Особенности искусственных спутников земли на примере спутниковых систем связи

Страница 2

«Бэби-мун» — «Луной-малюткой» — прозвали американцы нашего межпланетного первенца. Тысячи глаз и радиоприемников следили за его полетом. И каждый час его жизни интересовал ученых. Впервые земное тело поднималось на высоту 947 км. Впервые на таких высотах работал радиопередатчик.

Сигналы его показы­вали, как проходят радиоволны через верхние наэлектризованные слои атмосферы, позволя­ли глубже понять их строение.

Радиопередача требует энергии. Энергия в космосе есть. Ее можно заимствовать от Солнца. Пусть оно своими лучами заряжает аккумуля­торы. Но на первом спутнике стояли батареи, заряженные на Земле. Они иссякли через неко­торое время, однако и замолкший спутник про­должал служить науке. На больших высотах, где пролегал его путь, воздуха почти нет . но все же «почти нет», а не «совсем нет». Даже при незначительной плотности воздух оказывает сопротивление, и скорость спутника посте­пенно снижается. Благодаря этому можно уста­новить, какова плотность атмосферы на различных высотах.

Некоторые особенности в движении спутни­ка указывают на неравномерное притяжение Земли. Это позволяет уточнить форму и строе­ние нашей планеты, найти скрытые под Землей тяжелые или легкие массы.

Теоретически тело, летящее над Землей со скоростью 8 км/сек, не упадет никогда. Но пер­вые спутники не могли летать вечно. Ничтожное сопротивление воздуха со временем затормози­ло их полет. Они снижались и, влетев в плотные слои воздуха, сгорали и рассыпались.

Теперь нужно было решить самый важный вопрос: может ли живое существо перенести космический полет, или оно неминуемо погиб­нет за пределами атмосферы? Второй советский искусственный спутник, стартовавший 3 нояб­ря 1957 г., должен был ответить на этот во­прос. На нем в космос на высоту до 1670 км отправилась первая путешественница — собака Лайка. Специальные приборы следили за ее дыханием, пульсом, кровяным давлением. Мы знаем, что Лайка хорошо перенесла стреми­тельный старт и многосуточное путешествие вокруг Земли. На третьем советском искусст­венном спутнике Земли была установлена еще белее разнообразная аппаратура для изучения свойств земной атмосферы, солнечного излуче­ния и т. п. Он весил 1,3 тонны, и запасы его электрической анергии для питания приборов пополнялись за счет действия солнечных лучей на установленные приспособления. Позднее несколько искусственных спутников удалось запустить и в США.

Третий советский спутник оказался самым долговечным и самым тяжелым. Советские люди сумели забросить в пространство солид­ное сооружение, размером с легковую маши­ну.

III. Спутниковые системы связи.

Интересно, что идея применения искусственных спут­ников Земли для связи была высказана еще до запуска первого спутника. В 1945 г. известный советский ученый П. В. Шмаков выдвигал идею использования ИСЗ для организации всемирного телевизионного вещания.

Каковы же принципы применения ИСЗ для целей свя­зи и почему спутниковые системы позволяют преодолеть многие трудности, возникающие при организации связи старыми, традиционными методами?

Известно, что шар отражает электромагнитные волны равномерно во всех направлениях, а его эффективная от­ражающая поверхность пропорциональна квадрату диа­метра. Повышение отражательных свойств такого шара может быть достигнуто за счет увеличения его диаметра. Надув шара осуществлялся после вывода ИСЗ на орби­ту способом сублимации. Оболочка имела защитную плен­ку и специальное металлизированное покрытие. Шар был составлен из отдельных меридиональных сегментов. Металлические шаровые сегменты, накладываемые на сферу, обеспечивали электрический контакт между всеми ме­ридиональными сегментами.

Несмотря на очевидную простоту, дешевизну и опре­деленные технические достоинства такой системы спутниковой связи, очень скоро выявились и серьезные ее недо­статки. Для поддержания устойчивой связи потребовалась большая мощность передающих и высокая чувствитель­ность приемных наземных устройств. Но и при выполне­нии этих условий радиолинии работали недостаточно ус­тойчиво, были подвержены влиянию помех. Срок жизни таких спутников вследствие изменения их формы, сжа­тия оболочки и ухудшения отражательных свойств, а также из-за быстрой потери высоты оказался небольшим.

