Доклад-сообщение искусственные спутники 3, 9 класс

Прообразы спутника

Идея искусственного спутника Земли (ИСЗ, сателлита, луны) возникла довольно давно. Еще Исаак Ньютон в монографии
«Математические начала натуральной философии» (1687) в качестве примера к своим рассуждениям приводил описание огромной пушки, с помощью которой можно было бы запустить ядро на постоянную орбиту вокруг Земли. Ньютон предлагал представить высочайшую гору, пик которой находится за пределами атмосферы, и пушку, установленную на самой ее вершине и стреляющую горизонтально. Чем мощнее заряд используется при выстреле, тем дальше от горы будет улетать ядро. Наконец, при достижении некоторой мощности заряда ядро разовьет такую скорость, что не упадет на Землю вообще и будет вращаться вокруг нашей планеты. Эта скорость ныне называется «первой космической» и для Земли она составляет 7,91 км/с.

К образному примеру Ньютона обращались впоследствии как ученые, рассуждавшие о перспективах космонавтики, так и писатели-фантасты. Техническую реализацию «пушки Ньютона» описал в своем романе классик научной фантастики Жюль Верн в романе
«500 миллионов бегумы» (1879).

Большая французская пушка для космических запусков.

Великий Циолковский смотрит в будущее.

О необходимости запуска искусственного спутника Земли много говорили основоположники теоретической космонавтики. Однако обосновывали они эту необходимость по-разному. Наш соотечественник Константин Циолковский предлагал запускать на круговую орбиту ракету с экипажем, чтобы сразу начать освоение космоса человеком.

Немец Герман Оберт предлагал собрать из ступеней ракет-носителей большую орбитальную станцию, которая могла бы решать задачи военной разведки, морской навигации, геофизических исследований и ретрансляции информационных сообщений.

Кроме того, снабдив эту станцию большим зеркалом, можно было бы, по мнению Оберта, фокусировать солнечные лучи и направлять их на Землю, воздействуя на климат или угрожая вражеским войскам и городам. Идею Оберта обыграл в своем романе
«Мировой пожар» (1925) немецкий автор Карл-Август Лафферт.

Многие ученые и фантасты сходились во мнении, что искусственный спутник Земли будет использоваться прежде всего как перевалочная база для межпланетных кораблей, летящих к Луне, Марсу и Венере. И в самом деле — зачем кораблю тащить на орбиту все топливо, необходимое для разгона, если он может подзаправиться от спутника?

Тогда же придумали снабдить будущий спутник телескопом, чтобы астрономы прямо с орбиты могли наблюдать за отдаленными космическими объектами, избавившись навсегда от искажений, вносимых атмосферой.

Искусственные спутники такого типа описаны в романах Отто Гайля
«Лунный камень» (1926), Вадима Никольского «Через тысячу лет» (1927) и Александра Беляева «Звезда КЭЦ» (1936).

Однако время шло, а средство доставки спутника на орбиту построить не получалось. Создание больших пушек оказалось чрезвычайно трудоемким и дорогостоящим делом, а небольшие ракеты, которые во множестве запускали перед Второй мировой войной, даже теоретически не могли развить первую космическую скорость.

Из-за отсутствия носителя появлялись весьма экзотические проекты. Например, в 1944 году генерал-майор Георгий Покровский опубликовал статью «Новый спутник Земли», в которой предложил запустить металлический спутник способом направленного взрыва. Он понимал, конечно, что после такого взрыва на орбиту выйдут только «какие-то неорганизованные массы металлов», но был уверен, что и такой опыт нужен человечеству, поскольку наблюдение за движением «неорганизованного» объекта даст массу новой информации о тех процессах, которые происходят в высших слоях атмосферы.

Радиовещательная спутниковая служба

РСС реализует персонализацию, передачу радио и телепрограмм непосредственно на индивидуальные приемники абонентам. 

