"фотометрия исз". Искусственные спутники Земли: Всё о спутниках Виды искусственных спутников

2007 г.

Основная идея

Этот сайт посвящён вопросам наблюдения искуственных спутников Земли (далее ИСЗ ). Со времени начала космической эры (4 октября 1957 г. был запущен первый ИСЗ - "Спутник-1") человечество создало огромное число спутников, которые кружат вокруг Земли по всевозможным орбитам. На сегодняшний момент число подобных рукотворных объектов превышает десятки тысяч. В основном это "космический мусор" - осколки ИСЗ, отработанные ступени ракет и т.д. Лишь небольшая часть из них составляют действующие ИСЗ.
Среди них есть и исследовательские, и метеорологические, и спутники связи и телекоммуникации, и военные ИСЗ. Пространство вокруг Земли "заселено" ими от высот 200-300 км и до 40000 км. Лишь часть из них доступна для наблюдений с использованием недорогой оптики (бинокли, подзорные трубы, любительские телескопы).

Создавая этот сайт, авторы ставили перед собой цель - собрать воедино информацию о методах наблюдения и съёмки ИСЗ, показать, как расчитывать условия их пролёта над определённой местностью, описать практические аспекты вопроса наблюдения и съёмки. На сайте представлен, в основном, авторский материал, полученный в ходе проведения наблюдений участниками секции "Космонавтика" астрономического клуба "hν" при Минском планетарии (Минск, Беларусь).

И всё же, отвечая на основной вопрос - "Зачем?", нужно сказать следующее. Среди всевозможных хобби, которыми увлекается человек, есть астрономия и космонавтика. Тысячи любителей астрономии наблюдают за планетами, туманностями, галактиками, переменными звёздами, метеорами и прочими астрономическими объектами, фотографируют их, проводят свои конференции и "мастер-классы". Зачем? Это просто хобби, одно из многих. Способ уйти от ежедневных проблем. Даже тогда, когда любители выполняют работы, имеющие научную значимость, они остаются любителями, которые делают это для своего удовольствия. Астрономия и космонавтика - очень "технологичные" увлечения, где можно применить свои знания оптики, электроники, физики и пр. естественно-научных дисциплин. А можно и не применять - и просто получать удовольствие от созерцания. Со спутниками дела обстоят похожим образом. Особенно интересно следить за теми ИСЗ, информация о которых не распространяется в открытых источниках - это военные спутники разведки разных стран. В любом случае, наблюдение ИСЗ - это охота. Часто мы можем заранее указать где и когда покажется спутник, но не всегда. А как он себя будет "вести" - предсказать ещё сложнее.

Благодарности:

Описанные методики были созданы на основе наблюдений и исследований, в которых приняли участие члены клуба любителей астрономии "hν" Минского планетария (Беларусь):

• Бозбей Максим.
• Дрёмин Геннадий.
• Кенько Зоя.
• Мечинский Виталий.

Также большую помощь оказали члены клуба любителей астрономии "hν" Лебедева Татьяна , Повалишев Владимир и Ткаченко Алексей . Отдельная благодарность Александру Лапшину (Россия), profi-s (Украина), Даниилу Шестакову (Россия) и Анатолию Григорьеву (Россия) за помощь в создании п. II §1 "Фотометрия ИСЗ", Главы 2 и Главы 5, а Елене (Tau , Россия) также за консультации и написание нескольких расчётных программ. Авторы также благодарят Абгаряна Михаила (Беларусь), Горячко Юрия (Беларусь), Григорьева Анатолия (Россия), Еленина Леонида (Россия), Жука Виктора (Беларусь), Молотова Игоря (Россия), Морозова Константина (Беларусь), Плаксу Сергея (Украина), Прокопюка Ивана (Беларусь) за предоставленные иллюстрации для некоторых разделов сайта.

Часть материалов получена в ходе выполнения заказа УП "Геоинформационные системы" Национальной академии наук Беларуси. Представление материалов выполняется на некоммерческой основе в целях популяризации Белорусской космической программы среди детей и молодежи.

Виталий Мечинский, Куратор секции "Космонавтика" астроклуба "hν".

Новости сайта:

