Спутник или искусственный спутник [а] — это объект, обычно космический корабль , выведенный на орбиту вокруг небесного тела . Спутники имеют множество применений, включая ретрансляцию связи, прогнозирование погоды, навигацию ( GPS ), радиовещание, научные исследования и наблюдение Земли. К дополнительным военным применениям относятся разведка, раннее предупреждение, радиоразведка и, возможно, доставка оружия. Другие спутники включают последние ступени ракеты, которые выводят спутники на орбиту, а также ранее полезные спутники, которые позже перестают функционировать.
За исключением пассивных спутников , большинство спутников имеют на борту системы выработки электроэнергии для оборудования, такого как солнечные панели или радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РТГ). Большинство спутников также имеют метод связи с наземными станциями , называемый транспондерами . Многие спутники используют стандартизированную шину для экономии средств и работы, наиболее популярным из которых является небольшой CubeSats . Подобные спутники могут работать вместе группами, образуя созвездия . Из-за высокой стоимости запуска в космос спутники проектируются так, чтобы быть максимально легкими и прочными. Большинство спутников связи представляют собой радиорелейные станции на орбите и оснащены десятками транспондеров, каждый из которых имеет полосу пропускания в десятки мегагерц.
Спутники выводятся с поверхности на орбиту с помощью ракет-носителей , достаточно высоких, чтобы избежать распада орбиты в атмосфере . Затем спутники могут менять или поддерживать орбиту с помощью двигателей , обычно химических или ионных двигателей . По состоянию на 2018 год около 90% спутников, вращающихся вокруг Земли, находятся на низкой околоземной или геостационарной орбите ; геостационарный означает, что спутники остаются неподвижными в небе. Некоторые спутники для получения изображений выбрали солнечно-синхронную орбиту , поскольку они могут сканировать весь земной шар при одинаковом освещении. По мере увеличения количества спутников и космического мусора вокруг Земли угроза столкновения становится все более серьезной. Небольшое количество спутников вращается вокруг других тел (таких как Луна , Марс и Солнце ) или многих тел одновременно (два на гало-орбите , три на орбите Лиссажу ).
Спутники наблюдения Земли собирают информацию для разведки , картографирования , мониторинга погоды , океана, леса и т. д. Космические телескопы используют почти идеальный вакуум космического пространства для наблюдения за объектами со всем электромагнитным спектром . Поскольку спутники могут видеть большую часть Земли одновременно, спутники связи могут передавать информацию в отдаленные места. Задержка сигнала от спутников и предсказуемость их орбиты используются в системах спутниковой навигации , таких как GPS. Космические зонды — это спутники, предназначенные для роботизированного исследования космоса за пределами Земли, а космические станции, по сути, представляют собой спутники с экипажем.
Первым искусственным спутником Земли, запущенным на орбиту Земли, стал советский « Спутник-1» 4 октября 1957 года. По состоянию на 31 декабря 2022 года на орбите Земли находится 6718 действующих спутников, из которых 4529 принадлежат США (3996). коммерческие), 590 принадлежат Китаю, 174 — России и 1425 — другим странам. [1]
Первым опубликованным математическим исследованием возможности искусственного спутника было « пушечное ядро Ньютона» — мысленный эксперимент Исаака Ньютона , призванный объяснить движение естественных спутников , в его «Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica» (1687). Первым художественным изображением запуска спутника на орбиту был рассказ Эдварда Эверетта Хейла « Кирпичная луна » (1869). [2] [3] Эта идея снова всплыла в книге Жюля Верна «Удача Бегум» (1879).
В 1903 году Константин Циолковский (1857–1935) опубликовал «Исследование космоса с помощью реактивных двигателей », ставший первым академическим трактатом по использованию ракетной техники для запуска космических кораблей. Он рассчитал орбитальную скорость , необходимую для минимальной орбиты, и пришел к выводу, что многоступенчатая ракета , питаемая жидким топливом , может достичь этого.