Прохождение радиосигналов в спутниковых линиях связи имеют особенности. Запаздывание сигнала в спутниковой связи с искусственных определена временем прохождения сигнала Земля — спутник — Земля. tз=2Н/С₀

  • где Н — расстояние от спутника до поверхности Земли;
  • С₀— скорость распространения электромагнитной энергии. 

Для геостационарной орбиты =238 мс. 

Также имеется эффект Доплера это изменение частоты сигнала, который мы принимаем от движущегося источника или изменение частоты при движении. Для скоростей много меньше скорости света Vr/с˂˂1 изменение частоты составляет Δf=±f₀(Vr/с) для спутников “Молния” не более 6 кГц. Это нужно учитывать при настройке. В принципе для широкополосной системы 6 кГц может ничего не значит, а для стандартного телефонного канала в декаметровом диапазоне, если будет смещение 6 кГц, то вы вывалились бы из него, потому что там вся полоса пропускания может быть 3 кГц.

Типы искусственных спутников

В зависимости от траектории искусственные спутники могут быть эллиптическими или круглыми. Конечно, каждому спутнику назначена орбита, которая обычно совпадает с направлением вращения Земли, называемым асинхронная орбита. Если по какой-то причине спутник движется в обратном направлении, то он ретроградная орбита.

Под действием силы тяжести объекты движутся по траекториям эллиптический по законам Кеплера. Искусственные спутники этого не избегают, однако некоторые эллиптические орбиты имеют такой небольшой эксцентриситет, что их можно считать круговой.

Орбиты также могут быть наклонены по отношению к экватору Земли. При наклоне 0º это экваториальные орбиты, если они 90º, они полярные орбиты

Высота спутника также является важным параметром, поскольку на высоте 1500–3000 км находится первый пояс Ван Аллена, региона, которого следует избегать из-за высокого уровня радиации.

Первые попытки

Как хорошо известно, первые большие ракеты на жидком топливе научились делать в Третьем рейхе. И уже там зашла речь о применении их для запуска спутников.

Сохранилось свидетельство, что при обсуждении будущих разработок в немецком ракетном центре Пенемюнде было предложено для воздаяния почести первым путешественникам в космос помещать их набальзамированные тела в стеклянные шары, запускаемые по орбитам вокруг Земли.

Появление тяжелых ракет «Фау-2» предопределило развитие космонавтики.

В марте 1946 года эксперты ВВС США подготовили «Предварительный проект экспериментального космического корабля для полетов вокруг Земли». В этом документе была предпринята первая серьезная попытка оценить возможности создания космического аппарата, который будет вращаться вокруг Земли как ее спутник.

Уже во введении к проекту подчеркивается, что, несмотря на неясность перспективы, касающейся начала космической деятельности, два момента не вызывают сомнения: «1) Космический аппарат, оснащенный соответствующим приборным оборудованием, по всей вероятности, станет одним из наиболее эффективных средств научных исследований 20 века. 2) Запуск спутника Соединенными Штатами возбудит воображение человечества и наверняка окажет влияние на события в мире, сравнимое со взрывом атомной бомбы».

4 октября 1950 года, ровно за семь лет до старта первого ИСЗ, американский ученый Кечкемети представил исследовательский доклад «Ракетный аппарат — спутник Земли: политические и психологические проблемы». В меморандуме анализировались «вероятные политические последствия, которые вызовет запуск искусственного спутника Земли в США и его успешное использование в интересах военной разведки». Из доклада видно, что военные эксперты еще в начале 1950-х годов прекрасно понимали, какое значение в политической и военной сфере будет иметь запуск спутника. Речь уже не шла о стеклянных шарах с телами покорителей космоса — воображению конструкторов рисовались целые орбитальные группировки, осуществляющие слежение за территорией потенциального противника.

«Фау-2» на полигоне Уайт Сандс. Так начиналась американская космонавтика.

