С думой о Земле

Как же этого добиваются?

Прежде всего путем учета законов механики и возмущений. Так, согласно второму закону Кеплера угловая скорость спутника при движении по эллиптической орбите тем меньше, чем дальше он удален от центра Земли. Иными словами, скорость его движения в районе апогея существенно медленнее, чем в перигее, что и позволяет при расположении апогея в Северном полушарии достичь такой продолжительности связи. Однако это необходимое, но недостаточное условие.

Дело в том, что возмущения, вносимые фигурой Земли, приводят к тому, что линия апсид прецессирует. Анализ математических зависимостей, описывающих движение спутника в реальном поле сил, позволяет среди множества орбит найти ту, у которой эта прецессия равна нулю. Ее наклонение оказывается равным порядка 63°.

Еще более приспособленной для целей связи оказалась геостационарная орбита. Известно, что создать искусственный спутник, который был бы неподвижным в межпланетном пространстве, вообще говоря, нельзя. Но его можно вывести так, чтобы, перемещаясь по отношению к звездам, он оставался неподвижным для наблюдателя на Земле. Такой спутник принято называть стационарным, то есть неподвижным, хотя более точно было бы назвать его геостационарным — неподвижным относительно какой-либо точки земной поверхности.

Каковы же должны быть параметры орбиты такого спутника?

Принято считать, что Земля совершает один оборот относительно своей оси за 24 часа. Это верно лишь отчасти. Например, меридиан, на котором расположена Москва, действительно пересекает линию Земля — Солнце через 24 часа, но по отношению к направлению на неподвижную звезду он совершает один оборот лишь за 23 часа 56 минут 04 секунды. Поэтому спутнику за это время нужно сделать один оборот вокруг оси Земли, чтобы его обращение по орбите было синхронным вращению Земли. Однако не всякий синхронный спутник будет стационарным. Для того чтобы он казался для наблюдателя на Земле неподвижным, плоскость его орбиты должна быть перпендикулярна оси вращения Земли.

В этих условиях единственно возможной остается орбита, след которой проходит по экватору, и, значит, наклонение ее равно нулю. Высота же орбиты должна равняться 35 800 километрам. Эта орбита хороша тем, что спутник «видит» с нее почти 40 процентов поверхности Земли. Вот почему с каждым годом растет число геостационарных спутников прежде всего для связи. Сейчас на этой орбите уже стало тесно. Мало того, космические аппараты еще и старятся, прекращают свою работу.

Что же делать, ведь на место отработавшего надо ставить новый?

И тут нам снова на помощь приходит Земля. Спутник, прекративший свою работу, почти незаметно начнет двигаться вдоль орбиты. А на ней есть две так называемые «потенциальные ямы», районы, попав куда он останавливается, точно корабль, бросивший якорь. Только морской корабль может сняться с якоря, а космический из «потенциальной ямы» выбраться уже не может, тут он остается навсегда. Районы, где отсутствует дрейф спутников, совпадают с малой осью экваториального сечения Земли и находятся над Индийским и Тихим океанами. Их называют кладбищем стационарных спутников. Отработавший космический аппарат, подобно престарелому слону, гонимому инстинктом на кладбище своих предков, начнет дрейфовать на кладбище спутников — в ближайшую «потенциальную яму». А освободившееся место займет новый спутник, чтобы продолжить службу своего предшественника.

Геостационарные спутники проще всего выводить на орбиту со стартовых площадок, расположенных на экваторе. И вот почему. Изменение наклонения после выведения космического аппарата на орбиту — самая дорогостоящая операция. Например, для полета на Луну с территории СССР требуется меньше топлива, чем для выведения спутника на стационарную орбиту, хотя последняя более чем в 10 раз ближе к нашей планете. Из всей энергии, затрачиваемой в этом случае на выведение, примерно половина уходит на поворот плоскости орбиты. Однако существует схема, которая позволяет экономить топливо и в общем случае.

