Вы когда нибудь интересовались сколько спутников вращается вокруг Земли?
Первый искусственный спутник был выведен на орбиту земли 4 октября 1957 года. За годы освоения космоса в околоземном пространстве скопилось несколько тысяч летательных объектов
Над нашей головой пролетает 16 800 искусственных объектов, среди них 6000 спутников, остальные считаются космическим мусором - это разгонные блоки и обломки. Активно функционирующих аппаратов меньше - около 850 .
Долгожителем среди спутников считается AMSAT OSCAR-7, запущенный на орбиту 15 ноября 1974 года. Этот маленький аппарат (его вес -28,8 килограмма) предназначен для любительской радиосвязи. Самый крупный объект на орбите - Международная космическая станция (МКС). Ее масса - около 450 тонн.
Спутники, обеспечивающие связь сотовых операторов («Билайн», МТС и «Мегафон»), размещают на орбитах двух типов: низкой и геостационарной.
На низкой высоте, 780 километров от Земли, находится используемая мобильными операторами глобальная система связи «Иридиум». Идею ее создания предложила в 1980-х годах компания Motorola. Названием система обязана химическому элементу иридию: в ее составе должно было быть 77 аппаратов, что равно атомному номеру иридия. Сейчас в «Иридиуме» 66 спутников.
Геостационарная орбита расположена на высоте 35 786 километров над экватором. Размещать на ней спутники связи выгоднее, так как не нужно постоянно наводить антенну - аппараты вращаются вместе с Землей и всегда находятся над одной точкой. На геостационаре 178 спутников. Самая большая группа в России принадлежит ФГУП «Космическая связь»: 9 спутников серии «Экспресс» обеспечивают телерадиовещание, мобильную, а также правительственную и президентскую связь, Интернет. Также на геостационарной орбите размещаются метеорологические и спутники наблюдения. Метеорологические спутники фиксируют изменения в атмосфере, «наблюдатели» определяют степень созревания зерновых, степень засухи и прочее.
Над нашей головой пролетает 16 800 искусственных объектов, среди них 6000 спутников, остальные считаются космическим мусором — это разгонные блоки и обломки. Активно функционирующих аппаратов меньше — около 850.
Долгожителем среди спутников считается AMSAT OSCAR-7, запущенный на орбиту 15 ноября 1974 года. Этот маленький аппарат (его вес —28,8 килограмма) предназначен для любительской радиосвязи. Самый крупный объект на орбите — Международная космическая станция (МКС). Ее масса — около 450 тонн.
Спутники, обеспечивающие связь сотовых операторов («Билайн», МТС и «Мегафон»), размещают на орбитах двух типов: низкой и геостационарной.
На низкой высоте, 780 километров от Земли, находится используемая мобильными операторами глобальная система связи «Иридиум». Идею ее создания предложила в 1980-х годах компания Motorola. Названием система обязана химическому элементу иридию: в ее составе должно было быть 77 аппаратов, что равно атомному номеру иридия. Сейчас в «Иридиуме» 66 спутников.
Геостационарная орбита расположена на высоте 35 786 километров над экватором. Размещать на ней спутники связи выгоднее, так как не нужно постоянно наводить антенну — аппараты вращаются вместе с Землей и всегда находятся над одной точкой. На геостационаре 178 спутников. Самая большая группа в России принадлежит ФГУП «Космическая связь»: 9 спутников серии «Экспресс» обеспечивают телерадиовещание, мобильную, а также правительственную и президентскую связь, Интернет. Также на геостационарной орбите размещаются метеорологические и спутники наблюдения. Метеорологические спутники фиксируют изменения в атмосфере, «наблюдатели» определяют степень созревания зерновых, степень засухи и прочее.
Первый искусственный спутник Земли был запущен в космос 4 октября 1957 года. С того времени было совершено более 4600 запусков, в результате которых у Земли появилось около 6000 спутников, при этом подавляющее большинство из них было выведено на геостационарные (GEO - Geostationary Earth Orbit) и низкостационарные (LEO - Low Earth Orbit) околоземные орбиты. Несмотря на такое большое количество запущенных спутников, реально сегодня их эксплуатируется не больше тысячи. Но где же находятся остальные?