• 01.09.2013: Значительно Обновлён подпункт 2 "Фотометрия ИСЗ за пролёт" п. II §1 -- добавлена информация по двум методикам фотометрии треков ИСЗ (метод фотометрического профиля трека и метод изофотной фотометрии).
• 01.09.2013: Обновлён подпункт п. II §1 -- добавлена информация по работе с рограммой "Highecl" для расчёта вероятных вспышек от ГСС.
• 30.01.2013: Обновлена "Глава 3" -- добавлена информация по работе с рограммой "MagVision" для расчёта падения проницания от засветки со стороны Солнца и Луны.
• 22.01.2013: Обновлена Глава 2. Добавлена анимация движения спутников по небу за одну минуту.
• 19.01.2013: Обновлён подпункт "Визуальные наблюдения ИСЗ" п.1 "Определение орбит ИСЗ" §1 Главы 5. Добавлена информация про устройства подогрева электроники и оптики для защиты от выпадения росы, инея и от излищнего охлаждения.
• 19.01.2013: Добавлена в "Главу 3" информация про падение проницания при засветке от Луны и сумерек.
• 09.01.2013: Добавлен подпункт "Вспышки от лидара ИСЗ "CALIPSO" подпункта "Фотографирование вспышек" п. II "Фотометрия ИСЗ" §1 Главы 5. Описана информация по особенностям наблюдения вспышек от лазерного лидара ИСЗ "CALIPSO" и процесс подготовки к ним.
• 05.11.2012: Обновлена вводная часть §2 Главы 5. Добавлена информация о необходимом минимуме оборудования для радионаблюдений ИСЗ, а также приведена схема светодиодного индикатора уровня сигнала, который используется для выставления безопасного для диктофона уровня входного аудио-сигнала.
• 04.11.2012: Обновлён подпункт "Визуальные наблюдения ИСЗ" п.1 "Определение орбит ИСЗ" §1 Главы 5. Добавлена информация про звёздный атлас Брно, а также про красную плёнку на ЖКИ-экраны электронных устройств, используемых при наблюдениях.
• 14.04.2012: Обновлён подпункт подпункта "Фото/видео съёмка ИСЗ" п.1 "Определение орбит ИСЗ" §1 Главы 5. Добавлена информация про работу с программой "SatIR" для отождествления ИСЗ на фотографиях с широким полем зрения, а также определение координат концов треков ИСЗ на них.
• 13.04.2012: Обновлён подпункт "Астрометрия ИСЗ на полученных снимках: фото и видео" подпункта "Фото/видео съёмка ИСЗ" п.1 "Определение орбит ИСЗ" §1 Главы 5. Добавлена информация про работу с программой "AstroTortilla" для определения координат центра поля зрения снимков участков звёздного неба.
• 20.03.2012: Обновлён подпункт п.2 "Классификация орбит ИСЗ по величине большой полуоси" §1 Главы 2. Добавлена информация про величину дрейфа ГСС и возмущений орбиты.
• 02.03.2012: Добавлен подпункт "Наблюдения и съемка запусков ракет на отдалении" подпункта "Фото/видео съёмка ИСЗ" п. I "Определение орбит ИСЗ" §1 Главы 5. Описана информация по особенностям наблюдения полёта ракет-носителей на этапе выведения.
• "Конвертирование астрометрии в IOD-формат" подпункта "Фото/видео съёмка ИСЗ" п.I "Определение орбит ИСЗ" §1 Главы 5. Добавлено описание работы с программой "ObsEntry for Window" для конвертации астрометрии ИСЗ в IOD-формат -- аналог программы "OBSENTRY", но для ОС Windows.
• 25.02.2012: Обновлён подпункт "Солнечно-синхронные орбиты" п.1 "Классификация орбит ИСЗ по наклонению" §1 Главы 2. Добавлена информация о расчёте значения наклонения i ss солнечно-синхронной орбиты ИСЗ в зависимости от эксцентриситета и большой полуоси орбиты.
• 21.09.2011: Обновлён подпункт подпункта 2 "Фотометрия ИСЗ за пролёт" п. II "Фотометрия ИСЗ" §1 Главы 5. Добавлена информация о синодическом эффекте, искажающем определение периода вращения ИСЗ.
• 14.09.2011: Обновлён подпункт "Расчёт орбитальных (кеплеровских) элементов орбиты ИСЗ на основе астрометрических данных. Один пролёт" подпункта "Фото/видео съёмка ИСЗ" п. I "Определение орбит ИСЗ" §1 Главы 5. Добавлена информация о программе "SatID" для идентификации спутника (используя полученные TLE) среди спутников из сторонней базы TLE, а также описан метод идентификации спутника в программе "Heavensat" на основе увиденного пролёта возле опорной звезды.
• 12.09.2011: Обновлён подпункт "Расчёт орбитальных (кеплеровских) элементов орбиты ИСЗ на основе астрометрических данных. Несколько пролётов" подпункта "Фото/видео съёмка ИСЗ" п. I "Определение орбит ИСЗ" §1 Главы 5. Добавлена информация о программе пересчёта TLE-элементов на нужную дату.
• 12.09.2011: Добавлен подпункт "Вхождение ИСЗ в атмосферу Земли" подпункта "Фото/видео съёмка ИСЗ" п. I "Определение орбит ИСЗ" §1 Главы 5. Описана информация по работе с программой "SatEvo" для предсказания даты вхождения ИСЗ в плотные слои атмосферы Земли.
• "Вспышки от геостационарных ИСЗ" подпункта "Фотографирование вспышек" п. II "Фотометрия ИСЗ" §1 Главы 5. Добавлена информация о периоде видимости вспышек ГСС.
• 08.09.2011: Обновлён подпункт "Изменение блеска ИСЗ в течении пролёта" подпункта 2 "Фотометрия ИСЗ за пролёт" п. II "Фотометрия ИСЗ" §1 Главы 5. Добавлена информация о виде фазовой функции для нескольких примеров отражающих поверхностей.
• подпункта 1 "Наблюдение вспышек ИСЗ" п. II "Фотометрия ИСЗ" §1 Главы 5. Добавлена информация о неравномерности шкалы времени вдоль изображения трека ИСЗ на матрице фотоприёмника.
• 07.09.2011: Обновлён подпункт "Фотометрия ИСЗ за пролёт" п. II "Фотометрия ИСЗ" §1 Главы 5. Добавлен пример сложной кривой блеска ИСЗ "NanoSail-D" (SCN:37361) и моделирование его вращения.
• "Вспышки от низкоорбитальных ИСЗ" подпункта 1 "Наблюдение вспышек ИСЗ" п. II "Фотометрия ИСЗ" §1 Главы 5. Добавлены фотография и фотометрический профиль вспышки от LEO ИСЗ "METEOR 1-29".
• 06.09.2011: Обновлён подпункт "Геостационарные и геосинхронные орбиты ИСЗ" §1 Главы 2. Добавлена информация по классификации геостационарных ИСЗ, информация о форме траекторий ГСС.
• 06.09.2011: Обновлён подпункт "Съёмка пролёта ИСЗ: оборудование для съёмки. Оптические элементы" подпункта "Фото/видео съёмка ИСЗ" п. I "Определение орбит ИСЗ" §1 Главы 5. Добавлены ссылки на обзоры отечественных объективов в применении к съёмке ИСЗ.
• 06.09.2011: Обновлён подпункт "Фазовый угол" п. II "Фотометрия ИСЗ" §1 Главы 5. Добавлена анимация изменения фазы спутника в зависимости от фазового угла.
• 13.07.2011: Закончено заполнение всех глав и разделов сайта.
• 09.07.2011: Закончено написание вводной части к п. II "Фотометрия ИСЗ" §1 Главы 5.
• 05.07.2011: Закончено написание вводной части к §2 "Радионаблюдения ИСЗ" Главы 5.
• 04.07.2011: Обновлён подпункт "Обработка наблюдений" п. I "Приём телеметрии ИСЗ" §2 Главы 5.
• 04.07.2011: Закончено написание п. II "Получение снимков облачности" §2 Главы 5.
• 02.07.2011: Закончено написание п. I "Приём телеметрии ИСЗ" §2 Главы 5.
• 01.07.2011: Закончено написание подпункта "Фото/видео съёмка ИСЗ" п. I §1 Главы 5.
• 25.06.2011: Закончено написание Приложений .
• 25.06.2011: Закончено написание вводной части к Главе 5: "Что и как наблюдать?"
• 25.06.2011: Закончено написание вводной части к §1 "Оптические наблюдения" Главы 5.
• 25.06.2011: Закончено написание вводной части к п. I "Определение орбит ИСЗ" §1 Главы 5.
• 25.06.2011: Закончено написание Главы 4: "О времени" .
• 25.01.2011: Закончено написание Главы 2: "Какие орбиты и ИСЗ бывают?" .
• 07.01.2011: Закончено написание Главы 3: "Подготовка к наблюдениям" .
• 07.01.2011: Закончено написание Главы 1: "Как движутся ИСЗ?"

