Про супутники - Затишна жежешечка Кирилова Юрія - ЖЖ

В обивательському уявленні існує маса міфів і легенд щодо супутників взагалі і розвідувальних супутників зокрема. Міфи ці активно підтримуються і творчо розвиваються кіно і телебаченням, тому вони виявляються в найнесподіваніших місцях і у найнесподіваніших людей - від відомих «політологів» до інженерів.

Почати в боротьбі з ними, як водиться, доведеться трохи здалеку.

На кожен супутник впливає сила земного тяжіння. Тому, якби він висів нерухомо (а це, до речі, один з дуже популярних міфів - про підвісити супутник-розвідник над якоюсь країною), то під її дією обов'язково впав би. Що ж заважає йому так зробити? Його швидкість: будь-який супутник рухається зі швидкістю вище першої космічної, тобто швидше ніж 7,9 км / с або 28 & nbsp440 км / ч. Через те, що супутник летить з такою величезною швидкістю, він під дією сили тяжіння лише змінює траєкторію свого руху з прямолінійною до кривої, нахиленою в бік землі. В деякому спрощенні це - те, що в фізиці прийнято називати рівномірним рухом по колу.

Рівномірний рух по колу.

В деякому спрощення - це тому, що в житті все складно і крім власне сили земного тяжіння на супутник ще діють ще тяжіння інших небесних тіл (в першу чергу Місяця), опір земної атмосфери (яка, хоч і в дуже розрідженому стані, але все ж простягається сильно далеко за встановлену ФАІ в наказовому порядку 100-кілометровий кордон космосу - т.зв. лінію Кармана), коливання сили земного тяжіння (Земля сильно відрізняється від використовуваної в спрощених моделях матеріальної точки, вона неоднорідна за складом і по тому різні її області притягують трохи по-різному, і якщо для власне Землі цей фактор не дуже значущий - особливо на тлі опору атмосфери, - то для Місяця, навпаки, важливий надзвичайно, бо неоднорідність її гравітаційного поля настільки велика, що ускладнює тривале існування супутників на низьких орбітах), тиск сонячного вітру (воно теж в певних умовах може зіграти велику роль: наприклад, саме під дією сонячного вітру вже зійшла з орбіти велика частина з 400 & nbsp000 & nbsp000 легких і володіють щодо б льшой парусністю мідних голок, запущених США в 1963-му році в космос в рамках проекту зі створення штучного аналога земної іоносфери [ 1 ] - пам'ятаєте віршик «пентагонівські вовки / в космос кинули голки ...» - так ось, він заснований на реальних подіях :), а також ще купа-купа-купа всякого різного.

Карта гравітаційних аномалій Місяця. Червоним позначені позитивні гравітаційні аномалії - маскони.

Висота орбіти супутника безпосередньо пов'язана з його швидкістю: якщо в даній точці орбіти супутник стане рухатися швидше, його траєкторія менше відхилиться під дією земного тяжіння і в протилежній точці орбіти він відлетить далі від Землі. І навпаки. Це дає цікавий парадокс: щоб прискорити рух щодо поверхні Землі, супутнику треба сповільнитися, і навпаки. Але про це трохи пізніше.

Важливо інше: щоб розігнати супутник до таких жахливих швидкостей потрібно докласти масу зусиль. Наприклад, щоб розігнати до орбітальної швидкості найперший «Супутник-1», що важив всього 83,6 кг., Треба було спалити більше 250 тонн (250 000 кг.) Палива. На супутниках таких запасів бути не може фізично, тому їх можливості орбітального маневрування зазвичай обмежені настільки, що цей фактор навіть можна не брати до уваги. А це, до речі, був ще один вельми популярний міф: ну да, у них, мовляв, не було там супутників-шпигунів, але в зв'язку з загостренням вони по-швидкому перевели один з тих, що були супутників на геостаціонарку і тепер він висить строго над Україною і дивиться на неї цілодобово.

Уважний читач скаже: неправда ваша. Є маневрують супутники, та й космічні кораблі, літаючи до МКС, маневрують і стикуються. А ще був Аполлон. І буде правий. І неправий. Одночасно.