Космический мусор в масштабном количестве впервые появился 29 июня 1961 года, через 77 минут после выхода на орбиту ступени американской космической ракеты-носителя весом около 750 кг. Более 200 её фрагментов разлетелись по орбитам высотой от 300 до 2200 км. А сегодня на околоземных орбитах отслеживаются уже тонны фрагментов разнообразных разрушений в огромных количествах: размером от 10-15 сантиметров и больше - около 15 тысяч, сантиметровых, недоступных для постоянного контроля - несколько сот тысяч, а частичек миллиметрового размера - миллионы. Причины разрушения спутников самые разные - самоуничтожение по окончании срока эксплуатации, аварии, столкновения. Бывает, что и отработанные ступени ракет-носителей, которые по идее сразу должны падать на Землю в расчетное место после того, как выполнят свою задачу, годами летают вокруг Земли.
Примерно вот так выглядит космический мусор на околоземных орбитах. Художник специально для Европейского Космического Агентства (ESA) нарисовал эти рисунки. Вы можете рассмотреть их в хорошем разрешении на сайте Агентства. .
Самые низкие освоенные человеком орбиты используются аппаратами съемки поверхности Земли, метеонаблюдения и связи, пилотируемыми кораблями и станциями. Они летают на высотах от 300 до 2000 тысяч километров. Именно здесь находится примерно 70% космического мусора и его концентрация на самых «заселенных» высотах - от 900 до 1500 километров - достигла такой величины, что даже если сейчас прекратить все новые запуски спутников, то примерно с 2055 года количество вновь образующихся объектов мусора начнет превышать его убыль (так называемое «самоочищение»).
Космический мусор на LEO-орбитах. .
А вот на орбитах, расположенных в диапазонах от 2 до 6 и от 12 до 19 тысяч километров космических аппаратов практически нет, поскольку здесь расположены слои высокой радиации (радиационные пояса Земли). Находиться в аппаратах на этих орбитах теоретически можно и долгое время, но для этого их нужно защитить свинцовыми плитами - а ведь их тоже нужно как-то туда доставить, что трудно и дорого, а, значит, коммерчески необоснованно. А вот область высот между 6 и 12 тысячами километров потихоньку начинает «заселяться» - правда, спутники связи туда только-только начинают запускать.
Вид LEO-орбит при рассмотрении над Северным полюсом. .
Вид LEO-орбит при рассмотрении над экватором. .
Выше 22 тысяч км над Землей располагается «незаселенная» область космического пространства вплоть до орбит геостационарных спутников на высоте 32 000 - 40000 километров. На высоте 35800 км угловая скорость движения спутника равна угловой скорости движения находящейся под ними поверхности Земли, поэтому спутники движутся примерно над одной и той же областью на поверхности нашей планеты. Это делает GEO-орбиту идеальной орбитой для связи, так как нет необходимости сопровождать спутник, чтобы определить, куда направлять антенну. Наши спутниковые тарелки направляются на такой космический аппарат, и мы можем смотреть множество различных телепрограмм.
Моделирование взрыва на GEO-орбите. .
Что же происходит в космосе после взрыва? Геостационарный спутник имеет скорость порядка 11 км/сек. При скоростях выше этого порога (третья космическая скорость) космический мусор мог бы преодолеть земное притяжение и улететь с орбиты. Но топливный бак и персональный двигатель к каждой частичке космического мусора не прикрепить, поэтому он остается на орбите, вращается вокруг Земли и множится, множится, множится.
Моделирование взрыва на GEO-орбите. На второй день после взрыва. .
Сейчас на геостационарной орбите число работающих станций - примерно 350. Все они со временем превратятся в космический мусор, как превратились накопившиеся там бывшие в употреблении порядка тысячи старых объектов, размер которых больше 0,5 метра в поперечном сечении. Мелкого мусора, понятно, еще больше, но обнаруживать их труднее, хотя существует целая международная система слежения и за этими объектами.
Притяжение земли и центробежные силы влияют на геостационарные спутники. .