Принципиальное решение о начале работ по созданию спутника для осуществления полёта живого существа было принято еще в 1956 году. Проведение экспериментов в течение длительного времени требовало создания такого оборудования, которое было бы в состоянии автоматически поддерживать необходимые условия для жизни животного в полете, в частности - определенную температуру и влажность, обеспечивать его необходимым количеством пищи и воды, удалять продукты жизнедеятельности и т.д. Исследовательская аппаратура должна была обеспечивать бесперебойную автоматическую регистрацию необходимых научных данных и их передачу на Землю. Необходимо было решить вопросы специальной подготовки животных, в частности к воздействию ряда динамических факторов (шумы, вибрации, перегрузки), длительному пребыванию в фиксированном положении в кабине малого объема со специфическими особенностями питания, водообеспечения, отправления естественных нужд и т.п. Созданием и изготовлением как самого спутника, так и отсека для животного, занимались специалисты королёвского ОКБ-1, работавшие в контакте со специалистами 8-го отдела Научно-исследовательского испытательного института авиационной медицины (НИИИАМ).

После успешного запуска первого спутника Земли 4 октября 1957 года план работ по полёту животного был пересмотрен. Руководство СССР и лично Н.С.Хрущев требовали закрепить успех. В этих условиях было решено пойти на создание второго простейшего спутника без системы возвращения на Землю. Это решение о запуске к сороковой годовщине Октябрьской революции (7 ноября) второго искусственного спутника с собакой стало фактически смертным приговором для будущего четвероногого «космонавта». Официально оно было принято 12 октября 1957 года . В связи со сжатыми сроками второй простейший спутник создавался без всякого предварительного эскизного или другого проектирования - не было времени. Почти все детали изготавливались по эскизам, сборка шла по указаниям конструкторов и путем подгонки по месту. Общий вес спутника - 508,3 килограмма. Чтобы не ставить на спутник отдельную систему передачи данных было решено не отделять КА от центрального блока. Посколько у этом случае вторая ступень ракеты сама по себе выходит на орбиту спутника, то для передачи параметров использовалась аппаратура «Трал», которая была установлена на носителе. Таким образом, второй искусственный спутник представлял собой всю вторую ступень - центральный блок ракеты-носителя.

Для размещения животного на борту спутника была разработана специальная конструкция - герметичная кабина животного (ГКЖ). Укрепленная на силовой раме ГКЖ представляла собой цилиндрический контейнер диаметром 640 мм и длиной 800 мм, снабженный съемной крышкой со смотровым люком. На съемной крышке располагались герметические разъемы для ввода электрических проводов. Кабина для животного была выполнена из алюминиевого сплава. В контейнере весьма компактно располагались подопытное животное и все необходимое оборудование, состоявшее из установок для регенерации воздуха и регулирования температуры в кабине, кормушки с запасом пищи, ассенизационного устройства и комплекта медицинской аппаратуры.

Установка для регенерации воздуха содержала регенерационное вещество, которое поглощало углекислый газ и водяные пары и выделяло при этом необходимое количество кислорода. Запас регенерационного вещества обеспечивал потребности животного в кислороде в течение 7 суток. Для вентиляции регенерационной установки служили малогабаритные электромоторы. Работа установки регулировалась сильфонным барореле, которое при повышении давления воздуха свыше 765 мм рт.ст. выключало наиболее активную часть регенерационной установки. Приспособление для регулирования температуры воздуха включало специальный теплоотводящий экран, на который подавался отводимый от животного воздух, и сдвоенное термореле, включающее вентилятор обдува при повышении температуры воздуха в кабине выше +15°С.

Кормление и обеспечение животного водой производилось из металлического резервуара объемом 3 л, содержащего запас желеобразной массы, рассчитанной на полное обеспечение потребности животного в воде и пище в течение семи суток.

В 8-м отделе НИИИАМ велась подготовка собак для участия в будущих полётах. Руководил работами по тренировке животных и выработке у них необходимых условных связей Олег Георгиевич Газенко. Исходя из определенных заранее размеров контейнера для животного были выбраны небольшие собаки массой не более 6000 г. Сначала животное приучали к обстановке лаборатории и пребыванию в специальных клетках. Объем этих клеток постепенно уменьшался, приближаясь к размерам клетки для собак в герметической кабине спутника. Продолжительность пребывания животных в таких клетках в наземных экспериментах постепенно увеличивалась от нескольких часов до 15-20 суток. Одновременно с этим животное приучали к ношению специальной одежды, ассенизационного устройства (закрепленного на теле мочекалоприемника) и датчиков для регистрации физиологических функций.