Если спросить любого человека, целесообразно ли лететь на самолете из Москвы в Киев через Владивосток, то он, несомненно, подумает, что с ним шутят. Ясно, что такой обходной маневр связан с огромной и ненужной затратой топлива. Иначе обстоит дело в космосе, в частности при выведении спутника на стационарную орбиту. Для стартовой площадки, расположенной, например, выше 49 градусов по широте, с орбиты ожидания спутник переводится на переходную орбиту с высотой апогея, намного превышающей высоту стационарной орбиты.

В апогее осуществляется второе включение двигателя для перехода на вторую переходную орбиту, которая находится уже в плоскости экватора и перигеем касается стационарной. Третий раз двигательная установка включается в перигее второй переходной орбиты, то есть на высоте стационарной орбиты, для того чтобы снизить скорость спутника и предотвратить его уход вверх. Как ни парадоксально на первый взгляд, но именно использование переходной орбиты с апогеем, намного превышающим высоту стационарной орбиты, дает энергетический выигрыш. Оказывается, что с увеличением высоты энергозатраты на изменение наклонения орбиты, которые являются определяющими в общей доле затрат, уменьшаются. В итоге схема становится более экономичной.

Естественно, приведенная схема не единственная. В зависимости от обстановки, конкретных условий возможны и другие.

Многие космические объекты, порой даже невидимые в самые сильные оптические телескопы, удается регистрировать по испускаемому ими радиоизлучению. А ведь радиофон несет в миллионы раз меньшую энергию, чем световой поток. Оказывается, такой разительный контраст между видимым и радиоизлучением обусловлен особенностями поглощения и рассеяния электромагнитных волн на пути от источника к приемнику.

Космические радиотехнические средства используются почти исключительно в УКВ-диапазоне. Дело тут вот в чем. Прилегающий к поверхности нашей планеты газовый слой (тропосфера) содержит повышенную концентрацию водяных паров и кислорода, которые поглощают волны миллиметрового и оптического диапазона. А в ионосфере (50–280 километров) находится несколько слоев с повышенной концентрацией свободных электронов, которые не пропускают длинные радиоволны. Отразившись, как от зеркала, они возвращаются на Землю.

Это свойство, необходимое и достаточное для земной радиосвязи, становится основной помехой для космической. Волны УКВ-диапазона (сантиметровые, дециметровые и метровые) проходят сквозь эти преграды. Поэтому они используются для связи со спутниками. Что же касается возможности приема, то она прежде всего связана с площадью антенн.

Диаметр зеркала самого крупного, в мире оптического телескопа равен 6 метрам, а поворотного радиотелескопа — 100 метрам. Такое увеличение площади антенны позволило значительно раздвинуть рамки наблюдения Вселенной — до расстояния 10 миллиардов световых лет. Осваивать такие дальности связи в космонавтике пока нет необходимости. Однако этот пример наглядно иллюстрирует не только возможности радиоинструментов, но и направление развития космических радиосистем.

Обеспечить большую мощность излучения со спутника трудно. Ведь возможности ракет-носителей ограничены. А это, в свою очередь, вызывает ограничение массы и габаритов устанавливаемой на спутниках аппаратуры. Компенсировать эти ограничения можно лишь за счет установки мощных радиосредств на Земле. Их-то и используют для управления движением космических аппаратов, контроля траектории их полета, приема и передачи телеметрической и научной (прикладной) информации, связи с космонавтами.

Если к этому добавить различия в дальности и скорости полета спутников, способах их ориентации и стабилизации, то становится ясным, насколько разнообразны должны быть радиолинии. И наиболее заметно это сказывается на антеннах. Сейчас их насчитывается несколько десятков, отличающихся друг от друга размерами, формой и другими параметрами. Наиболее распространена параболическая антенна, используемая в дециметровом и сантиметровом диапазонах волн. Она состоит из металлического зеркала в виде параболоида вращения и облучателя, помещенного в фокусе.