На 4 Международном конгрессе по астронавтике, проходившем в 1953 году в Цюрихе, Фрэд Зингер из Университета штата Мериленд открыто заявил, что в США имеются предпосылки для создания искусственного спутника Земли, сокращенно названного «МАУЗ» («Minimum Orbital Unmanned Satellite of Earth»). Гипотетический спутник Зингера представлял собой автономную приборно-измерительную систему, помещенную в прочный шар, которая по достижении заданной высоты отделялась от третьей ступени составной ракеты-носителя. Орбита спутника высотой 300 км должна была проходить через оба полюса Земли.

Ракета Вернера фон Брауна на старте

25 июня 1954 года в здании Научно-исследовательского управления Военно-морских сил в Вашингтоне состоялась встреча, на которой присутствовали ведущие американские ракетчики: Вернер фон Браун, профессор Зингер, профессор Уиппл из Гарварда, Дэвид Янг из фирмы «Аэроджет» и другие. На повестке стоял вопрос, можно ли в ближайшее время произвести запуск ИСЗ крупных размеров на орбиту высотой 320 км. Под «ближайшим временем» подразумевался период в 2—3 года.

Вернер фон Браун заявил, что исторический запуск можно осуществить намного раньше, и изложил свои соображения относительно использования для этой цели ракеты «Редстоун» в качестве первой ступени и нескольких связок ракет «Локи» в качестве последующих ступеней. Основное преимущество состояло в том, что в нем могли быть использованы уже существующие ракеты. Так на свет появился проект «Орбитер». Запуск спутника был намечен на лето 1957 года.

Американский спутник «Эксплорер-1». Вернер фон Браун все-таки сумел запустить его.

Однако к тому времени серьезное развитие получили и другие проекты.

29 июля 1955 года Белый дом официально объявил о предстоящем запуске спутника по программе Военно-морских сил «Авангард».

Для запуска предлагался трехступенчатый носитель, состоящий из модифицированной ракеты «Викинг» в качестве первой ступени, модифицированной ракеты «Аэроби» в качестве второй ступени и твердотопливной третьей ступени. Первоначально планировалось, что спутник «Авангард» будет весить 9,75 кг. Его хотели оборудовать измерительными приборами. Имея на борту небольшой источник питания и фотокамеру, спутник мог бы даже передавать цветные изображения на Землю.

Однако запуск первого советского спутника спутал американцам планы. В конечном виде шарообразный «Авангард-1» весил всего 1,59 кг и имел на борту только два примитивных радиопередатчика, питаемых от ртутных и солнечных батарей.

Международная космическая станция (МКС) — самый передовой искусственный спутник

Без сомнения, небесный объект, который вызывает наибольшую радость и который легче всего доступен для наблюдения в телескоп — это Международная космическая станция (МКС, или ISS — International Space Station). Это постоянно действующая в космосе база, обеспечивающая долговременное проживание космонавтов на орбите. Начиная со 2 ноября 2000 года она всегда обитаема, на ней одновременно находятся минимум два космонавта. Обычно экипаж сменяется раз в полгода.

Строительство МКС, в котором участвовали космические агентства Канады, Европы, Японии, России и США, должно было закончиться в 2006 году. Катастрофы с шаттлами «Челленджер» и «Колумбия» задержали производство работ. Сегодня МКС почти завершена —не хватает только российского модуля «Наука», который должен быть поставлен к концу 2015 года, а также нескольких внешних компонентов, таких как European Robotic Arm. Они будут монтироваться к российской части МКС.

После этого совокупная масса МКС составит 450 т. Несмотря на то, что шаттлы больше не используются, к МКС могут пристыковываться российские корабли «Союз» и автоматические станции «Прогресс». Кроме того, к ней пристыковывались пять европейских модулей ATV (Automatic Transfer Vehicle), а также американские частные космичесие корабли. Космическая станция была создана для различных целей — от изучения реакций организма человека в условиях микрогравитации (чтобы понять, что будет происходить во время будущих межпланетных полетов) до исследований в области химии, биологии, геологии и науки о материалах.