Зрозуміло, космічні кораблі маневрують і стикуються. Зрозуміло, були і є маневрують супутники. Багатьом низькоорбітальних супутників доводиться періодично «піднімати» орбіту, щоб не згоріти в атмосфері. Ряду супутників важливо зберігати положення в просторі щодо інших супутників: так, наприклад, працювала пара апаратів GRAIL, які зняли призводить вище карту гравітаційних аномалій Місяця, так працюють деякі супутники радіотехнічної розвідки. А, наприклад, радянські супутники серії «ІС» взагалі були призначені для того, щоб зближуватися з ворожими супутниками-шпигунами і знищувати їх підривом заряду шрапнелі.

Космічний апарат серії «ІС» - винищувач супутників.

Однак всі ці апарати мали і мають запас палива на зміну швидкості в межах максимум кількох сот метрів в секунду, що в порівнянні з орбітальною швидкістю якось замало. Тому їх можливості маневрування були і є вельми обмежені і насправді більшу частину «маневру» за них виконує ракета-носій на етапі виведення, а їх завдання полягає тільки в коригуванні і вирівнюванні швидкостей після зближення.

Що ж стосується «Аполлона» (а також, наприклад, радянських «Зондів» програми Л-1 для обльоту Місяця), то, так, вони в цьому плані є винятком. Але потрібно пам'ятати, що, по-перше, більшу частину маси цих кораблів становило якраз паливо. Наприклад, той же «Аполлон» ніс для відльоту з місячної орбіти майже 18 тонн палива (ось в цій ось здоровенною «бочці» між конусом населеної кабіни і двигуном). Супутники-шпигуни зазвичай несуть купу обладнання та дозволити собі такі запаси палива не можуть. По-друге, Місяць сильно менша за Землю, що дає набагато болше можливостей. Так, щоб з низькою місячної орбіти полетіти кудись до Землі треба розігнатися менш ніж на 1 км / с, в той час як для відльоту до Місяця з низькою земної орбіти треба приріст швидкості майже в 3,5 км / с.

Аполлон-17 над Місяцем. Фото зроблено з посадкового модуля - «місячної кабіни». Зверніть увагу на здоровенну «бочку» з паливом.

«Зонд» серії Л1.

Підготовка «Зонда» до польоту.

На цьому, мабуть, про маневрування можна і закінчити.

Отже, супутник літає навколо Землі по колу. Але ж ще й сама Земля при цьому теж на місці не стоїть - вона крутиться навколо себе. У підсумку, щодо однієї певної точки на поверхні орбіта супутника здійснює еволюції з певним періодом.

Траса (тобто проекція на землю) орбіти супутника протягом трьох витків на прикладі одного з супутників радіоаматорського зв'язку

Поставимо собі задачу: візьмемо супутник-шпигун (один штук) і довільну точку на поверхні (нехай це буде острів в океані), за якою ми будемо пильно стежити.

Як будуть розвиватися події можна подивитися на зображенні: [ 2 ]

Супутник на круговій орбіті заввишки близько 1500 км.

Лінія до супутника малюється тоді, коли він при спостереженні з острова знаходиться над горизонтом.

При цьому потрібно пам'ятати, що далеко не в кожен момент, коли супутник видно в небі над островом, він зможе, наприклад, зробити фотографії (про online-трансляції я навіть не згадую): якщо він занадто низько над горизонтом, то велика товщина повітряного стовпа не дасть зняти якісно, ​​а вже якщо під час прольоту ніч або щільна хмарність, то взагалі нічого розглянути не можна.

Тут, між іншим, криються причини любові до використання в «рекламних» зйомках з космосу об'єктів типу Дубаї: він мало того що на екваторі, так ще й в пустелі - тобто там більшу частину року стоїть гарна погода. Ну і плюс шейхи, випендріваясь один перед одним, набудували всякого :)

Штучні острови Дубаї.

Тут треба ще додати, що я трохи счітеріл і помістив острів у відносно високих широтах. Будь він на екваторі, можна, звичайно, було б зробити так, щоб супутник над ним пролітав набагато частіше.

Отже, як бачимо, прохід супутника над метою відбувається не так вже й часто і закінчується вельми швидко.

Як же бути? Відповідь проста: потрібно більше супутників. Наприклад, американська система GPS на даний момент має 29 робочих супутників в 6 орбітальних площинах, а наша ГЛОНАСС - 26 робочих і 1 резервний в 3 площинах (а мінімально їм обом потрібно по 24 супутники - по чотири на площину у GPS і по вісім у ГЛОНАСС). Виглядає все це приблизно ось так.