Преимущества движения спутников по GEO орбитам очевидны. Но есть и недостатки, и один из них - большое расстояние между спутником и земной поверхностью. Но достаточная мощность или достаточно большая антенна, тем не менее, позволяют преодолеть это ограничение. Более серьезное ограничение связано с тем, что имеется только одна геостационарная орбита, представляет более серьезное ограничение, значит, ограниченное количество мест, в которые геостационарные спутники могут быть помещены - это связано с тем, чтобы ограничить количество частот, предназначенных для связи, чтобы не было помех при приеме и передаче сигналов с разных спутников. Но есть некоторые силы, которые изменяют орбиты со временем. К примеру, поскольку геостационарная орбитальная плоскость не совпадает с плоскостью орбиты Земли (эклиптикой) или плоскостью орбиты Луны, гравитационное притяжение Солнца и Луны постепенно увеличивает орбитальное наклонение каждого спутника, чтобы переместить геостационарные спутники с их экваториальной орбиты.
Орбиты на высоте 19-22 тысячи километров от поверхности Земли. .
Здесь находятся спутники навигационных систем России и США (Глонасс и Навстар), и постепенно разворачиваются системы такого же рода для Европы (Галилео) и Китая (Компас). Навигаторы нового поколения по сигналам КА этих систем нам позволяют ориентироваться на местности, именно они устанавливаются в автомобилях, в такси - их может приобрести любой желающий.
Чтобы уменьшить риск столкновения, геостационарные спутники по окончании их космической миссии должны быть удалены из зоны GEO. .
Придать спутнику третью космическую скорость сегодня обходится в два раза дороже любого перемещения с одной GEO- орбиты на другую, и сегодня дополнительными двигателями оснащена примерно пятая часть космолетов. Чтобы осуществить такой подъем, нужно затратить столько топлива, сколько требуется спутнику на 3 месяца работы. Но можно «забрасывать» спутники не так далеко - подъем спутников на 300 км выше их рабочей орбиты позволяет перевести их на безопасное «кладбище», то есть орбита бы захламлялась, но сроки жизни работоспособных спутников продлевались бы и им реже требовалась бы замена, а, значит, пусть частично, но проблема мусора может решаться. Сегодня это единственная возможность сохранить уникальный ресурс GEO-орбит.
Однако, этот маневр возможен в том случае, если не только хватает топлива, но и не происходят незапланированные отказы и неисправности, вроде отказа связи или неисправностей в электропитании.
Отклонение GEO-спутника от первоначальной орбиты. .
Неидеальная, то есть некруговая форма земного экватора заставляет GEO-спутники медленно «стекать» к одной из двух точек устойчивого равновесия вдоль экватора, то есть к дрейфу назад и вперед относительно этих точек. Кроме того, долгосрочное влияние Солнца, Луны и Земли проявляется таким образом, что, если спутник израсходует топливо, постепенно орбитальная плоскость, на которой он будет вращаться вокруг Земли (хотя это происходит и не моментально) отклонится по отношению к первоначальной. По законам небесной механики плоскость орбиты прецессирует с периодом 52 года и амплитудой около 15°. А это означает угрозу другим геостационарным спутникам, поскольку дважды в день такой старый мусор будет пересекать их GEO-орбиту.
Корректировка орбиты спутника. .
Но дрейфует не только космический мусор. Работающий спутник не может перемещаться строго по расчетной орбите. По тем же причинам, что и мусор, GEO спутник постоянно уходит с идеальной орбиты, и необходимо компенсировать этот уход посредством периодического включения корректирующих двигателей, толкающих спутники в направлении «север-юг» и «восток-запад». Если бы наземные службы этого не делали, то все они в направлении «восток-запад» тоже бы «стекли» в две естественные природные «впадины» (105° западной и 75° восточной долготы). Из-за таких маневров орбита GEO- спутников не круговая, а слегка эллиптическая, и расстояние от центра Земли до спутника колеблется в течение суток. Эти колебания довольно значительные - по 10-20 и больше километров вверх-вниз от идеальной орбиты. На одной такой эллиптической орбите может находиться теоретически несколько спутников, но чтобы они не столкнулись ими нужно управлять так, чтобы они все время находились в противоположных точках этой орбиты. На практике из-за неизбежных ошибок при выполнении маневров спутников и невозможности суперточно определить относительную орбиту, спутники двигаются все-таки не по одинаковым траекториям и не совсем в фазе «один напротив другого», и сейчас это обычно не больше шести спутников в одном таком вот «окне допуска».
