Планетарий: Орбитальные пилигримы
Слово «спутник» в значении летательного аппарата появилось в нашем языке благодаря Федору Михайловичу Достоевскому, который рассуждал о том, «что станет в пространстве с топором?.. Если куда попадет подальше, то примется, я думаю, летать вокруг Земли, сам не зная зачем, в виде спутника…». Что подвигло писателя на подобные рассуждения, сегодня сказать затруднительно, но спустя столетие – в начале октября 1957 года – вокруг нашей планеты принялся летать совсем даже не топор, а сложнейший по тем временам аппарат, ставший первым искусственным спутником, посланным в космос с совершенно определенными целями. А за ним последовали и другие…
Сегодня к спутникам – нарушителям спокойной картины ночного неба – все давно привыкли. Созданные на заводах и запущенные на орбиту, они продолжают «кружить» во благо человечества, оставаясь неизменно интересными разве что узкому кругу специалистов. Что же представляют собой искусственные спутники и какую пользу из них извлекает человек?
Как известно, одним из главных условий выхода спутника на орбиту является его скорость – 7,9 км/с для низкоорбитальных спутников. Именно при такой скорости наступает динамическое равновесие и центробежная сила уравновешивает силу тяжести. Иными словами, спутник летит настолько быстро, что не успевает упасть на земную поверхность, поскольку Земля в прямом смысле слова уходит у него «из-под ног» из-за того, что она круглая. Чем больше начальная скорость, сообщенная спутнику, тем выше будет его орбита. Однако по мере удаления от Земли скорость на круговой орбите падает и геостационарные спутники движутся по своим орбитам со скоростью всего 2,5 км/с. При решении задачи длительного и даже вечного существования космического аппарата (КА) на околоземной орбите необходимо поднимать его на все большую высоту. Стоит заметить, что на движение КА существенным образом влияет и атмосфера Земли: даже будучи сверхразреженной на высотах свыше 100 км от уровня моря (условной границы атмосферы), она заметно тормозит их. Так что со временем все КА теряют высоту полета и срок их пребывания на орбите напрямую зависит от этой высоты.
С Земли спутники видны только ночью и в те моменты времени, когда они освещены Солнцем, то есть не попадают в область земной тени. Необходимость совпадения всех перечисленных факторов приводит к тому, что продолжительность наблюдения большинства низкоорбитальных спутников составляет в среднем по 10 минут перед входом и столько же – после выхода из тени Земли. При желании земные наблюдатели могут систематизировать спутники по яркости (на первом месте здесь находится Международная космическая станция (МКС) – ее яркость приближается к первой звездной величине), по периодичности мерцания (определяемой вынужденным или специально заданным вращением), по направлению движения (через полюс или в ином направлении). На условия наблюдения спутников существенным образом влияют цвет его покрытия, наличие и размах солнечных батарей, а также высота полета – чем она больше, тем медленнее движется спутник и тем существенно менее ярким и заметным он становится.
Большая высота полета (минимальное расстояние до Земли 180– 200 км) скрадывает размер даже таких относительно больших КА, как орбитальные комплексы «Мир» (сведенный с орбиты в 2001 году) или МКС, – все они видны, как светящиеся точки, большей или меньшей яркости. Простым глазом, за редким исключением, опознать спутник невозможно. Для целей точной идентификации КА используют различные оптические средства – от биноклей до телескопов, что простому наблюдателю не всегда доступно, а также расчеты их траекторий движения. Опознать отдельные КА астроному-любителю помогает Интернет, где публикуется информация о местонахождении спутников на околоземной орбите. В частности, любой желающий может войти на сайт NASA, где в режиме реального времени отображается текущее местонахождение МКС.
Что же касается практического применения спутников, то начиная с самых первых запусков они сразу стали решать конкретные задачи. Так, полет первого спутника был использован для исследования из космоса магнитного поля Земли, а его радиосигнал нес в себе данные о температуре внутри герметичного корпуса спутника. Поскольку запуск космического аппарата – удовольствие достаточно дорогое, да к тому же весьма сложное в реализации, то на каждый из запусков возлагается сразу несколько задач.