Схема роботи системи GPS.

Але тут є такий момент. Насправді супутники систем GPS і ГЛОНАСС літають дуже високо: по круговій орбіті приблизно в 20 000 кілометрів (американські трохи вище, наші трохи нижче).

Схема висот орбіт різних супутникових систем.

Як можна бачити на схемі, 20 000 кілометрів - це приблизно в п'ятдесят разів вище, ніж літає МКС. Це зроблено як раз тому, що чим менше висота орбіти, тим більше треба було б супутників.

Виходить, збільшити час знаходження супутника над метою можна піднімаючи висоту його орбіти. Чим вище орбіта (до певних меж), тим менше швидкість руху супутника відносно земної поверхні. Більш того, можна так підібрати висоту (і, отже, швидкість орбітального руху), щоб супутник робив один оборот навколо землі рівно за добу, тобто за той же самий час, за яке вона сама робить оборот. Це називається геостаціонарна орбіта. Для Землі її висота дорівнює 35 & nbsp786 кілометрів над рівнем моря. Таким чином супутник в небі буде взагалі висіти весь час в одній точці і дивитися на одну точку на землі.

Супутник на геостаціонарній орбіті.

Еге, скажете ви, так значить, підвісити супутник нерухомо над потрібної країною все-таки можна? Можна-то можна, але є один нюанс (точніше, навіть цілих два, але про другий трохи пізніше): щоб висіти нерухомо, супутнику потрібно перебувати в площині обертання Землі. Тобто, по простому кажучи, висіти строго над екватором. Відповідно, заглянути в високі широти і, тим більше, до полюсів йому так ніколи не вдасться.

Що ж, виходить все пропало? Аж ніяк. Тут до нас на допомогу прийде товариш Кеплер зі своїм другим законом. [ 3 ]

А закон той говорить, що якщо орбіти кругова, а еліптична, то за рівні проміжки часу радіус-вектор, що з'єднує супутник і об'єкт, навколо якого він обертається, описує рівні площі. Тобто в перигеї супутник летить швидше, ніж в апогеї.

Стало бути, якщо апогей сильно-сильно вище, то супутник полетить у ньому сильно-сильно повільніше. І якщо апогей знаходиться над високими широтами, то супутник над ними (і в тому числі над метою) затримається надовго.

Супутник на високоеліптичного орбіті.

Можна підібрати період обертання так, щоб він був синхронний обертанню Землі і супутник з'являвся над точкою в строго певний час. Наприклад, один раз на добу, описуючи при цьому два витки навколо землі. Мета в цьому випадку знаходиться в полі зору одного супутника до семи з половиною годин, а в апогеї безпосередньо над нею супутник проводить майже чотири години.

Наземна траса супутника «Блискавка». У «коротких» петлях супутник проводить більшу частину часу.

Такий тип високоеліптичного орбіти з перигеем в 500 км і апогеєм в 40 & nbsp000 км. називають «Блискавка» на честь першої радянської системи супутникової телекомунікаційної зв'язку (ну і заодно військової супутникового зв'язку, звичайно :) Перший супутник типу «Блискавка-1» був запущений в 1964 році, а його нащадки «Блискавка-3К» забезпечують телевізійну трансляцію на території Росії і сьогодні.

Супутник серії «Блискавка».

Неважко підрахувати, що для цілодобового перебування над метою знадобиться всього-навсього 8 супутників (такий, до речі, і був початковий склад орбітального угрупування системи «Блискавка»).

Але можна піти і далі. Супутник на високоеліптичного орбіті з періодом в добу, перигею від 18 до 24 тис. Км і апогеєм від 45 до 52 тис. Км. (Таку орбіту називають «Тундра») буде проводити в апогеї над метою майже 12 годин. Стало бути, для цілодобового висіння над метою буде потрібно всього два супутники.

Наземна траса супутника «Мітібікі» на орбіті типу «Тундра». У «короткій» петлі супутник проводить більшу частину часу, тому неважко здогадатися, що його запустили японці :)

І тут може виникнути законне питання. А навіщо Радянському Союзу тоді було робити систему трансляції телебачення з цілих восьми супутників там, де можна обійтися всього двома? Або все-таки було не можна обійтися? І ми плавно переходимо до обіцяного розмови про другий нюанс, пов'язаний з супутниками на дуже високих орбітах.