В ходе тренировки проводилась тщательная индивидуальная подгонка всего снаряжения. Эта работа считалась выполненной тогда, когда животное спокойно переносило 20-суточное пребывание в тесной клетке со всем снаряжением и при этом у него не отмечалось каких-либо нарушений общего состояния или местных повреждений.

Следующим этапом тренировки было приучение животных к длительному пребыванию в герметической кабине. В этой кабине размещалось все необходимое оборудование, предназначенное для будущего полета спутника. Собаки приучались к обстановке кабины, питанию при помощи автоматов, шуму работающих агрегатов. Производилось гашение реакции животного на сложный комплекс раздражителей, связанных с монтажом аппаратуры и оборудования и герметизацией кабины. Одновременно проводили испытания оборудования кабины и измерительной аппаратуры, в процессе которых они были усовершенствованы.

К моменту готовности к пуску второго, обитаемого искусственного спутника Земли в Институте авиационной медицины была полностью завершена подготовка и тренировка десяти животных, длившаяся в общей сложности около года. Из очень схожих между собой собак было отобрано три: Альбина, Лайка и Муха. Был еще четвертый - кобель Атом, но он умер во время тренировок. Альбина была уже опытным «космонавтом», дважды побывав в космическом полете при запусках геофизических ракет. Окончательный выбор был сделан Владимиром Яздовским дней за десять до пуска. В безвозвратный полёт предстояло отправиться двухлетней Лайке, Альбина была зачислена дублером, а собаку Муху было решено использовать в качестве «технологической» собаки для испытаний с ее участием измерительной аппаратуры и оборудования систем жизнеобеспечения ГКЖ уже на космодроме. Все животные были предварительно прооперированы В.И. Яздовским. Была выведена общая сонная артерия в кожный лоскут для измерения артериального кровяного давления, на грудной клетке были вживлены датчики для регистрации ЭКГ и частоты дыхательных движений грудной клетки.

Тренировки собак продолжались и по прибытии на космодром. Вплоть до момента старта Лайка на несколько часов ежедневно помещалась в контейнер. Собака полностью освоилась с условиями тренировки, спокойно сидела, позволяла регистрировать показатели физиологических функций, охотно принимала пищу. За несколько дней до полёта была проведена генеральная репетиция полёта. Собаку Муху посадили в ГКЖ, и оставили в степи. На третьи сутки её «полёт» было решено прервать. При вскрытии кабины собака оказалась живой, но изможденной, так как за трое суток ничего не ела. В качестве еды использовалась желеобразная консистенция пищевого рациона, которая была предложена сотрудниками института. Этим решались вопросы обеспечения животного необходимым количеством воды в невесомости.

31 октября в 10 утра Лайку начали готовить к полёту. Около часу ночи 1 ноября ГКЖ с Лайкой была установлена на ракету. Запуск космического аппарата «Спутник-2» был проведен 3 ноября 1957 года с космодрома Байконур. На взлете пульс у Лайки доходил до 260 ударов в минуту (в три раза выше нормы). Частота дыхания выросла в 4 - 5 раз. В условиях невесомости физиологические процессы стали нормальными. К сожалению, недостаточно эффективно работала система отвода тепла от кабины животного, происходило избыточное выделение тепла регенерационной системой. Кроме всего прочего, происходило также «натекание» тепла от неотстыкованной последней ступени ракеты. Температура воздуха в биокабине в первые часы полета колебалась от +10 до +38°С, а затем к 8-му часу полета повысилась до +42° С.

Но обеспечить получение информации о состоянии Лайки в течение недели, как первоначально планировалось, не удалось. Подвел часовой механизм. Команды на включение телеметрического передатчика выдавались не в те моменты, когда КА проходил над территорией СССР, а где-то за её пределами. Поэтому никаких сведений о самочувствии Лайки уже через сутки медики не имели. Гибель животного на втором искусственном спутнике Земли произошла от перегрева через 5 - 6 часов после начала интенсивного перегревания. Такое предположение было высказано на основании специально проведенных аналитических опытов на собаках в лабораторных условиях в 1958 году, во время которых собак помещали в схожие условия. Все собаки погибали от перегрева. Спутник с мертвой собакой находился на орбите до середины апреля 1958 года, после чего вошел в плотные слои атмосферы и сгорел.

Теория движения ИСЗ и других КЛА, применяемых в дистанционном зондировании, картографии и геодезии, представляет собой сложный раздел прикладной небесной механики. Указанные КЛА, как правило, имеют низкие орбиты с высотой перицентра порядка 250400 км. Поэтому даже небольшие изменения концентраций масс в теле Земли, все отклонения формы Земли от сферической вызывают возмущение элементов орбиты. Кроме того, движение КЛА происходит в довольно плотных слоях атмосферы. Необходимо иметь совершенную модель атмосферы, позволяющую с высокой точностью рассчитывать возмущения.

При решении задач космической съемки и геодезии необходимо особенно точное интегрирование уравнений движения ИСЗ с учетом всех возмущающих факторов. Эти расчеты проводятся в вычислительных центрах, связанных с космосом, например, в государственном комитете «Природа», и выдаются заинтересованным организациям. Инженеру- геодезисту, землеустроителю, фотограмметристу нужно будет выполнять интерполирование полученных данных (координат и составляющих скорости) для моментов фотографирования.

1.2.1 Законы Кеплера и элементы орбиты

В теории невозмущенного движения ИСЗ полагают, что спутник вращается вокруг сферической Земли с абсолютно равномерным распределением масс в ее теле, и сила притяжения между Землей и спутником является единственной причиной его орбитального движения. Всю массу Земли при этом можно считать сосредоточенной в центре масс и рассматривать движение спутника в гравитационном поле, создаваемом центром масс Земли. Спутник при этом рассматривают как материальную точку с единичной массой.

В этом случае движение ИСЗ по орбите описывается законами Кеплера, которые сформулируем применительно к движению спутников Земли.

Первый закон Кеплера. Спутник движется по эллипсу, в одном из фокусов которого находится центр масс Земли.