Каковы условия видимости космической станции? Начиная с определенного вечера, она становится заметной на небе. С каждым днем, благодаря своей орбите и высоте над Землей, она будет появляться все раньше, опережая свое положение в предыдущие сутки. Потом настанет день, когда условия видимости окажутся идеальными: это произойдет, когда космическая станция займет самое высокое положение относительно горизонта. В последующие дни она будет появляться все раньше, пока не начнет теряться в лучах рассвета, и в очередные две недели станет недоступной для наблюдения. В дальнейшем МКС в течение недели снова будет появляться по утрам, а потом опять исчезнет, на сей раз из-за того, что окажется в тени Земли. Затем она снова появится в вечернем небе. Цикл МКС составляет четыре недели и постоянно повторяется.

Виды искусственных спутников Земли

Искусственные спутники Земли отличаются по своему назначению: исследовательские спутники, спутники связи, метеорологические, навигационные спутники (GPS, Глонасс), спутники для мониторинга и исследования поверхности Земли — это могут быть оптические спутники наблюдения, съемки, контроля запусков ракет, крупных взрывов, массового загрязнения, пожаров, температурных потоков в морях и океанах и др.

Спутники отличаются своими
орбитами: Есть спутники с круговой орбитой, с удлиненной эллиптической орбитой
и геостационарные спутники, последние кружат строго над экватором на высоте 36
000 км. и на этой высоте орбитальный период составляет ровно один день, что
заставляет такой спутник выглядеть неподвижным от Земли к наблюдателю. Такие
спутники очень хорошо подходят в качестве ретрансляторов ТВ-сигнала, потому что
антенны, выровненные по такому спутнику, не должны быть выровнены регулярно.
После настройки, антенна получает сигнал непрерывно.

На круговой орбите,
проходящей через полюса Земли, спутник может постепенно «видеть» всю
поверхность Земли с относительно небольшой высоты. Такие орбиты выгодны для
разведки и фотографирования.

Длинные эллиптические орбиты позволяют
видеть почти все полушарие сразу, такие орбиты хороши для метеорологических
спутников.

По отношению к высоте орбиты,
спутники описываются как низкие и высокие. На низких орбитах, спутники могут
работать от нескольких дней до нескольких лет, а затем войти в атмосферу и
сгореть. Спутники на высоких орбитах могут совершать орбитальные полеты на
Землю в течение многих, многих лет.

Космическая битва

Как убрать весь мусор с орбиты, человечество пока не придумало. Зато додумалось, как сбивать космические спутники. Сегодня на это способны армии четырех стран: США, России, Китая и с 2019 года Индии.

В 2007 году Китай сбил свой вышедший из строя спутник перехватчиком SC-19 на высоте 800 км. Годом позже собственный переставший реагировать на команды орбитальный аппарат противоракетной системы SM-3 уничтожили космические войска США. В 2019 году к «антиспутниковому» клубу присоединилась Индия, заявив, что сумела поразить свой низкоорбитальный спутник, летящий на высоте 300 км, за 3 минуты.

Повторные испытания по уничтожению спутника Китай успешно провел в 2014 году

(Фото: Reuters)

Если говорить про Россию, то для борьбы с орбитальными аппаратами у армии есть специальное оружие — системы противоракетной обороны А-235 «Нудоль». «Уничтожение орбитальной группировки противника лишит его спутниковой связи, возможности вести разведку из космоса и использовать навигационные системы, — считает военный эксперт Алексей Леонков. — Это колоссальный удар по боеспособности современной армии. Без спутников невозможно использовать высокоточное оружие, гораздо сложнее применять авиацию».

Ликвидация орбитальных группировок будет означать не только глобальное наземное столкновение, но и то, что военным вновь придется вернуться к старому проверенному способу — бумажным картам.

Какие виды спутников встречаются на орбите?

  • Научно-исследовательские. Применяются в целях изучения строения атмосферы, космоса. Могут нести на своем борту телескоп для изучения удаленных планет;
  • Прикладные. Предназначены для удовлетворения нужд населения, испытания оборудования, систем связи.