Варианты того, как могут выглядеть GEO-орбиты к 2112 году. .
Что будет, если космический мусор не «убирать» с GEO-орбит, уже понятно. Для LEO-высот самое страшное - это космический мусор, перетертый в пыль. Он может вращаться там тысячи лет, и, если такой пыли будет много, через неё эти тысячи лет нельзя будет пролететь. Поэтому убирать мусор на низких орбитах нужно сейчас, поскольку избавляться от крупных объектов - задача реальная, а избавиться от микропыли поможет только волшебник. По оценкам специалистов стоимость единицы такой «уборочной» техники обойдется раз в десять дороже, чем запуск одной ракеты-носителя типа «Протон». Даже если начинать их использовать сейчас, количество комического мусора к 2112 году увеличится, но, если всё пустить на самотек, и ничего не менять в космическом бизнесе, ситуация может стать неуправляемой.
Чтобы вновь запускаемые в космос спутники, и в том числе вот такой «уборщик» не стали сразу же новыми объектами космического мусора, уже сейчас ведется наблюдение, каталогизация летающих объектов на орбитах и моделирование ситуаций на разных высотах околоземного пространства с учетом прохождения Земли через многочисленные метеорные потоки, а также отслеживание наиболее опасных направлений прихода в околоземное пространство естественных космических объектов. Это сложная работа, требующая специальных техники и знаний. И всё же точность предсказаний таких ситуаций не может быть гарантировано высокой. Это связано с тем, что постоянно растет число пользователей космоса, появляются новые технологии, по которым для предсказаний пока просто не хватает статистики, это связано и с неопределенностью будущих взрывов и столкновений объектов на орбитах.
Процентное соотношение объектов на GEO-орбитах. .
По данным на декабрь 2004 года из 1124 известных объектов, находящихся на GEO-орбитах, 31% - это действующие спутники, 37 % - дрейфующие вокруг Земли объекты, 13% колеблются примерно около стабильно равновесных точек, 153 объекта по орбитам которых нет данных и 60 неидентифицированных (неопознанных) объектов.
12 февраля этого года на высоте 800 км над Сибирью столкнулись российский спутник, выведенный на орбиту в 1993 году, контролируемый, но не функционирующий, и американский, запущенный в 1997 году, обеспечивающий связь компании «Моторола» (система «Иридиум»). «Мы никак не ожидали столкновения. Но невозможно отследить движение всех объектов на орбите, и этот инцидент еще раз говорит о необходимости тесного сотрудничества между странами по вопросам космоса», - заявил Пентагон, признав свою ошибку в расчетах траектории и уточнив, что это первый случай столкновения на орбите неповрежденных спутников.
Между тем, напомним, что в апреле 2005 года американцами в космос был выведен корабль «Dart», который должен был встретиться с отработавшим военным спутником «Mublcom», чтобы провести проверку метода автономной стыковки. Оба агрегата, кстати, были неповрежденными объектами. В результате компьютерной ошибки навигация аппаратов была проведена с ошибками, они столкнулись, стали объектами поврежденными и, как объясняли американцы, оба должны были сгореть при входе в плотные слои атмосферы без особых сложностей. Так или иначе, обе эти ситуации незапланированные, и гарантий, что такого больше не повторится, быть не может.
Проблем в космосе хватает и без этого. На сегодня зафиксировано почти 200 взрывов космических объектов, и, вполне возможно, что часть из них связана со столкновениями с фрагментами космического мусора. Проверить и доказать это не всегда просто. Наши астрономы за последние 10 лет зафиксировали более 1000 непрогнозируемых изменений скорости дрейфа, опять же часть из них может объясняться столкновением с мелкими фрагментами.
Задача утилизации космических отходов должна решаться. .
В общем, как ни крути, тонны космического мусора - это реальная проблема. Как её решать в глобальном плане? Ученые стран, что-то делают уже сейчас, что-то придумывают на будущее. Главное, что всем ясно - это задача, дорогая, сложная, кстати, коммерчески выгодная, и всё же не та, решение которой можно отложить на послезавтра. Не стоит забывать, что несколько десятков спутников имеют на борту радиоактивные вещества. И уже сегодня известны два случая радиоактивного заражения поверхности Земли при падении таких аппаратов - в Антарктиде и Канаде.
