A geostacionárius pálya (GSO) a Föld egyenlítője (0 ° szélességi fok) felett elhelyezkedő körpálya , amelyen egy mesterséges műhold kering a bolygó körül, amelynek szögsebessége megegyezik a Föld tengelye körüli forgásának szögsebességével. A vízszintes koordinátarendszerben a műhold iránya nem változik sem azimutban, sem a horizont feletti magasságban - a műhold mozdulatlanul "lóg" az égen . Ezért egy parabolaantenna , ha egyszer egy ilyen műholdra van irányítva, mindig arra irányul. A geostacionárius pálya egyfajta geoszinkron pálya , és mesterséges műholdak elhelyezésére szolgál (kommunikáció, műsorszórás stb.).
A műholdnak a Föld forgási irányába kell néznie, 35 786 km -es tengerszint feletti magasságban ( lásd alább a GSO magasságszámítását ). Ez a magasság biztosítja a műhold számára a Földnek a csillagokhoz viszonyított forgási periódusával megegyező forgási periódust ( Szidérális nap : 23 óra 56 perc 4,091 másodperc).
A geostacionárius műholdak kommunikációs célú felhasználásának gondolatát a szlovén űrhajós-elméleti szakember, German Potochnik [1] fogalmazta meg 1928 -ban .
A geostacionárius pálya előnyei azután váltak széles körben ismertté, hogy Arthur Clark 1945 -ben publikált egy népszerű tudományos cikket a „ Wireless World ” folyóiratban [2] , ezért Nyugaton a geostacionárius és geoszinkron pályákat néha „ Clark -pályáknak” is nevezik , ill. " Clark-övnek " nevezik a világűrnek azt a területét, amely a Föld egyenlítőjének síkjában 36 000 km tengerszint feletti magasságban helyezkedik el, és ahol a pályaparaméterek közel állnak a geostacionáriushoz. Az első sikeresen felbocsátott műhold a GEO-ba a Syncom-3 volt, amelyet a NASA indított 1964 augusztusában .
A geostacionárius pályán lévő műhold a Föld felszínéhez képest mozdulatlan [3] , ezért a pályán elfoglalt helyét állópontnak nevezzük . Ennek eredményeként a műholdra orientált és hozzá rögzített irányított antenna hosszú ideig képes állandó kapcsolatot fenntartani ezzel a műholddal.
A geostacionárius pályát csak az egyenlítő feletti körön lehet pontosan rögzíteni, amelynek magassága nagyon közel van 35 786 km -hez .
Ha a geostacionárius műholdak szabad szemmel láthatóak lennének az égen, akkor az a vonal, amelyen láthatóak lennének, egybeesne a terület „Clark övével”. A geostacionárius műholdak a rendelkezésre álló állópontoknak köszönhetően kényelmesen használhatók műholdas kommunikációhoz: a tájolást követően az antenna mindig a kiválasztott műholdra lesz irányítva (ha az nem változtat pozíciót).
A műholdak kis magasságú pályáról geostacionárius pályára történő átviteléhez geostacionárius átviteli (geotranszfer) pályákat ( GPO ) használnak - elliptikus pályákat, amelyeknek perigeusa kis magasságban van, és apogeus a geostacionárius pályához közeli magasságban.
A maradék üzemanyag aktív élettartamának (SAS) lejárta után a műholdat a GSO felett 200–300 km-rel elhelyezkedő ártalmatlanító pályára kell helyezni.
Vannak katalógusok a geostacionárius pályán lévő objektumokról [4] .
Geostacionárius pályán a műhold nem közelíti meg a Földet és nem távolodik el tőle, ráadásul a Földdel együtt forogva folyamatosan az egyenlítő bármely pontja felett helyezkedik el. Ezért a műholdra ható gravitációs és centrifugális erőknek ki kell egyensúlyozniuk egymást. A geostacionárius pálya magasságának kiszámításához a klasszikus mechanika módszereit használhatjuk, és a műhold referenciakeretére váltva a következő egyenletből indulhatunk ki:
,ahol a tehetetlenségi erő, és ebben az esetben a centrifugális erő; a gravitációs erő. A műholdra ható gravitációs erő nagysága Newton egyetemes gravitációs törvényéből határozható meg :
,ahol a műhold tömege , a Föld tömege kilogrammban , a gravitációs állandó és a műhold és a Föld középpontja közötti távolság , vagy ebben az esetben a pálya sugara.
A centrifugális erő nagysága:
,ahol az a centripetális gyorsulás, amely a pályán történő körkörös mozgás során következik be.