Спутники выполняют свои функции автономно, не используют топливо. Мониторинг состояния и необходимое маневрирование выполняется из командных центров на Земле. В зависимости от своего назначения, спутники снабжаются необходимым оборудованием и системой связи.

Объем аппарата напрямую зависит от его функциональности и назначения. Встречаются спутники с массой от 20 кг до нескольких сотен тонн. Первый аппарат, запущенный СССР весил всего 28 килограмм и нес на борту только систему радиопередачи.

Диапазоны частот спутниковой связи. Виды спутниковой связи:

Земные станции передают радиосигнал на спутник в определенном диапазоне. Специфика данного процесса обусловлена тем, что диапазон частот на передачу радиосигнала с земной станции отличается от частотного спектра сигнала, ретранслируемого со спутника. Иными словами, для передачи радиосигнала используется один диапазон частот, а для ретрансляции – другой. Данная особенность поясняется тем, что слои атмосферы по-разному пропускают радиосигнал, активизируя процесс затухания и поглощения сигнала

Диапазоны частот спутниковой связи определяются “Регламентом радиосвязи”, при этом принимается во внимание специфика “окон прозрачности для радиоволн” атмосферы, уровень радиопомех и влияние др. факторов

Диапазоны частот, используемые в спутниковой связи, обозначаются специальными буквами.

Для L-диапазона выделяется полоса частот 1, 5-1,6 ГГц, сфера применения подвижная спутниковая связь (ПСС).

Для S-диапазона выделяется полоса частот 1, 9-2,2 и 2,4-2,5 ГГц, сфера использования подвижная спутниковая связь (ПСС).

Для C-диапазона выделяется полоса частот 4-6 ГГц, сфера применения – фиксированная спутниковая связь (ФСС).

Для Ku-диапазона выделяется полоса частот 11, 12, 14 ГГц, сфера применения – фиксированная спутниковая связь (ФСС), спутниковое вещание.

Для K-диапазона выделяется полоса частот 20 ГГц, сфера применения – фиксированная спутниковая связь (ФСС), спутниковое вещание.

Для Ka-диапазона выделяется полоса частот 30 ГГц, сфера применения – фиксированная спутниковая связь (ФСС), подвижная спутниковая связь (ПСС), связь между спутниками.

Для ENF-диапазона выделяется полоса частот 40-50 ГГц, сфера применения – фиксированная спутниковая связь (ФСС), перспектива.

Более высокое качество приема радиосигнала обеспечивает C-диапазон, однако для этого требуется антенна с увеличенным диаметром тарелки.

Как следить за спутниками?

Вы можете легко отслеживать спутники с помощью приложения Satellite Tracker. В рамках акции “Снова в школу” у приложения вышло масштабное обновление, и оно стало еще удобнее. Для легкого поиска спутники распределены по их задачам — связь, навигация, научные исследования, контроль погоды и исследование земных ресурсов. Также есть особая категория, которая включает запуски последних 30 дней, космические станции, самые яркие спутники и даже обломки ИСЗ, которые потерпели крушение.

Обновленный Satellite Tracker дает вам доступ к полной базе спутников. Теперь вы можете составить список всех отслеживаемых спутников, которые будут всегда отражены на карте, а таймер покажет, сколько времени осталось до следующего пролета. Чтобы не пропустить их в небе над собой, используйте удобную систему уведомлений и установите сразу несколько напоминаний. Помимо этого, в приложение был добавлен список всех пролетов, а не только видимых, и график высоты спутника над горизонтом.

Увидеть спутники в небе не всегда легко. Они пролетают над нами и утром и вечером, однако даже в темное время суток нет гарантии хорошей видимости — спутник может оказаться в тени от Земли.

Исследование Марса

28. Маринер-4 (США, 28.11.1964). Первый космический аппарат, сфотографировавший Марс с близкого расстояния. Илл. NASA.