Второй закон Кеплера. Радиус-вектор спутника за равные промежутки времени описывает («заметает») равные площади.

Третий закон Кеплера. Квадраты периодов обращения любых двух спутников относятся как кубы больших полуосей их орбит.

Пусть точка М является фокусом, в котором находится центр масс Земли (рисунок 2). Точка П орбитального эллипса, ближайшая к фокусу М , называетсяперицентром .

Рисунок 2 - Орбитальный эллипс.

ТочкаА , наиболее удаленная от фокусаМ называетсяапоцентром . Линия, соединяющая точкиА иП , называетсялинией апсид , а сами точкиА иП -апсидами .

Введем орбитальную систему координат X  , Y    Z  = 0, начало которой находится в точкеМ (центре масс), положительное направление осиX  совпадает с направлением в перицентр.

Полярными координатами в орбитальной системе координат являются радиус-вектор и истинная аномалия. Радиус-вектор проводится из начала координат (точкаМ ) до точкиi орбиты, где находится ИСЗ в моментt i . Истинная аномалия - это угол, отсчитываемый от осиX  до радиус-вектора.

Уравнение эллипса в полярных координатах:

, (1.

где a – большая полуось орбиты; – эксцентриситет орбиты (эллипса);

– фокальный параметр.

Эксцентриситет является характеристикой вытянутости (сплюснутости) орбиты и равен:

где a – расстояние между центром и фокусом эллипса;b – малая полуось эллипса.

Наряду с истинной аномалией при описании движения спутников, планет и звезд используютэксцентрическую аномалию Е . Проведем из центраC эллипса окружность с радиусом, равным большой полуосиa эллипса. Из точкиi орбиты опустим перпендикулярна линию апсид и продолжим его до пересечения с проведенной окружностью в точке. Соединив точку с точкойC , получим уголЕ между направлением в перицентр и направлением на точку. Если взять эксцентрическую аномалиюЕ в качестве аргумента, то уравнение эллипса будет иметь вид:

Следствием второго закона Кеплера является неравномерность движения спутника по орбите. Максимального значения орбитальная скорость достигает в перицентре, а минимального - в апоцентре.

Следствием третьего закона Кеплера является формула для периода обращения ИСЗ:

(1.

где   - геоцентрическая гравитационная постоянная,

G = 6,67259·10 –11 Н·м 2 ·кг –2 - постоянная всемирного тяготения;

М  = 5,976·10 24 кг - масса Земли.

Величина   является одной из фундаментальных геофизических констант.

Ориентацию орбитальной плоскости в пространстве будем определять с помощью эйлеровых углов J ,, и.

Наклонение орбиты J – угол между орбитальной плоскостью и плоскостью экватора. УголJ изменяется от 0° (ИСЗ движется по экватору с запада на восток) до 180° (ИСЗ движется в противоположном направлении).

Долгота восходящего узла  – угол между направлением от центра масс Земли на точку весеннего равноденствия и линией узлов (линией пересечения плоскости орбиты и плоскости экватора).

Угол  –аргумент перицентра – измеряется от положительного направления линии узловO  до линии апсидO  (рисунок 3).

Углы J ,называютсяэйлеровыми углами , определяющими ориентацию орбитальной системы координат относительно геоцентрической системы координат.

Часто вводят также угол U :

U =, (1.

который называют аргументом широты .

Рассмотрим рисунок 3. Здесь обозначены:

Oxyz –геоцентрическая инерциальная система координат ;

OXYZ –гринвичская геоцентрическая система координат , которая вращается вместе с Землей вокруг осиOZ , делая один оборот за одни звездные сутки;

S i –звездное время в Гринвиче, равное углу между осямиOx иOX в моментt i ;

точка  –восходящий узел орбиты ИСЗ, который является точкой пересечения экватора и орбиты при движении ИСЗ из южного полушария в северное;

O  – положительное направление линии узлов, по которой пересекаются плоскость орбиты и плоскость земного экватора;

i – положение ИСЗ на орбите в момент фотографированияt i ;

–геоцентрический радиус-вектор ИСЗ в момент фотографированияt i ;

 i и i – геоцентрическиепрямое восхождение исклонение ИСЗ;

Угол  –долгота восходящего узла ; угол между направлением осиO x в точку весеннего равноденствияи положительным направлением линии узловO ;

Угол J – угол наклона (наклонение ) плоскости орбиты к плоскости экватора;

Точка  i –перицентр орбиты, точка орбиты, наиболее близко расположенная к центру масс Земли (фокусу орбитального эллипса);

Угол  –аргумент перицентра , отсчитываемый в плоскости орбиты от положительного направления линии узловO до направленияO в перицентр.

Рисунок 3 - Орбита ИСЗ в гринвичской системе координат

Инерциальные геоцентрические координаты спутника выражаются через радиус-векторr и эйлеровы углы следующими формулами.

Спутник Земли — это любой объект, который движется по искривленному пути вокруг планеты. Луна — это оригинальный, естественный спутник Земли, и есть много искусственных спутников, обычно на близкой орбите к Земле. Путь, по которому проходит спутник, — это орбита, которая иногда принимает форму круга.

Содержание:

Чтобы понять, почему спутники двигаются таким образом, мы должны вернуться к нашему другу Ньютону. существует между любыми двумя объектами во Вселенной. Если бы не эта сила, спутник, движущийся вблизи планеты, продолжал бы двигаться с той же скоростью и в том же направлении — по прямой. Однако этот прямолинейный инерционный путь спутника уравновешен сильным гравитационным притяжением, направленным к центру планеты.

Орбиты искусственных спутников Земли

Иногда орбита искусственного спутника выглядит как эллипс, раздавленный круг, который перемещается вокруг двух точек, известных как фокусы. Применяются те же основные законы движения, за исключением того, что планета находится в одном из фокусов. В результате, чистая сила, применяемая к спутнику, не равномерна по всей орбите, и скорость спутника постоянно изменяется. Он движется быстрее всего, когда он ближе всего к Земле — точка, известная как перигей — и самая медленная, когда она находится дальше всего от Земли — точка, известная как апогей.