Спутник, однако, постоянно перемещается в пространстве и не может всегда находиться в зоне совместной видимости пунктов, нуждающихся в связи. Как же рабо­тает ССС, если требуется длительная, многочасовая или даже круглосуточная, связь между заданными пунктами ?

Одно из возможных решений этой задачи — запуск на соответствующие орбиты такого количества спутников, чтобы, как только один из них выйдет из зоны совмест­ной радиовидимости пунктов, нуждающихся в связи, дру­гой ИСЗ тотчас же входил бы в эту зону. Однако даже при достаточно большом количестве спутников, если их положение на ор­битах случайно, не исключено такое положение, когда в зоне совместной видимости двух пунктов, нуждающихся в связи, не окажется ни одного ИСЗ.

От чего же зависит количество ИСЗ, необходимых для обеспечения непрерывной связи? Очевидно, что, чем боль­ше высота их орбит, тем длительнее совместная види­мость ИСЗ наземными пунктами.

Наклонение — важнейшее условие охвата системой спутниковой связи определенного района Земли, заданной зоны обслуживания. В связи с первостепенной, можно сказать определяющей, ролью орбит ИСЗ в системах спут­никовой связи необходимо, хотя бы очень кратко, оста­новиться на некоторых основных их типах и поня­тиях.

Круговая орбита — это орбита, у которой расстояние от спутника до центра Земли приблизительно постоянно. Эллиптическая орбита — когда спутник движется вокруг Земли по кривой, близкой к эллипсу. Максимальное уда­ление ее от Земли (апогей) и минимальное (перигей) могут существенно отличаться друг от друга. Форма эл­липса определяется величиной его эксцентриситета (отно­шением разности расстояний от центра Земли до апогея и перигея к большой оси эллипса). Орбиты с большим экс­центриситетом имеют высокий апогей и называются высо­коэллиптическими.

Выбор формы орбиты (круговая, эллиптическая, высо­коэллиптическая), наклонения (полярная, наклонная с заданным углом наклона, экваториальная), величины пе­риода и характера обращения орбиты вокруг Земли (син­хронная, геостационарная) является определяющим при проектировании той или иной системы спутниковой свя­зи и в свою очередь обусловливается задачами проектируемой системы.

Начиная с первых запусков спутники связи почти всегда образуют систему. Одиночные ИСЗ связи широко­го использования применяются редко.

В спутниковых системах связи используются низкоорбитальные аппараты, высокоэллиптические ИСЗ и гео­стационары.

Системы связи с использованием низкоорбитальных ИСЗ

Первыми для целей связи были применены низкоорби­тальные ИСЗ.

Это объясняется, в частности, и тем, что вывод ИСЗ на низкие орбиты более прост и выполняет­ся с наименьшими энергетическими затратами. Первые запуски низкоорбитальных спутников связи показали возможность и целесообразность приме­нения ИСЗ для связи, подтвердили правильность техни­ческих принципов активной ретрансляции. Вместе с тем из первого опыта эксплуатации спутников на низких орбитах стало ясно, что они не могут обеспечить достаточно эффективного ре­шения задач спутниковой связи.

Для расширения районов и увеличения времени дейст­вия ССС предусматривалось пойти по пути увеличения числа ИСЗ в системе. Вскоре, однако, стало ясно, что многоспутниковая система связи на низкоорбитальных ИСЗ как система общего пользования обладает многими эксплуатационными неудобствами и нерентабельна.

В низкоорбитальных системах связи спутники могут размещаться в пространстве друг относительно друга случайно пли упорядоченно. При случай­ном расположении понадобится большее число ИСЗ, одна­ко упорядоченное местоположение их в пространстве по­требует немалых усилий для создания и сохранения заданного относительного расположения. При этом необ­ходимы постоянный контроль местоположения спутников и корректировка орбит вследствие эволюции их в процес­се полета.