29. Марс-3 (СССР, 28.05.1971). Спускаемый аппарат станции «Марс-3» совершил первую мягкую посадку на Марс. Передача данных началась через 1,5 минуты после посадки, но прекратилась через 14,5 секунд. Илл. NASA.

30. Маринер-9 (США, 30.05.1971). Аппарат «Маринер-9» стал первым искусственным спутником Марса. Он передал больше 7 тысяч снимков. Данные, полученные «Маринером-9» стали основой для планирования будущих полётов автоматических станций к Красной планете. Илл. NASA.

31. Марс-6 (СССР, 05.08.1973). Посадочный аппарат станции «Марс-6» провёл первые прямые измерения состава атмосферы, давления и температуры планеты во время снижения на парашюте. Илл. zelenyikot.livejournal.com.

32. Викинг-1 (США, 20.08.1975). Посадочный модуль станции «Викинг-1» стал первым аппаратом, совершившим успешную посадку на поверхность Марса и полностью выполнившим программу исследований. Илл. NASA.

33. Mars Pathfinder (США, 04.12.1996). Автоматическая станция «Mars Pathfinder» доставила первый работоспособный марсоход, «Соджорнер». Всего было передано 16,5 тысяч снимков камеры марсианской станции и 550 снимков камер марсохода, проведено 15 анализов пород. Илл. NASA.

34. Марсоход «Спирит» (США, 10.09.2003). «Спирит» – первый марсоход космического агентства НАСА, запущенный США в рамках проекта Mars Exploration Rover. «Спирит» проехал 7,73 км вместо запланированных 600 м, что позволило сделать более обширные анализы геологических пород Марса. Илл. NASA.

35. Марсоход «Оппортьюнити» (США, 08.07.2003). «Оппортьюнити» – второй марсоход космического агентства НАСА, запущенный США в рамках проекта Mars Exploration Rover. По состоянию на август 2017 года марсоход проехал 45 км и продолжает свою работу. Илл. NASA.

36. Феникс (США, 04.08.2007). «Феникс» стал первым аппаратом, успешно совершившим посадку в полярном регионе Марса. Главным научным результатом миссии стало обнаружение льда под тонким слоем грунта. Илл. NASA.

37. Марсоход «Кьюриосити» (США, 26.11.2011). Марсоход «Кьюриосити» – это автономная химическая лаборатория, превосходящая по размерам и массе все предыдущие марсоходы. Аппарат проводит бурения и анализ грунта. На 2017 год «Кьюриосити» преодолел более 16 км и продолжает работу. Илл. NASA/JPL-Caltech.

Варианты запуска

В самом начале освоения космоса спутники запускали только с помощью ракет-носителей. Но в конце ХХ века распространился и другой вариант, когда их отправляли в пространство с орбитальных станций или кораблей. Существуют и другие способы выведения устройств, но пока они развиты только в теории:

  • МТКК-самолеты;
  • лифты;
  • пушки.

Спустя некоторое время люди научились запускать больше одного спутника с одной ракеты-носителя. А уже 2013 году они смогли вывести в космос одновременно три десятка объектов. В результате некоторых экспериментов последние ступени носителей также вышли на орбиту, на какое-то время и они стали спутниками.

Но у беспилотных объектов довольно разнообразная масса: от 3−5 кг до 20 т. Отличается и размер, он может колебаться от нескольких сантиметров до десятков метров. Космические корабли и космопланы считаются спутниками, они имеют большие габариты. Но самыми огромными являются сборные орбитальные станции.

В 21 веке благодаря развитию нанотехнологий специалисты смогли создать сверхмалые объекты нового формата — кубсат и покеткуб. Большинство аппаратов невозвратные, но некоторые из них могут частично опускаться на планету. Среди таких выделяют пилотируемые и грузовые корабли, спускаемые аппараты, космопланы. Все современные спутники Земли необходимы для научных исследований, а также для образования. В качестве хобби некоторые астрономы-любители запускают радиообъекты.