Герман Поточник исследовал идею использования орбитальных космических кораблей для подробного мирного и военного наблюдения за землей в своей книге 1928 года « Проблема космических путешествий» . Он описал, как особые условия космоса могут быть полезны для научных экспериментов. В книге описывались геостационарные спутники (впервые выдвинутые Константином Циолковским ) и обсуждалась связь между ними и землей с помощью радио, но не была реализована идея использования спутников для массового вещания и в качестве телекоммуникационных ретрансляторов. [4]
В статье «Wireless World» 1945 года английский писатель-фантаст Артур Кларк подробно описал возможное использование спутников связи для массовой коммуникации. Он предположил, что три геостационарных спутника обеспечат покрытие всей планеты. [5] : 1–2
В мае 1946 года проект RAND ВВС США опубликовал предварительный проект экспериментального космического корабля, вращающегося вокруг мира , в котором говорилось: «Можно ожидать, что спутниковый аппарат с соответствующими приборами станет одним из самых мощных научных инструментов двадцатого века». ." [6] Соединенные Штаты рассматривали возможность запуска орбитальных спутников с 1945 года под руководством Бюро аэронавтики ВМС США . Проект RAND в конечном итоге опубликовал отчет, но посчитал, что спутник является инструментом науки, политики и пропаганды, а не потенциальным военным оружием. [7]
В 1946 году американский астрофизик-теоретик Лайман Спитцер предложил орбитальный космический телескоп . [8]
В феврале 1954 года проект RAND выпустил книгу Р. Р. Кархарта «Научное использование спутникового аппарата». [9] Это расширило возможности научного использования спутниковых аппаратов, а в июне 1955 года последовала работа Х. К. Каллмана и У. В. Келлогга «Научное использование искусственного спутника». [10]
Первым искусственным спутником был «Спутник-1» , запущенный Советским Союзом 4 октября 1957 года по программе «Спутник» под руководством Сергея Королева . Спутник-1 помог определить плотность верхних слоев атмосферы путем измерения изменения его орбиты и предоставил данные о распределении радиосигналов в ионосфере . Неожиданное объявление об успехе «Спутника-1» ускорило кризис «Спутника» в США и спровоцировало так называемую космическую гонку в рамках « холодной войны» .
В контексте мероприятий, запланированных на Международный геофизический год (1957–1958), Белый дом объявил 29 июля 1955 года, что США намерены запустить спутники к весне 1958 года. Это стало известно как проект «Авангард» . 31 июля Советский Союз объявил о своем намерении запустить спутник к осени 1957 года.
Спутник-2 был запущен 3 ноября 1957 года и доставил на орбиту первого живого пассажира — собаку по кличке Лайка . [11]
В начале 1955 года, под давлением Американского ракетного общества , Национального научного фонда и Международного геофизического года, армия и флот работали над проектом «Орбитер» с двумя конкурирующими программами. Армия использовала ракету «Юпитер-С» , а гражданская программа ВМФ использовала ракету «Авангард» для запуска спутника. «Эксплорер-1» стал первым искусственным спутником США 31 января 1958 года. [12] Информация, полученная от его детектора радиации, привела к открытию радиационных поясов Ван Аллена на Земле . [13] Космический корабль « ТИРОС -1» , запущенный 1 апреля 1960 года в рамках программы НАСА « Спутник телевизионного инфракрасного наблюдения » (ТИРОС), отправил обратно первые телевизионные кадры погодных условий, которые были сняты из космоса. [14]
В июне 1961 года, через три с половиной года после запуска «Спутника-1», Сеть космического наблюдения США внесла в каталог 115 спутников на околоземной орбите. [15] Астерикс или А-1 (первоначально задуманный как FR.2 или FR-2) — первый французский спутник. Он был запущен 26 ноября 1965 года ракетой Diamant A с космодрома CIEES в Хаммагире, Алжир. Благодаря «Астериксу» Франция стала шестой страной, имеющей искусственный спутник, и третьей страной, запустившей спутник на собственной ракете.
Франция является третьей страной, запустившей спутник на собственной ракете « Астерикс» 26 ноября 1965 года с помощью ракеты «Диамант А» с космодрома CIEES в Хаммагире , Алжир .