Конечно, это не значит, что нужно закатывать глаза от страха и напряженно ждать, когда с нами произойдет что-то ужасное. Ученые нас пугают не только этим. Например, в статье «В 2012 году нас ждет Большой БУМ планеты Земля?» В. Берест поясняет суть двух теорий, появившихся не так давно и не имеющих статус официальных, но всё-таки созданным людьми весьма компетентными в своих областях - в физике и геологии - и задает вопрос: так ли беспочвенно волнение обывателей по поводу грустного прогноза календаря майя, если и серьезные специалисты считают, что во многом декабрь 2012 года может сделать проблему засорения космических орбит Земли в 2112 году несущественной по сравнению с той, что нам «светит»? Радует лишь то, что это только теории, которые никаких однозначных ответов на этот вопрос не дают, а лишь предсказывают события, которые могут произойти с определеной степенью вероятности -а это значит, что могут и не произойти. Так что не будем раньше времени переживать или опускать руки. Наоборот, закатаем рукава, и все, как один поймем, как это важно - не сорить в собственном доме, особенно, если этот дом - наша планета, такая хрупкая Земля.
Искусственными спутниками можно назвать как космические аппараты, построенные специально для вращения вокруг Земли по орбите, так и различные объекты – обломки спутников, разгонные блоки, нефункционирующие аппараты, узлы последних ступеней , которые являются космическим мусором. Чаще всего спутниками называют управляемые или автоматические космические корабли, но другие сооружения – например, орбитальные станции, тоже являются ими.
Все эти объекты, даже не пилотируемые, вокруг Земли по орбите. Всего на околоземной орбите вращается более шестнадцати тысяч различных искусственных объектов, но только около 850 из них функционируют. Точное невозможно установить, так как оно постоянно меняется – некоторые обломки на низких орбитах постепенно снижаются и падают, сгорая в атмосфере.
Большая часть спутников принадлежит США, второе место по их количеству занимает Россия, также в этом списке на первых местах стоят Китай, Великобритания, Канада, Италия.
Назначение спутников может быть разным: это метеорологические станции, навигационные приборы, биоспутники, военные корабли. Если раньше, на заре развития космической эры их могли запускать только государственные организации, то сегодня существуют спутники частных компаний и даже частных лиц, так как стоимость этой процедуры стала более доступной и составляет несколько тысяч долларов. Этим и объясняется огромное количество различных предметов, двигающихся по орбите Земли.
Самые примечательные спутники
Первый искусственный спутник был запущен в 1957 году СССР, он был назван «Спутником-1», это стало устоявшимся и даже было заимствовано многими другими языками, в том числе английским. На следующий год США запустили свой – Эксплорер-1.
Потом последовали запуски Великобритании, Италии, Канады, Франции. Сегодня несколько десятков стран мира имеют собственные спутники на орбите.
Одним из самых масштабных проектов за всю историю космической эры стал запуск МКС – международной космической станции, имеющей исследовательские цели. Ее управление осуществляется российским и американским сегментами, также в работе станции принимают участие датские, канадские, норвежские, французские, японские, немецкие и другие космонавты.
В 2009 году на орбиту был запущен самый большой искусственный спутник – Terrestar-1, американский проект телекоммуникационной организации. Он обладает огромной массой – почти семь тонн. Его цель – обеспечивать связь для большей части Северной Америки.
Первый искусственный спутник Земли был запущен в 1957 году в СССР. С тех пор в космос отправлено более 6000 спутников. Спутники становятся все более важными для жизни на Земле. Они используются для самых разных целей: безопасности, связи, навигации, развлечений, и - самое важное - позволяют нам увидеть нашу планету в новом свете. Здесь вы можете узнать, кто владеет спутниками, где они находятся и в чем их предназначение.
У кого больше всего спутников?
423 из общего числа 957 действующих спутников, которые находятся на орбите в настоящее время, принадлежит США. Следом по числу спутников стоит Россия. Китай также занимает значительное место на орбите. По меньшей мере 115 стран являются совладельцами спутников. На этой схеме указаны страны, где находятся владельцы или операторы спутника.