Справа в тому, що чим вище знаходиться супутник, тим потужніше (і дорожче) повинна бути ретранслює апаратура на ньому і приймаюча і передає апаратура на землі. Відповідно, при плануванні супутникової системи зазвичай знаходять компроміс між розміром і вартістю космічного угруповання з одного боку і вартістю наземного обладнання з іншого.

Саме тому, наприклад, орбітальні угруповання систем супутникової телефонії працюють на низьких орбітах: Iridium і Orbcomm - на кругових орбітах приблизно в 780 км., Globalstar (а також вітчизняна військова «Стріла») - на кругових орбітах приблизно в 1400 км. Відповідно, вони мають велику і дорогу космічну частина: Iridium - 66, OrbComm - 29, Globalstar - 48 супутників. Комерційний варіант «Стріли» система «Гонець» також передбачала використання 45 супутників. Зате для користувача наземна частина - супутникові телефони - являють собою відносно прості і недорогі агрегати, за розмірами і зовнішнім виглядом не сильно відрізняються від мобільних телефонів.

Супутниковий телефон системи Iridium.

Уважний читач тут же скаже, що в нашому-то випадку все зовсім інакше, адже ми-то мова ведемо нема про супутниках-ретрансляторах, а про супутники-шпигуни, яким клієнтська частина не потрібна. І буде неправий. Тому що закони світобудови поширюються на всі види супутників (і не супутників теж) - і щоб отримати однаково детальну фотографію з 500 км. і з 40 & nbsp000 км. потрібна зовсім різна оптика. Наприклад, наші супутники дистанційного зондування землі [ 4 ] Серії «Ресурс-П», що літають по круговій орбіті заввишки в 475 км., Знімають Землю здоровенними півметровими телескопами з максимальною роздільною здатністю в 1 метр. Гіпотетичному геостаціонарних супутників-фоторозвідника для досягнення таких же показників було б потрібно аналогічний телескоп. Тільки трішки більше. Діаметром всього-то в 40 метрів.

Взагалі кажучи, про оптичні можливості сучасних супутників є відмінна стаття , Що закриває досить старий і вельми поширений міф про можливість на супутникових знімках «вважати зірки на погонах», «читати газету» або «дивитися на стрілку годинника». [ 5 ] Настійно рекомендую, як і весь журнал в цілому.

Супутник дистанційного зондування землі «Ресурс-П».

Півметровий об'єктив апаратури «Геотон-Л».

Ну а оскільки на сучасному етапі найбільший запущений в космос телескоп має діаметр в 2,4 метра (мова звичайно ж йде про «Хаббл», який, як припускають, запозичує ряд технічних рішень від серії американських військових фоторозвідника KeyHole-11), то доводиться вибирати: або ми спостерігаємо потрібні об'єкти з низької орбіти детально, але ці спостереження будуть вельми рідкісними - пару хвилин раз в декілька діб (втім, маючи кілька супутників частоту спостережень можна довести і до декількох разів на добу); або ми їх спостерігаємо з високою орбіти довго і часто, але з поганим дозволом.

Хаббловском космічний телескоп.

На практиці використовуються, звичайно ж, обидва способи. Перший використовують власне фоторозвідники, другий - космічна частина систем попередження про ракетний напад.

Будь запуск балістичної ракети - великомасштабне і дуже характерно виглядає в інфрачервоному діапазоні подія. Щоб його побачити, високий дозвіл не потрібно, зате потрібно в кожен момент часу моніторити якомога більшу площу земної поверхні. Саме тому супутники СПРН зазвичай дивляться Землю з геостаціонарної (зони на екваторі) і високоеліптичних (високі широти) орбіт. Наприклад, космічний ешелон радянської системи «Око» складався з 9 супутників на високоеліптичних орбітах і 1 на геостаціонарній. Це дозволяло цілодобово оглядати все ракетонебезпечних райони Землі відразу декількома супутниками одночасно. На сьогоднішній день вважається, що у нас діють 2 геостаціонарних супутника СПРН і 2 високоеліптичних.

Так видно Земля з російського геостационарного метеосупутника «Електро-Л».

Фоторозвідники ж, навпаки, намагаються тримати на низьких орбітах, звідки можна отримати максимально деталізовані знімки. Так, наприклад, вже згадувані американські супутники KeyHole-11 літають по орбіті з перигеем в 270 і апогеєм в 980 км. (Вгадайте, на яких широтах знаходиться перигей :), а американський же WorldView-3 і наша «Персона» - на круговій орбіті заввишки приблизно в 630 і 720 км. відповідно.