Существует множество различных спутниковых орбит Земли. Те, которые получают наибольшее внимание — это геостационарные орбиты, поскольку они неподвижны над определенной точкой Земли.

Орбита, выбранная для искусственного спутника, зависит от ее применения. Например, для прямого вещательного телевидения используется геостационарная орбита. Многие спутники связи также используют геостационарную орбиту. Другие спутниковые системы, такие как спутниковые телефоны, могут использовать низкоземные орбиты.

Аналогичным образом спутниковые системы, используемые для навигации, такие как система Navstar или Global Positioning (GPS), занимают относительно низкую орбиту Земли. Есть также много других типов спутников. От метеорологических спутников, до спутников для исследований. Каждый из них будет иметь свой собственный тип орбиты в зависимости от его применения.

Фактическая выбранная орбита спутника Земли будет зависеть от факторов, включая ее функцию, и от области, в которой она должна служить. В некоторых случаях орбита спутника Земли может достигать 100 миль (160 км) для низкоорбитальной орбиты LEO, в то время как другие могут достигать более 22 000 миль (36000 км), как в случае GEO-орбитальной орбиты GEO.

Первый искусственный спутник земли

Первый искусственный спутник земли был запущен 4 октября 1957 года Советским Союзом и был первым искусственным спутником в истории.

Спутник 1 был первым из нескольких спутников, запущенных Советским Союзом в программе «Спутник», большинство из которых были успешными. Спутник 2 следовал за вторым спутником на орбите, а также первым, чтобы нести животное на борту, суку по имени Лайка. Первый провал потерпел Спутник 3.

Первый спутник земли имел приблизительную массу 83 кг, имел два радиопередатчика (20,007 и 40,002 МГц) и вращался на орбите Земли на расстоянии 938 км от своего апогея и 214 км на своем перигее. Анализ радиосигналов использовался для получения информации о концентрации электронов в ионосфере. Температура и давление были закодированы в течение длительности радиосигналов, которые он излучал, что указывает на то, что спутник не был перфорирован метеоритом.

Первый спутник земли представлял собой алюминиевую сферу диаметром 58 см, имеющую четыре длинные и тонкие антенны длиной от 2,4 до 2,9 м. Антенны выглядели как длинные усы. Космический аппарат получил информацию о плотности верхних слоев атмосферы и распространении радиоволн в ионосфере. Приборы и источники электрической энергии были размещены в капсуле, которая также включала радиопередатчики, работающие в 20.007 и 40.002 МГц (около 15 и 7,5 м на длине волны), выбросы были сделаны в альтернативных группах по 0, 3 с продолжительности. Заземление телеметрии включало данные о температуре внутри и на поверхности сферы.

Поскольку сфера была заполнена азотом под давлением, у «Спутника 1» появилась первая возможность обнаружить метеориты, хотя она и не обнаружила. Потеря давления внутри, из-за проникновения на внешнюю поверхность, была отражена в данных о температуре.

Виды искусственных спутников

Искусственные спутники бывают разных видов, форм, размеров и играют разные роли.

• Спутники погоды помогают метеорологам прогнозировать погоду или видеть, что происходит на данный момент. Хорошим примером является геостационарный эксплуатационный экологический спутник (GOES). Эти спутники земли обычно содержат камеры, которые могут возвращать фотографии земной погоды, либо с фиксированных геостационарных положений, либо с полярных орбит.
• Спутники связи позволяют передавать телефонные и информационные разговоры через спутник. Типичные спутники связи включают Telstar и Intelsat. Самой важной особенностью спутника связи является приемоответчик — радиоприемник, который принимает разговор на одной частоте, а затем усиливает его и повторно передает обратно на Землю на другой частоте. Спутник обычно содержит сотни или тысячи транспондеров. Коммуникационные спутники обычно геосинхронны.
• Широковещательные спутники передают телевизионные сигналы от одной точки к другой (аналогично спутникам связи).
• Научные спутники , такие как Космический телескоп Хаббл, выполняют всевозможные научные миссии. Они смотрят на все, от солнечных пятен до гамма-лучей.
• Навигационные спутники помогают кораблям и самолетам перемещаться. Самыми известными являются спутники GPS NAVSTAR.
• Спасательные спутники реагируют на сигналы радиопомех.
• Спутники наблюдения Земли проверяют планету на предмет изменений во всем: от температуры, лесонасаждений, до покрытия ледяного покрова. Самыми известными являются серии Landsat.
• Военные спутники Земли находятся на орбите, но большая часть фактической информации о положении остается секретной. Спутники могут включать ретрансляцию зашифрованной связи, ядерный мониторинг, наблюдение за передвижениями противника, раннее предупреждение о запуске ракет, подслушивание наземных радиолиний, радиолокационную визуализацию и фотографии (с использованием, по сути, больших телескопов, которые фотографируют интересные в военном отношении области).

Земля с искусственного спутника в реальном времени

Изображения земли с искусственного спутника, транслируемое в режиме реального времени НАСА с Международной космической станции. Изображения захватываются четырьмя камерами высокого разрешения, изолированными от низких температур, что позволяет нам чувствовать себя ближе к космосу, чем когда-либо.

Эксперимент (HDEV) на борту МКС был активирован 30 апреля 2014 года. Он установлен на внешнем грузовом механизме модуля Columbus Европейского космического агентства. Этот эксперимент включает несколько видеокамер высокой четкости, которые заключены в корпус.

Совет; поместите плеер в HD и полный экран. Бывают случаи, когда экран будет черным, это может быть по двум причинам: станция проходит через зону орбиты, где она находится ночью, орбита длится приблизительно 90 мин. Либо экран темнеет когда камеры меняются.

Сколько спутников на орбите Земли 2018?

