даже вечного существования космического аппарата (КА) на околоземной орбите необходимо поднимать его на все большую высоту. Стоит заметить, что на движение КА существенным образом влияет и атмосфера Земли: даже будучи сверхразреженной на высотах свыше 100 км от уровня моря (условной границы атмосферы), она заметно тормозит их. Так что со временем все КА теряют высоту полета и срок их пребывания на орбите напрямую зависит от этой высоты.
С Земли спутники видны только ночью и в те моменты времени, когда они освещены Солнцем, то есть не попадают в область земной тени. Необходимость совпадения всех перечисленных факторов приводит к тому, что продолжительность наблюдения большинства низкоорбитальных спутников составляет в среднем по 10 минут перед входом и столько же – после выхода из тени Земли. При желании земные наблюдатели могут систематизировать спутники по яркости (на первом месте здесь находится Международная космическая станция (МКС) – ее яркость приближается к первой звездной величине), по периодичности мерцания (определяемой вынужденным или специально заданным вращением), по направлению движения (через полюс или в ином направлении). На условия наблюдения спутников существенным образом влияют цвет его покрытия, наличие и размах солнечных батарей, а также высота полета – чем она больше, тем медленнее движется спутник и тем существенно менее ярким и заметным он становится.
Большая высота полета (минимальное расстояние до Земли 180– 200 км) скрадывает размер даже таких относительно больших КА, как орбитальные комплексы «Мир» (сведенный с орбиты в 2001 году) или МКС, – все они видны, как светящиеся точки, большей или меньшей яркости. Простым глазом, за редким исключением, опознать спутник невозможно. Для целей точной идентификации КА используют различные оптические средства – от биноклей до телескопов, что простому наблюдателю не всегда доступно, а также расчеты их траекторий движения. Опознать отдельные КА астроному-любителю помогает Интернет, где публикуется информация о местонахождении спутников на околоземной орбите. В частности, любой желающий может войти на сайт NASA, где в режиме реального времени отображается текущее местонахождение МКС.
Что же касается практического применения спутников, то начиная с самых первых запусков они сразу стали решать конкретные задачи. Так, полет первого спутника был использован для исследования из космоса магнитного поля Земли, а его радиосигнал нес в себе данные о температуре внутри герметичного корпуса спутника. Поскольку запуск космического аппарата – удовольствие достаточно дорогое, да к тому же весьма сложное в реализации, то на каждый из запусков возлагается сразу несколько задач.
Прежде всего решаются технологические проблемы: отработка новых конструкций, систем управления, передачи данных и тому подобное. Полученный опыт позволяет создавать следующие экземпляры спутников более совершенными и постепенно переходить к решению усложненных целевых задач, оправдывающих расходы по их созданию. Ведь конечной целью этого производства, как и всякого другого, является извлечение прибыли (коммерческие запуски) или максимально эффективное использование спутников в процессе эксплуатации для целей обороны, решения геополитических и многих других задач.
Следует напомнить, что космонавтика в целом родилась вследствие военно-политического противостояния СССР и США. И, конечно, как только появился первый спутник, оборонные ведомства обеих стран, наладив контроль за космическим пространством, ведут с тех пор постоянный учет всех объектов, находящихся в ближайших окрестностях Земли. Так что, наверное, только им известно точное число КА, так или иначе функционирующих на данный момент. При этом отслеживаются не только сами космические аппараты, но и доставившие их на орбиту последние ступени ракет, переходные отсеки и другие элементы. То есть, строго говоря, спутником считается не только то, что имеет «интеллект» – собственную систему управления, наблюдения и связи, – но и простой болт, отделившийся от КА на очередной фазе полета.
По данным каталога Космического командования США по состоянию на 31 декабря 2003 года, таких спутников на околоземной орбите зарегистрировано 28 140, и число их неуклонно растет (учитываются объекты размером более 10 см). Со временем, в силу естественных причин, часть спутников падает на Землю в виде оплавленных остатков, но многие остаются на орбитах на протяжении десятилетий. Когда КА отрабатывают свой ресурс и перестают подчиняться командам с Земли, продолжая при этом летать, в околоземном космическом пространстве становится не просто тесно, но порой и опасно. Поэтому при запуске на орбиту нового аппарата, во избежание столкновения и катастрофы, необходимо постоянно знать о том, где находится «старый».
Классификация КА является задачей довольно трудоемкой, поскольку каждый аппарат уникален, а круг задач, решаемых новыми КА, постоянно расширяется. Однако если рассматривать космические аппараты с точки зрения практической пользы, то можно выделить основные категории, определяемые их целевым назначением. Наиболее востребованными на сегодняшний день являются спутники связи, навигационные, дистанционного зондирования Земли и научные. Спутники военного назначения и спутники-разведчики составляют отдельный класс, но по сути своей они решают те же задачи, что и их «мирные» собратья.
Связисты одними из первых получили практическую выгоду от запуска спутников. Выведение на околоземную орбиту спутников-ретрансляторов позволило в кратчайшие сроки решить проблему устойчивой всепогодной связи на большей части обитаемой территории. Первым коммерческим спутником был именно спутник связи – «Эхо-2», запущенный США в 1964 году и позволивший организовать передачу телевизионных программ из Америки в Европу без использования кабельных линий связи.
В это же время свой спутник связи «Молния-1» был создан и в Советском Союзе. После развертывания наземной сети станций «Орбита» все регионы нашей большой страны получили доступ к Центральному телевидению, а кроме того, была решена проблема организации надежной и качественной телефонной связи. Спутники связи «Молния» размещались на высокоэллиптических орбитах с апогеем в 39 000 км. Для целей непрерывного вещания была развернута целая группировка спутников «Молния», летавших в различных орбитальных плоскостях. Наземные станции сети «Орбита» были снабжены довольно большими антеннами, которые с помощью сервоприводов отслеживали движение спутника по орбите, периодически переключаясь на тот, который находится в зоне видимости. С течением времени в процессе совершенствования элементной базы и улучшения технических параметров бортовых и наземных систем произошла смена нескольких поколений таких спутников. Но и по сей день группировки спутников семейства «Молния-3» обеспечивают передачу информации по всей территории России и за ее пределы.
Создание мощных ракет-носителей типа «Протон» и «Дельта» позволило обеспечить доставку спутников связи на геостационарную круговую орбиту. Ее особенность состоит в том, что на высоте 35 800 км угловая скорость вращения спутника вокруг Земли равна угловой скорости вращения самой Земли. Поэтому спутник, находящийся на такой орбите в плоскости земного экватора, как бы висит над одной точкой, а 3 геостационарных спутника, расположенных под углом 120°, обеспечивают обзор всей поверхности Земли, за исключением только приполярных районов. Поскольку задача поддержания своего заданного положения на орбите возлагается на сам спутник, то использование геостационарных космических аппаратов позволило существенно упростить наземные средства приема-передачи информации. Отпала необходимость снабжать антенны приводами – они стали статичными, и для организации канала связи их достаточно выставить лишь однажды, при первоначальной настройке. В итоге наземная сеть пользователей оказалась существенно расширенной, и информация стала поступать