Первые спутники были построены по уникальной конструкции. С развитием технологий несколько спутников начали строиться на единых моделях платформ, называемых спутниковыми шинами . Первой стандартизированной конструкцией спутниковой шины стал геосинхронный спутник связи (GEO) HS-333, запущенный в 1972 году. Начиная с 1997 года, FreeFlyer представляет собой готовое коммерческое программное обеспечение для анализа, проектирования и эксплуатации спутниковых миссий.
Хотя Канада была третьей страной, построившей спутник, запущенный в космос, [16] он был запущен на борту американской ракеты с американского космодрома. То же самое касается Австралии, чей запуск первого спутника включал в себя подаренную США ракету «Редстоун» и американский вспомогательный персонал, а также совместную с Великобританией пусковую установку. [17] Первый итальянский спутник «Сан-Марко-1» был запущен 15 декабря 1964 года на американской ракете «Скаут» с острова Уоллопс (Вирджиния, США) итальянской стартовой командой, обученной НАСА . [18] В подобных случаях почти все последующие первые национальные спутники были запущены иностранными ракетами. [ нужна цитата ]
После конца 2010-х годов, и особенно после появления и ввода в эксплуатацию крупных группировок спутникового Интернета , где количество активных спутников на орбите увеличилось более чем вдвое за пять лет, компании, строящие группировки, начали предлагать регулярный плановый вывод с орбиты старых спутников. срок эксплуатации которого истек , как часть нормативного процесса получения лицензии на запуск. [ нужна цитата ] Самый большой искусственный спутник когда-либо – это Международная космическая станция . [19]
К началу 2000-х годов, особенно после появления CubeSat и увеличения количества запусков микроспутников — часто запускаемых на более низкие высоты низкой околоземной орбиты (НОО), — спутники стали чаще проектироваться так, чтобы их уничтожали или полностью разрушали и выгорали. атмосфера. [20] Например, спутники SpaceX Starlink , первая крупная группировка спутникового Интернета, число активных спутников на орбите которых в 2020 году превысит 1000, спроектированы так, чтобы их можно было на 100% уничтожить и полностью сгореть при входе в атмосферу в конце своего срока службы или в случае раннего выхода из строя спутника. [21]
В разные периоды многие страны, такие как Алжир , Аргентина , Австралия , Австрия , Бразилия , Канада , Чили , Китай , Дания , Египет , Финляндия , Франция , Германия , Индия , Иран , Израиль , Италия , Япония , Казахстан , Южная Корея , Малайзия , Мексика , Нидерланды , Норвегия , Пакистан , Польша , Россия , Саудовская Аравия , Южная Африка , Испания , Швейцария , Таиланд , Турция , Украина , Великобритания и США имели несколько спутников на орбите. [22]
Японское космическое агентство (JAXA) и НАСА планируют отправить на орбиту деревянный прототип спутника под названием LingoSat летом 2024 года. Они работали над этим проектом несколько лет и отправили первые образцы древесины в космос в 2021 году, чтобы проверить устойчивость материала. к космическим условиям. [23]
Большинство спутников используют химическое или ионное движение для корректировки или поддержания своей орбиты [ 5] : 78 в сочетании с реактивными колесами для управления тремя осями вращения или положения. На спутники, расположенные близко к Земле, больше всего влияют изменения магнитного и гравитационного поля Земли , а также радиационного давления Солнца ; спутники, находящиеся дальше, больше подвержены влиянию гравитационного поля других тел, создаваемого Луной и Солнцем. На спутниках используются ультрабелые отражающие покрытия, предотвращающие повреждение от УФ-излучения. [24] Без контроля орбиты и ориентации спутники на орбите не смогут связываться с наземными станциями на Земле. [5] : 75–76
Химические двигатели на спутниках обычно используют монотопливо (однокомпонентное) или двухкомпонентное топливо (двухкомпонентное), которое является гиперголическим . Гиперголический означает способность самовозгораться при контакте друг с другом или с катализатором . Наиболее часто используемыми смесями топлива на спутниках являются монотоплива на основе гидразина или двухкомпонентные топлива монометилгидразин - тетроксид диазота . Ионные двигатели на спутниках обычно представляют собой двигатели на эффекте Холла , которые создают тягу за счет ускорения положительных ионов через отрицательно заряженную сетку. Ионное движение более эффективно с точки зрения топлива, чем химическое, но его тяга очень мала (около 0,5 Н или 0,1 фунт- сила ), и поэтому требует более длительного времени горения. В двигателях обычно используется ксенон , поскольку он инертен , легко ионизируется , имеет высокую атомную массу и может храниться в виде жидкости под высоким давлением. [5] : 78–79
