Чтение онлайн

Эти задачи нередко бывают и противоречивыми. Дело в том, что целевое назначение каждого спутника требует вполне определенной орбиты, и может случиться так, что часть наземных измерительных средств будет перегружена работой, в то время как другая использоваться слабо. Поставленная проблема напоминает ту, которую решают работники городского транспорта: как проложить маршруты, чтобы обеспечить удобную и быструю доставку людей к месту их следования. Естественно, чем крупнее город, тем труднее совместить удобство и быстроту передвижения. А в космосе все обстоит гораздо сложнее.

Чтобы понять сущность рассматриваемых задач, совершим небольшой экскурс в теорию космического полета. Если бы не было вращения Земли, возмущений, вносимых ее фигурой и атмосферой, Солнцем, другими планетами в орбиту полета, то трасса — след летящего спутника на поверхности нашей планеты — все время оставалась бы неизменной. Но Земля вращается, и это вызывает смещение трассы с каждым витком. Как же его определяют специалисты?

Точное решение задачи возможно только с помощью ЭВМ, но для оценки достаточно и элементарных расчетов. Поскольку скорость вращения Земли вокруг своей оси составляет 15 градусов в час, то нетрудно определить и смещение трассы за виток. Если период обращения спутника составляет 90 минут, то начало очередного витка сместится на запад на 22,5 градуса, или на 2500 километров (на экваторе один градус равен 111 километрам). С увеличением широты количество километров, соответствующее одному градусу, уменьшается.

Форма трассы в основном определяется периодом обращения спутника, скоростью вращения Земли и наклонением плоскости орбиты. Период вносит, пожалуй, наибольшее разнообразие в очертание трассы. Для абсолютного большинства низколетящих спутников с направлением движения на северо-восток либо юго-восток трасса представляется синусоидой. С увеличением высоты форма ее непрерывно изменяется. Сжимаясь, словно пружина, она по достижении периода, равного 24 часам, превращается в восьмерку. При дальнейшем его увеличении форма трассы в общем случае не описывается известными геометрическими фигурами. Значит, чем выше летит спутник, тем большую роль в очертаниях трассы играет вращение Земли.

Форма трассы существенным образом зависит не только от периода, но и от наклонения плоскости орбиты. Так, при полете с востока на запад (наклонение больше 90 градусов) характер следа спутника меняется настолько, что исчезает возможность получения синусоидообразных трасс. А с уменьшением наклонения восьмерка, о которой говорилось выше, постепенно сужается и при нуле стягивается в точку. В этом случае говорят, что спутник находится на геостационарной орбите.

Одно из важнейших условий при связи со спутником — его прямая или визуальная видимость с поверхности Земли. Но как же оценить, насколько долго радиотехнические средства держат связь со спутником?

Наверное, многие видели на ночном небе маленькие яркие звездочки-спутники. Радиосредства «видят» лучше человека, но и их возможности ограничиваются горизонтом. Так, при высоте круговой орбиты около 2 тысяч километров время пребывания спутника в зоне радиовидимости составляет около 10 минут, а при высоте 20 000 километров — 4,5 часа. Значит, чем выше над планетой спутник, тем больше зона радиовидимости для каждого наземного пункта.

Увеличивается она не безгранично. С высоты геостационарной орбиты видна почти половина всей Земли, и, следовательно, ее предельная величина как раз и достигается в этом случае. С другой стороны, наибольшая продолжительность сеанса связи соответствует прохождению трассы непосредственно над антенной наземного пункта. Однако это бывает редко. В основном след находится на некотором расстоянии от центра зоны радиовидимости, и, естественно, чем это расстояние больше, тем короче сеанс связи.

Чтобы за несколько минут провести радиосеанс с низколетящим спутником, нужно точно знать, откуда и когда он появится, куда будет держать курс в дальнейшем. Эту информацию получают, рассчитав трассу полета спутника. Она дает возможность определить, в какое время и над какими пунктами Земли пролетает спутник. А это позволяет разработать программу работы как бортовой, так и наземной аппаратуры, рассчитать время входа спутника в зону радиовидимости и дать целеуказания для радиотехнических станций. С расчетом трасс полета тесно связано определение параметров орбиты спутника, которые, в свою очередь, зависят от фигуры Земли.

ТАСС сообщает: «…в Советском Союзе произведен запуск очередного искусственного спутника Земли…» За этими короткими строками официальных сообщений стоит кропотливый, каждодневный и разносторонний труд советских людей. Начатый конструкторами, инженерами, техниками и рабочими, он завершается на космодроме. Именно здесь приобретает законченный образ и ракетно-космический комплекс, а испытатели проверяют его «характер». Отсюда, с космодрома, ракета-носитель выводит космический аппарат на орбиту нашей планеты, дает ему дорогу в жизнь.

Слово «дорога» мы употребляем не случайно. Покинув Землю и выйдя в космос, аппарат не может просто так проститься с ней. Любая его «дорога» — орбита спутника — находится в постоянной зависимости от нашей планеты, и именно Земля и ее атмосфера оказывают наибольшее влияние на орбиту спутника. Под их воздействием он то поднимается или опускается, то смещается влево или вправо.

Как и почему это происходит?

Невозмущенное движение спутника простейшее. Оно предполагает, что на космический аппарат действует только сила притяжения, то есть Земля является центральным телом сферической массы с заданным радиусом, а сопротивление атмосферы отсутствует. Положение космического аппарата в любой момент времени определяется шестью постоянными величинами, называемыми элементами, или параметрами орбиты. Все элементы орбиты при таком идеальном движении всегда остаются постоянными. В реальной обстановке все они изменяются. Каковы же основные причины, вызывающие возмущения элементов орбиты спутников?

Одна из них — конфигурация нашей планеты. История определения фигуры Земли берет свое начало с И. Ньютона. Исследования его продолжил французский математик и астроном А. Клеро. Он пришел к выводу, что Земля имеет форму сфероида, а ускорение силы тяжести на ее поверхности изменяется в зависимости от широты. Связав распределение силы тяжести со сжатием Земли, А. Клеро показал новые возможности в исследованиях фигуры Земли.

Спустя 100 лет английский физик Д. Стокс обобщил выводы А. Клеро и его последователей. В частности, он решил обратную задачу: как по известной силе тяжести построить фигуру Земли? Если бы Земля действительно была сфероидом, то наблюдаемая сила тяжести точно соответствовала бы нормальной, полученной А. Клеро. Разности силы тяжести — наблюдаемой и нормальной — характеризуют отступление реальной поверхности от сфероида, или, как сейчас называют, аномалии силы тяжести.

Д. Стокс построил уровенную поверхность фигуры Земли, и с этого времени ее стали представлять в виде эллипсоида вращения. Постепенно она уточнялась, но своего завершения не получила до сих пор. Каждое государство в своей практике использует собственные геофизические постоянные и тем самым имеет собственную модель фигуры Земли, которую может уточнять национальными средствами.

Особенности гравитационного поля планеты, обусловленные ее сжатием, вызывают постоянное вращение плоскости орбиты вокруг земной оси.

Эти возмущения называют вековыми.

В дополнение к вековым происходят различные периодические возмущения элементов орбиты. Наиболее существенные из них — колебания перигейного расстояния, вызываемого асимметрией Земли относительно экватора. При перемещении перигея от экватора на север расстояние перигея от центра Земли уменьшается на 0,8 километра, а при перемещении на юг увеличивается на ту же величину по сравнению с экваториальным расположением. Кроме того, имеют место некоторые малые короткопериодические возмущения элементов орбиты в течение одного витка, вызываемые более мелкими неоднородностями гравитационного поля.