44 страны мира сотрудничают в запуске и управлении спутниками (как правило, это группа из двух-трех стран). Здесь они указаны как совместные проекты. США, Тайвань, Япония и Франция являются самыми активными участниками проектов космического сотрудничества.
Спутники, которые имеют более трех международных владельцев, указаны как принадлежащие нескольким странам.
Тесный космос: история запусков
В 1957 году СССР первым отправил в космос искусственный спутник Земли. С тех пор на орбиту было запущено более 6000 спутников. На этой схеме видна динамика запусков спутников, начиная с 1957 года, СССР (и затем Россией), КНР, и другими странами. В год, когда запуски достигли пика для страны, поставлен символ спутника.
Для СССР это были 1970-1980 годы, что отражает период расцвета советской военно-космической программы, когда запускалось много спутников разведки, навигации и связи.
Пик для США пришелся на 1998 год: именно в этот год началась реализация создания трех коммерческих сетей спутниковой связи: Globalstar, Iridium и ORBCOM. Многие из этих спутников были запущены при помощи американских ракет-носителей, порой по несколько спутников в одной ракете.
В целом, пик запусков спутников можно объяснить изменениями в их предназначении. В 1970-е годы возникла большая потребность в спутниках связи. В 1990-е - в навигационных спутниках, а в последнее десятилетие - в гражданских и научно-исследовательских спутниках.
Если эта тенденция продолжится, то космические державы, возможно, продолжат строительство более крупных, долговечных спутников, а международные гражданские институты, такие как университеты, могут взяться за производство малых, более дешевых спутников.
Космические аппараты как мусор
Верхняя часть графика показывает общее количество спутников, запущенных между 1957 и 2000 годами. Серая зона - это спутники, которые со времени запуска перестали действовать, оранжевая - это спутники, которые все еще находятся в эксплуатации.
Самый старый действующий спутник на орбите - Amsat-Oscar 7, который был запущен с базы ВВС США Ванденберг в Калифорнии 15 ноября 1974 года. Он находится на низкой околоземной орбите и используется в основном радиолюбителями.
Серая зона - это 5428 спутников. Многие из бездействующих аппаратов сейчас стали частью орбитального мусора. По подсчетам НАСА, на околоземной орбите находится около 19 тысяч объектов размером более 10 см.
Национальные приоритеты
На этой схеме спутники выделены в четыре группы по главным владельцам-операторам - это США, Россия, КНР и другие страны (спутники совместного владения и сотрудничества не включены). По ней видно, что на предназначение спутников влияет экономический и политический климат в различных частях мира.
Предназначение (коммерческое, правительственное, военное или гражданское) отражает главного пользователя спутника, однако важно заметить, что многие спутники - аппараты многоцелевого использования. Например, спутник может иметь коммерческое и военное предназначение одновременно.
Коммерческими спутниками владеют отдельные компании и синдикаты, финансируемые инвесторами, а также частными группами. Спутники используются для средств связи и вещания. Военные спутники часто используются для разведки и навигации, а также радиосвязи. Правительственные спутники предназначены для метеорологических и научных наблюдений. Гражданские пользователи обычно включают академические институты и группы научных энтузиастов.
Около двух третей всех действующих спутников используется для коммуникаций. Спутники навигационные, разведывательные, для наблюдения за процессами на Земле, а также астрофизические и геоисследовательские составляют от 5 до 7% от общего числа.
Вокруг Земли за 80 минут
Эта схема дает представление о том, сколько времени нужно некоторым спутникам, чтобы совершить полный оборот вокруг Земли. Спутники на низкой околоземной орбите (НОО) - на высоте от 80 до 1700 км - проносятся вокруг планеты со скоростью в 30 раз большей, чем авиалайнер. Такой спутник облетает планету за 88 минут.
Спутники НОО составляют почти половину от общего числа действующих спутников. Они обычно используются для разведки, научных наблюдений и фотосъемки поверхности Земли.
Высота геосинхронной орбиты почти всегда постоянна - около 35700 км, спутники на этой орбите движутся синхронно с Землей, совершая полный оборот приблизительно за 24 часа. Так что с поверхности планеты кажется, что эти спутники практически не двигаются, поэтому их орбиту называют еще геостационарной. На геостационарной орбите обычно находятся метеорологические спутники, а также спутники связи и ретрансляции вещания.