Большинство спутников используют солнечные батареи для выработки энергии, а некоторые в глубоком космосе с ограниченным солнечным светом используют радиоизотопные термоэлектрические генераторы . Контактные кольца прикрепляют солнечные панели к спутнику; контактные кольца могут вращаться перпендикулярно солнечному свету и генерировать максимальную мощность. Все спутники с солнечной панелью также должны иметь батареи , поскольку солнечный свет блокируется внутри ракеты-носителя и в ночное время. Наиболее распространенные типы аккумуляторов для спутников — литий-ионные , а в прошлом никель-водородные . [5] : 88–89
Спутники наблюдения Земли предназначены для мониторинга и исследования Земли, называемого дистанционным зондированием . Большинство спутников наблюдения Земли размещаются на низкой околоземной орбите для обеспечения высокого разрешения данных, хотя некоторые из них размещаются на геостационарной орбите для непрерывного покрытия. Некоторые спутники выводятся на солнечно-синхронную орбиту для обеспечения постоянного освещения и полного обзора Земли. В зависимости от функций спутников они могут иметь обычную камеру , радар , лидар , фотометр или атмосферные приборы. Данные спутников наблюдения Земли чаще всего используются в археологии , картографии , мониторинге окружающей среды , метеорологии и разведке . [ нужна цитата ] По состоянию на 2021 год насчитывается более 950 спутников наблюдения Земли, причем наибольшее количество спутников эксплуатируется Planet Labs . [25]
Метеорологические спутники отслеживают облака , огни городов , пожары , последствия загрязнения , полярные сияния , песчаные и пыльные бури , снежный покров, карты льда , границы океанских течений , потоки энергии и т. д. Спутники экологического мониторинга могут обнаруживать изменения в растительности Земли , атмосферные следы. содержание газа, состояние моря, цвет океана и ледяные поля. Мониторинг изменений растительности с течением времени позволяет отслеживать засухи путем сравнения текущего состояния растительности со средним долгосрочным значением. [26] Антропогенные выбросы можно отслеживать путем оценки данных по тропосферным NO 2 и SO 2 . [ нужна цитата ]
Спутник связи — искусственный спутник , который передает и усиливает сигналы радиосвязи через транспондер ; он создает канал связи между источником- передатчиком и приемником в разных местах на Земле . Спутники связи используются для телевидения , телефона , радио , Интернета и в военных целях. [27] Многие спутники связи находятся на геостационарной орбите на высоте 22 300 миль (35 900 км) над экватором , так что спутник кажется неподвижным в одной и той же точке неба; поэтому спутниковые антенны наземных станций могут быть постоянно направлены на это место, и им не придется перемещаться для отслеживания спутника. Другие образуют группировки спутников на низкой околоземной орбите , где наземные антенны должны отслеживать положение спутников и часто переключаться между спутниками.
Радиоволны , используемые для телекоммуникационных линий, распространяются в пределах прямой видимости и поэтому им препятствует кривая Земли. Целью спутников связи является ретрансляция сигнала по всей поверхности Земли, обеспечивая связь между удаленными друг от друга географическими точками. [28] Спутники связи используют широкий диапазон радио- и микроволновых частот . Чтобы избежать помех сигнала, международные организации имеют правила, в которых диапазоны частот или «диапазоны» разрешено использовать определенным организациям. Такое распределение полос сводит к минимуму риск помех сигнала. [29]Когда спутник наблюдения Земли или спутник связи развертывается в военных или разведывательных целях, он называется спутником-шпионом или спутником-разведчиком.
Его использование включает раннее предупреждение о ракетном нападении, обнаружение ядерных взрывов, электронную разведку, а также оптическое или радиолокационное наблюдение.