Согласно индексу объектов, запускаемых в космическое пространство, которое ведет Управление Организации Объединенных Наций по вопросам космического пространства (UNOOSA), в настоящее время на орбите Земли около 4 256 спутников, что на 4,39% больше, чем в прошлом году.

221 спутник был запущен в 2015 году, что является вторым по величине за один год, хотя он ниже рекордного количества 240, запущенного в 2014 году. Увеличение числа спутников, вращающихся вокруг Земли, меньше, чем число, запущенное в прошлом году, поскольку спутники имеют ограниченную продолжительность жизни. Большие спутники связи от 15 и более лет, в то время как малые спутники, такие как CubeSat, могут рассчитывать только на срок службы 3-6 месяцев.

Сколько из этих орбитальных спутников Земли работает?

Союз ученых (UCS) уточняет, какие из этих орбитальных спутников работают, и это не так много, как вы думаете! В настоящее время существует только 1 419 оперативных спутников Земли- всего около одной трети из всего числа на орбите. Это означает, что вокруг планеты много бесполезного металла! Вот почему существует большой интерес со стороны компаний, которые смотрят, как они захватывают и возвращают космический мусор, с использованием таких методов, как космические сети, рогатки или солнечные паруса.

Что делают все эти спутники?

Согласно данным UCS, основными целями операционных спутников являются:

• Связь — 713 спутника
• Наблюдение Земли / наука — 374 спутника
• Технологическая демонстрация / разработка с использованием 160 спутников
• Навигация & GPS — 105 спутника
• Космическая наука — 67 спутников

Следует отметить, что некоторые спутники имеют несколько целей.

Кому принадлежат спутники Земли?

Интересно отметить, что в базе данных UCS есть четыре основных типа пользователей, хотя принадлежность 17% спутников у нескольких пользователей.

• 94 спутника, зарегистрированны гражданскими лицами: они как правило, являются учебными заведениями, хотя есть и другие национальные организации. 46% этих спутников имеют цель развитие технологий, таких как наука о Земле и космосе. Наблюдение составляют еще 43%.
• 579 принадлежат коммерческим пользователям: коммерческие организации и государственные организации, которые хотят продавать собранные ими данные. 84% этих спутников сосредоточены на услугах связи и глобального позиционирования; из оставшихся 12% — спутники наблюдения Земли.
• 401 спутник принадлежит государственными пользователями: в основном национальные космические организации, а также другие национальные и международные органы. 40% из них — спутники связи и глобального позиционирования; еще 38% сосредоточено на наблюдении Земли. Из оставшихся — развитие космической науки и техники составляет 12% и 10% соответственно.
• 345 спутника принадлежат военным: здесь снова сосредоточена связь, наблюдения Земли и системы глобального позиционирования, причем 89% спутников имеют одну из этих трех целей.

Сколько спутников у стран

По данным UNOOSA около 65 стран запустили спутники, хотя в базе данных UCS имеется только 57 стран, зарегистрированных с использованием спутников, и некоторые спутники перечислены с совместными / многонациональными операторами. Самые большие:

• США с 576 спутниками
• Китай с 181 спутниками
• Россия с 140 спутниками
• Великобритания указана как имеющая 41 спутник, плюс участвует в дополнительных 36 спутниках, которыми располагает Европейское космическое агентство.

Помните, когда вы смотрите!
В следующий раз, когда вы посмотрите на ночное небо, помните, что между вами и звездами есть около двух миллионов килограммов металла, окружающего Землю!

Познакомимся теперь со второй космической или параболической скоростью, под которой понимают скорость, необходимую для того, чтобы тело преодолело земное тяготение. Если тело достигнет второй космической скорости, то оно может удалиться от Земли на любое сколь угодно большое расстояние (предполагается, что на тело не будут действовать никакие другие силы, кроме сил земного тяготения).

Проще всего для получения величины второй космической скорости воспользоваться законом сохранения энергии. Совершенно очевидно, что после выключения двигателей сумма кинетической и потенциальной энергии ракеты должна оставаться постоянной. Пусть в момент выключения двигателей ракета находилась на расстоянии R от центра Земли и имела начальную скорость V (для простоты рассмотрим вертикальный полёт ракеты). Тогда по мере удаления ракеты от Земли скорость её будет уменьшаться. На некотором расстоянии r max ракета остановится, так как её скорость обратится в ноль, и начнёт свободно падать на Землю. Если в начальный момент ракета обладала наибольшей кинетической энергией mV 2 /2, а потенциальная энергия была равна нулю, то в наивысшей точке, где скорость равна нулю, кинетическая энергия обращается в ноль, переходя целиком в потенциальную. Согласно закону сохранения энергии, находим:

mV 2 /2=fmM(1/R-1/r max) или V 2 =2fM(1/R-1/r max).

полагая r max ,бесконечно, найдём значение второй космической скорости:

V пар = 2fM/R = 2 fM/R = 2 V кр.

Оказывается, она превышает первую космическую скорость в 2

раз. Если вспомнить, что ускорение свободного падения g=fM/R 2 , то приходим к формуле V пар = 2gR . Чтобы определить вторую космическую скорость у поверхности Земли, следует в эту формулу подставить R=6400км, в результате чего получим: V кр »11,19 км/сек

По приведённым формулам можно вычислить параболическую скорость на любом расстоянии от Земли, а также определить её значение для других тел солнечной системы.

