С думой о Земле

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.

Вторая причина, вызывающая возмущения элементов орбиты, — земная атмосфера. История изучения последней, а нас интересует верхняя атмосфера, началась в наши дни, незадолго до запуска первого спутника. Изучение атмосферы связано с решением двух важнейших вопросов теории полета: срока баллистического существования космического аппарата и влияния атмосферы на изменение элементов орбиты. Чтобы оценить влияние атмосферы, нужна ее модель. Теория строения атмосферы предлагает две модели: стационарную и динамическую. Первая исходит из того, что атмосфера Земли имеет сферическую структуру, а ее параметры с высотой изменяются.

Реальная атмосфера отличается так называемыми флуктуациями. Так, замечено, что в соответствии с периодами солнечной активности наблюдаются четыре вида колебаний, разнесенных по времени. Во-первых, случайные колебания плотности в течение суток как на дневной, так и на ночной стороне Земли обусловлены спорадическими солнечными возмущениями. Во-вторых, колебания плотности повторяются через 27-суточные интервалы, равные периоду вращения Солнца вокруг своей оси по отношению к Земле. В-третьих, имеются сезонные колебания, на которые накладывается шестимесячный цикл. Например, плотность, стремится к минимуму в июле и к максимуму в октябре, причем в январе наблюдается вторичный минимум, а в апреле — вторичный максимум. В-четвертых, атмосфера реагирует на колебания солнечной активности в течение 11-летнего цикла появления солнечных пятен. Заметим, что, кроме солнечных возмущений, на атмосферу Земли оказывают воздействие и другие факторы.

Все это учитывают при построении динамической модели атмосферы Земли. Ее эллипсовидные поверхности постоянной плотности имеют вариации в зависимости от времени. В качестве такой модели атмосферы (так же, как и у фигуры Земли) каждое государство в своей космической практике использует собственную, уточняя ее также национальными средствами.

Благоприятным обстоятельством для изучения влияния атмосферы на элементы орбиты является то, что ее возмущения носят характер иной, чем гравитационные. Так, плотность атмосферы быстро уменьшается с высотой, и космический аппарат, находящийся на эллиптической орбите, испытывает эффект торможения главным образом в районе перигея. Это приводит к изменению формы орбиты, то есть орбита, все более приближаясь к круговой, монотонно изменяет эксцентриситет и большую полуось. Если бы атмосфера была стационарной, эти элементы оказались бы единственными, которые изменяются под действием атмосферы. Однако вследствие ее вращения появляются небольшие поперечные силы, создающие малые монотонно растущие возмущения.

Мы рассмотрели влияние Земли лишь на близкие околоземные орбиты. Что касается высокоэллиптических, стационарных и межпланетных орбит и траекторий, то для них возмущения, вносимые нашей планетой, будут существенно меньше.

Выбор формы орбиты, ее наклонения и периода обращения являются первостепенными и, можно сказать, определяющими факторами при проектировании системы спутниковой связи. Они обусловливают принципы организации и эксплуатации системы, энергетику радиолиний и другие технические решения. Наибольшее развитие получили спутниковые системы связи на низких, высокоэллиптических и геостационарных орбитах.

Первыми нашли применение низкоорбитальные спутники связи. Их достоинством является экономичность вывода на орбиту, более простая бортовая аппаратура. Однако недостатков оказалось больше, чем достоинств: большое количество спутников в системе, необходимость постоянного контроля за их движением, частая коррекция орбиты вследствие ее эволюции в процессе полета. Все это привело ко многим эксплуатационным неудобствам, а в конечном счете к нерентабельности такой системы связи. Низколетящие спутники оказались эффективными лишь в случаях, не требующих двусторонней непрерывно действующей связи (например, у геологов). Переданная информация запоминается на борту спутника, а при его пролете над местом приема по команде или автоматически «сбрасывается» на Землю.

Развитие спутниковых систем связи в Советском Союзе начиналось с освоения высокоэллиптических орбит. Это стало возможным благодаря наличию мощной ракеты-носителя, возможностям космодрома и командно-измерительного комплекса, обеспечивающих вывод и управление полетом спутников типа «Молния» на орбитах с наклонением 65 градусов, периодом обращения 12 часов, высотой около 40 тысяч километров в апогее и около 500 километров в перигее. Параметры выбирались из условия обеспечения минимально необходимой длительности связи между двумя крайними пунктами. Так, например, между Москвой и Дальним Востоком одновременная радиовидимость при помощи спутника «Молния» обеспечивается в течение 8–9 часов из 12 для одного периода.