Прежде всего решаются технологические проблемы: отработка новых конструкций, систем управления, передачи данных и тому подобное. Полученный опыт позволяет создавать следующие экземпляры спутников более совершенными и постепенно переходить к решению усложненных целевых задач, оправдывающих расходы по их созданию. Ведь конечной целью этого производства, как и всякого другого, является извлечение прибыли (коммерческие запуски) или максимально эффективное использование спутников в процессе эксплуатации для целей обороны, решения геополитических и многих других задач.
Следует напомнить, что космонавтика в целом родилась вследствие военно-политического противостояния СССР и США. И, конечно, как только появился первый спутник, оборонные ведомства обеих стран, наладив контроль за космическим пространством, ведут с тех пор постоянный учет всех объектов, находящихся в ближайших окрестностях Земли. Так что, наверное, только им известно точное число КА, так или иначе функционирующих на данный момент. При этом отслеживаются не только сами космические аппараты, но и доставившие их на орбиту последние ступени ракет, переходные отсеки и другие элементы. То есть, строго говоря, спутником считается не только то, что имеет «интеллект» – собственную систему управления, наблюдения и связи, – но и простой болт, отделившийся от КА на очередной фазе полета.
По данным каталога Космического командования США по состоянию на 31 декабря 2003 года, таких спутников на околоземной орбите зарегистрировано 28 140, и число их неуклонно растет (учитываются объекты размером более 10 см). Со временем, в силу естественных причин, часть спутников падает на Землю в виде оплавленных остатков, но многие остаются на орбитах на протяжении десятилетий. Когда КА отрабатывают свой ресурс и перестают подчиняться командам с Земли, продолжая при этом летать, в околоземном космическом пространстве становится не просто тесно, но порой и опасно. Поэтому при запуске на орбиту нового аппарата, во избежание столкновения и катастрофы, необходимо постоянно знать о том, где находится «старый».
Классификация КА является задачей довольно трудоемкой, поскольку каждый аппарат уникален, а круг задач, решаемых новыми КА, постоянно расширяется. Однако если рассматривать космические аппараты с точки зрения практической пользы, то можно выделить основные категории, определяемые их целевым назначением. Наиболее востребованными на сегодняшний день являются спутники связи, навигационные, дистанционного зондирования Земли и научные. Спутники военного назначения и спутники-разведчики составляют отдельный класс, но по сути своей они решают те же задачи, что и их «мирные» собратья.
Связисты одними из первых получили практическую выгоду от запуска спутников. Выведение на околоземную орбиту спутников-ретрансляторов позволило в кратчайшие сроки решить проблему устойчивой всепогодной связи на большей части обитаемой территории. Первым коммерческим спутником был именно спутник связи – «Эхо-2», запущенный США в 1964 году и позволивший организовать передачу телевизионных программ из Америки в Европу без использования кабельных линий связи.
В это же время свой спутник связи «Молния-1» был создан и в Советском Союзе. После развертывания наземной сети станций «Орбита» все регионы нашей большой страны получили доступ к Центральному телевидению, а кроме того, была решена проблема организации надежной и качественной телефонной связи. Спутники связи «Молния» размещались на высокоэллиптических орбитах с апогеем в 39 000 км. Для целей непрерывного вещания была развернута целая группировка спутников «Молния», летавших в различных орбитальных плоскостях. Наземные станции сети «Орбита» были снабжены довольно большими антеннами, которые с помощью сервоприводов отслеживали движение спутника по орбите, периодически переключаясь на тот, который находится в зоне видимости. С течением времени в процессе совершенствования элементной базы и улучшения технических параметров бортовых и наземных систем произошла смена нескольких поколений таких спутников. Но и по сей день группировки спутников семейства «Молния-3» обеспечивают передачу информации по всей территории России и за ее пределы.