Выведенный выше интеграл энергии позволяет решить многие задачи космонавтики, например, позволяет производить простые приближённые расчёты движения спутников планеты, космических ракет и больших планет. Выведенная формула параболической скорости может быть использована и в приближённых расчётах межзвёздного полёта. Чтобы осуществить полёт к звёздам, необходимо преодолеть солнечное притяжение, т.е. Звездолёту

должна быть сообщена скорость, при которой он будет двигаться относительно Солнца по параболической или гиперболической орбите. Назовём наименьшую начальную скорость третьей космической скоростью. Подставляя в формулу параболической скорости вместо М значение массы Солнца, а вместо R – среднее расстояние от Земли до Солнца, найдём, что звездолёту, стартующему с земной орбиты, должна быть сообщена скорость около 42,2 км/сек. Итак, если телу сообщить гелиоцентрическую скорость в 42,2 км/сек, то оно навсегда покинет солнечную систему, описав относительно Солнца параболическую орбиту. Выясним, какой должна быть величина скорости относительно Земли, чтобы обеспечить удаление тела не только от Земли, но и от Солнца? Иногда рассуждают так: поскольку средняя скорость Земли относительно Солнца равна 29,8 км/сек, то необходимо сообщить космическому кораблю скорость, равную 42,2 км/сек – 29,8 км/сек, т.е. 12,4 км/сек. Это неверно, так как в этом случае не учитывается движение Земли по орбите во время удаления космического корабля и притяжение со стороны Земли, пока корабль находится в сфере её действия. Поэтому третья космическая скорость относительно Земли больше 12,4 км/сек и равна 16,7 км/сек.

Движение искусственных спутников Земли.

Движение искусственных спутников Земли не описывается законами Кеплера, что обусловливается двумя причинами:

1) Земля не является точно шаром с однородным распределением плотности по объёму. Поэтому её поле тяготения не эквивалентно полю тяготения точечной массы, расположенной в геометрическом центре Земли;

2) Земная атмосфера оказывает тормозящее действие на движение искусственных спутников, вследствие чего их орбита меняет свою форму и размеры и в конечном результате спутники падают на Землю.

По отклонению движения спутников от кеплеровского можно вывести заключение о форме Земли, распределении плотности по её объёму, строении земной атмосферы. Поэтому именно изучение движения искусственных спутников позволило получить наиболее полные данные по этим вопросам.

Если бы Земля была однородным шаром и не существовало бы атмосферы, то спутник двигался бы по орбите, плоскость сохраняет неизменную ориентацию в пространстве относительно системы неподвижных звёзд. Элементы орбиты в этом случае определяются законами Кеплера. Так как Земля вращается, то при каждом следующем обороте спутник движется над разными точками земной поверхности. Зная трассу спутника за один какой-либо оборот, нетрудно предсказать его положение во все последующие моменты времени. Для этого необходимо учесть, что Земля вращается с запада на восток с угловой скоростью примерно 15 градусов в час. Поэтому на последующем обороте спутник пересекает туже широту западнее на столько градусов, на сколько Земля повернётся на восток за период вращения спутника.

Из-за сопротивления земной атмосферы спутники не могут длительно двигаться на высотах ниже 160 км. Минимальный период обращения на такой высоте по круговой орбите равен примерно 88 мин, то есть приблизительно 1,5 ч. за это время Земля поворачивается на 22,5 градуса. На широте 50 градусов этому углу соответствует расстояние в 1400 км. Следовательно, можно сказать, что спутник, период обращения которого 1,5 часа, на широте 50 градусов будет наблюдаться при каждом последующем обороте примерно на 1400 км западнее, чем на предыдущем.

Однако такой расчёт даёт достаточную точность предсказаний лишь для нескольких оборотов спутника. Если речь идёт о значительном промежутке времени, то надо принять во внимание отличие звёздных суток от 24 часов. Поскольку один оборот вокруг Солнца совершается Землёй за 365 суток, то за одни сутки Земля вокруг Солнца описывает угол примерно в 1 градус (точнее, 0,99) в том же направлении, в каком вращается вокруг своей оси. Поэтому за 24 часа Земля поворачивается относительно неподвижных звёзд не на 360 градусов, а на 361 и, следовательно, совершает один оборот не за 24 часа, а за 23 часа 56 минут. Поэтому трасса спутника по широте смещается на запад не на 15 градусов в час, а на 15,041 градусов.

Круговая орбита спутника в экваториальной плоскости, двигаясь по которой он находится всё время над одной и той же точкой экватора, называется геостационарной. Почти половина земной поверхности может быть связана со спутником на синхронной орбите прямолинейно распространяющимся сигналами высоких частот или световыми сигналами. Поэтому спутники на синхронных орбитах имеют большое значение для системы связи.

Посадка космических кораблей

Одной из самых сложных проблем космонавтики является посадка космического корабля или контейнера с научной аппаратурой на Землю или планету назначения. Методика посадки на различные небесные тела существенно зависит от наличия атмосферы на планете назначения, от физических свойств поверхности и многих других причин. Чем плотнее атмосфера, тем проще погасить космическую скорость корабля и посадить его, ибо планетная атмосфера может быть использована в качестве своего рода воздушного тормоза.

Можно указать три способа посадки космических кораблей. Первый способ – жёсткая посадка, происходящая без гашения скорости корабля. Сохраняя в момент удара с планетой космическую скорость, корабль разрушается. Например, при сближении с Луной скорость корабля составляет 2,3 – 3,3 км/сек. Создание конструкции, которые выдерживали бы ударные напряжения, возникающие при этих скоростях, - задача технически неразрешимая. Такая же картина будет наблюдаться при жёсткой посадке на Меркурий, астероиды и другие небесные тела, лишённые атмосферы.

Другой способ посадки – грубая посадка с частичным замедлением скорости. В этом варианте при входе ракеты в сферу действия планеты корабль следует развернуть таким образом, чтобы сопла двигателей были направлены в сторону планеты назначения. Тогда тяга двигателей, будучи направлена в сторону, противоположную движению корабля, будет замедлять движение. Поворот корабля вокруг его оси можно выполнить с помощью двигателей небольшой мощности. Одно из возможных решений задачи состоит в установке по бокам корабля двух двигателей, смещённых относительно друг друга, причём силы тяги этих двигателей должны быть направлены противоположно. Тогда возникает пара сил (две равных по величине и противоположных по направлению силы), которая развернёт корабль в нужном направлении. Затем включаются ракетные двигатели, уменьшающие скорость до некоторого предела. В момент посадки ракета может обладать скоростью несколько сотен метров в секунду, чтобы она могла выдержать удар об поверхность.