Кльова фоток, на жаль, чи не буде, оскількі інформація про ЦІ Супутник (в тому числі їх Зовнішній вигляд) секретна. Щоб уявити собі як приблизно виглядає супутник серії KeyHole-11 можна подивитися на фото Хаббловском телескопа, щоб приблизно уявити собі «Персону», можна подивитися на «Ресурс-П», благо у них однотипний агрегатний відсік.

А ось на зовсім шпигуна (так ми і повірили, ага :) WorldView-3 можна дивитися скільки влізе - він не секретний.

Супутник дистанційного зондування землі WorldView-3 компанії DigitalGlobe.

До речі, не секретна і інформація про його вартості. Він обійшовся компанії в 650 мільйонів доларів. Чисто для довідки, скандально відомі вертольотоносці «Містраль» продаються бажаючим приблизно по 600 мільйонів євро за штуку. Тобто кожен такий фоторозвідник варто натурально як цілий авіаносець (хоч і маленький і не зовсім повноцінний :)

Це, до речі, відповідає на питання, чому таких супутників лічені одиниці: так просто цінник у них такий кінський, що навіть найбагатша в світі країна може дозволити собі утримувати одночасно всього 5 штук. Ну гаразд, не будемо прикидатися, разом із ніби комерційними, що належать тісно співпрацює з Пентагоном DigitalGlobe, - 6 штук надвисокої роздільної здатності, плюс ще 5 простіших «супутників дистанційного зондування» з високою роздільною здатністю приблизно аналогічних за параметрами нашим «Ресурсам-П» ( QuickBird, WorldView-1, WorldView-2, GeoEye, IKONOS).

Всі кому треба, природно, прекрасно знають і про можливості супутників-шпигунів іншого боку, і про час їх прольоту над своєю територією. І планують всякі великі і важливі дії (переміщення військ, випробування нової техніки) виходячи з цього знання. Гірше того, кожен запуск ракети - це велике і нечасте подія, тому маса інформації кожен раз з'являється у відкритому доступі і її цілком можемо прочитати і ми - любителі. Навіть в разі, якщо параметри супутника і його орбіта не оголошувати відкрито, купа ентузіастів (це зараз не кажучи про аналітиків різних розвідок) все одно знаходить його на небі, відстежує орбіту і навіть фотографує.

Любительське фото американського фоторозвідника USA-129 серії KeyHole-11.

Ну а якщо ти не Тед Молчан і не готовий три дні вираховувати орбіту, а потім ще півночі сидіти біля телескопа в очікуванні прольоту чергового американського супутника-шпигуна, то все одно ще не все пропало. Адже можна пройти на ведений ентузіастами-любителями спецсайтах і подивитися на рух супутників по орбітах в реальному часі.

З його допомогою можна, наприклад, узначть, що фоткати в даний конкретний момент американські фоторозвідники надвисокої роздільної здатності KeyHole-11 USA-245 , USA-224 , USA-186 , USA-161 и USA-129 , Американський же «комерційний» WorldView-3 або наш фоторозвідник надвисокої роздільної здатності Персона , Або аналогічний китаєць YG-26 , Або навіть ізраїльський OFEQ-9 .

Сподіваюся, це знання допоможе вам планувати свій день відповідно% -)

Примітки:

[ 1 ] Чудове все-таки був час. Коли в 2007 році китайці в рамках випробувань противоспутниковой системи збили старий метеосупутник з утворенням декількох тисяч уламків криків було на весь світ. А тут 400 & nbsp000 & nbsp000 (чотириста мільйонів!) Одиниць космічного сміття були запущені чисто щоб подивитися - що з цього вийде :)

[ 2 ] Так-так, це знято в Kerbal Space Program.

[ 3 ] Взагалі-то в оригіналі Кеплер говорив тільки про планети сонячної системи, але, як довів тов. Ньютон, ця закономірність, емпірично виведена Кеплером на основі спостережень за Сонячною системою, поширюється на орбітальний рух взагалі.

[ 4 ] Який, однак, химерний евфемізм;).

[ 5 ] Якщо, звичайно, це не здоровенні сонячний годинник :).