Навигационные спутники — это спутники, которые используют радиосигналы времени, передаваемые для того, чтобы мобильные приемники на земле могли определить их точное местоположение. Относительно четкая линия видимости между спутниками и наземными приемниками в сочетании с постоянно совершенствующейся электроникой позволяет спутниковым навигационным системам измерять местоположение с точностью порядка нескольких метров в реальном времени.
Астрономические спутники — спутники, используемые для наблюдения за далекими планетами, галактиками и другими космическими объектами.
Tether-спутники — это спутники, которые соединены с другим спутником тонким кабелем, называемым тросом . Спутники-восстановители — это спутники, обеспечивающие восстановление разведывательной, биологической, космической и другой полезной нагрузки с орбиты на Землю. Биоспутники — это спутники, предназначенные для перевозки живых организмов, как правило, для научных экспериментов. Космические спутники солнечной энергии — это спутники, которые будут собирать энергию солнечного света и передавать ее для использования на Земле или в других местах.
С середины 2000-х годов военные организации взламывают спутники для трансляции пропаганды и кражи секретной информации из военных сетей связи. [30] [31] В целях испытаний спутники на низкой околоземной орбите были уничтожены баллистическими ракетами, запущенными с Земли. Россия , США , Китай и Индия продемонстрировали способность уничтожать спутники. [32] В 2007 году китайские военные сбили стареющий метеорологический спутник, [32] а в феврале 2008 года ВМС США сбили несуществующий шпионский спутник . [33] 18 ноября 2015 года, после двух неудачных попыток, Россия успешно осуществила прошли летные испытания противоспутниковой ракеты «Нудоль» . [ нужна цитата ] 27 марта 2019 года Индия сбила испытательный спутник на высоте 300 км за 3 минуты, став четвертой страной, имеющей возможность уничтожать работающие спутники. [34] [35]
.png/1280px-The_growth_of_all_tracked_objects_in_space_over_time_(space_debris_and_satellites).png)
Такие проблемы, как космический мусор , радио- и световое загрязнение, становятся все более масштабными, и в то же время отсутствует прогресс в национальном или международном регулировании. [37] [36] Космический мусор представляет опасность для космических аппаратов [38] [39] (включая спутники) [39] [40] на геоцентрических орбитах или пересекающих их и потенциально может вызвать синдром Кесслера [41] , который потенциально может ограничить человечество от проведения космических исследований в будущем. [42] [43]
С увеличением количества спутниковых группировок , таких как SpaceX Starlink , астрономическое сообщество, такое как МАС , сообщает, что орбитальное загрязнение значительно увеличивается. [44] [45] [46] [47] [48] В отчете семинара SATCON1 в 2020 году был сделан вывод о том, что воздействие крупных группировок спутников может серьезно повлиять на некоторые астрономические исследования, и перечислены шесть способов смягчить вред астрономии. [49] [50] МАС создает центр (CPS) для координации или объединения мер по смягчению таких пагубных последствий. [51] [52] [53]
Некоторые заметные неисправности спутников, которые привели к загрязнению и рассеянию радиоактивных материалов, — это «Космос 954» , «Космос 1402» и « Транзит 5-БН-3» .
В целом ответственность подпадает под действие Конвенции об ответственности . Было предложено использовать древесину в качестве альтернативного материала для уменьшения загрязнения и мусора от спутников, которые снова входят в атмосферу. [54]
Из-за низкой мощности принимаемого сигнала спутниковых передач они подвержены помехам со стороны наземных передатчиков. Такие помехи ограничены географической зоной в пределах радиуса действия передатчика. Спутники GPS являются потенциальными целями для глушения, [55] [56] , но сигналы спутниковых телефонов и телевидения также подвергаются глушению. [57] [58]
Кроме того, очень легко передать несущую радиосигнал на геостационарный спутник и тем самым помешать законному использованию ретранслятора спутника. Наземные станции часто передают сигналы в неподходящее время или на неправильной частоте в коммерческом спутниковом пространстве и дважды освещают транспондер, что делает частоту непригодной для использования. Спутниковые операторы теперь имеют сложные инструменты и методы мониторинга, которые позволяют им точно определять источник любой несущей и эффективно управлять пространством транспондера. [ нужна цитата ]
Эта статья включает текст из этого источника, который находится в свободном доступе .{{cite web}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