Mint látható, a centrifugális erő és a gravitációs erő kifejezéseiben a műhold tömege szerepel tényezőként, vagyis a pálya magassága nem függ a műhold tömegétől, ami igaz bármely keringési pályán [5] és a gravitációs és a tehetetlenségi tömeg egyenlőségének a következménye . Következésképpen a geostacionárius pályát csak az a magasság határozza meg, amelyen a centrifugális erő abszolút értékben egyenlő lesz, és ellentétes irányú a Föld vonzása által létrehozott gravitációs erővel egy adott magasságban.
A centripetális gyorsulás a következő:
,ahol a műhold szögsebessége , radián per másodpercben.
Tegyünk egy fontos pontosítást. Valójában a centripetális gyorsulásnak csak a tehetetlenségi vonatkoztatási rendszerben van fizikai jelentése, míg a centrifugális erő az úgynevezett képzeletbeli erő, és kizárólag a forgó testekhez kapcsolódó vonatkoztatási rendszerekben (koordinátákban) lép fel. A centripetális erő (jelen esetben a gravitációs erő) centripetális gyorsulást okoz. A centripetális gyorsulás abszolút értéke az inerciális vonatkoztatási rendszerben megegyezik a centrifugálissal az esetünkben a műholdhoz tartozó vonatkoztatási rendszerben. Ezért a továbbiakban, figyelembe véve az elhangzott megjegyzést, használhatjuk a "centripetális gyorsulás" kifejezést a "centrifugális erő" kifejezéssel együtt.
A gravitációs és centrifugális erők kifejezéseit a centripetális gyorsulás helyettesítésével kiegyenlítve kapjuk:
.Kicsinyítve , balra és jobbra fordítva a következőt kapjuk:
vagy
.Ezt a kifejezést másképp is felírhatja, helyettesítve - a geocentrikus gravitációs állandóval:
A szögsebességet úgy számítjuk ki, hogy az egy fordulat alatt megtett szöget (radián) elosztjuk a forgási periódussal (az az idő, amely alatt egy teljes fordulat a pályán: egy sziderális nap , vagyis 86 164 másodperc ). Kapunk:
rad/sAz így kapott pályasugár 42 164 km . A Föld 6378 km- es egyenlítői sugarát levonva 35 786 km magasságot kapunk .
A számításokat más módon is elvégezheti. A geostacionárius pálya magassága az a távolság a Föld középpontjától, ahol a műhold szögsebessége, amely egybeesik a Föld forgásának szögsebességével, az első térsebességgel megegyező keringési (lineáris) sebességet generál (hogy biztosítsa körpálya) adott magasságban.
A forgásközépponttól távol eső szögsebességgel mozgó műhold lineáris sebessége a
Az első szökési sebesség egy tömegű tárgytól való távolságban az
Az egyenletek jobb oldalát egymással egyenlővé téve a GSO sugár előzőleg kapott kifejezéséhez jutunk:
A geostacionárius pályán a mozgás sebességét úgy számítjuk ki, hogy a szögsebességet megszorozzuk a pálya sugarával:
km/sEz körülbelül 2,5-szer kevesebb, mint az első menekülési sebesség , amely 8 km/s a Föld-közeli pályán (6400 km-es sugarú körben). Mivel a körpályán a sebesség négyzete fordítottan arányos a sugarával,
akkor az első térsebességhez viszonyított sebességcsökkenést a pálya sugarának több mint 6-szoros növelésével érjük el.
Geostacionárius pálya hossza: . 42 164 km-es pályasugárral 264 924 km - es pályahosszt kapunk .
A pálya hossza rendkívül fontos a műholdak " állomáspontjainak " kiszámításához.
Egy geostacionárius pályán keringő műhold számos olyan erő (perturbáció) hatása alatt áll, amelyek megváltoztatják ennek a pályának a paramétereit. Az ilyen perturbációk közé tartoznak különösen a gravitációs hold-napzavarok, a Föld gravitációs mezőjének inhomogenitásának hatása, az egyenlítő ellipticitása stb. A pálya leromlása két fő jelenségben fejeződik ki:
1) A műhold a pálya mentén mozog eredeti pályahelyzetéből a négy stabil egyensúlyi pont egyike, az ún. "Geostacionárius pályapotenciál gödrök" (hosszúságuk 75,3° K, 104,7° Ny, 165,3° K és 14,7° Ny) a Föld egyenlítője felett;
2) A pálya dőlése az Egyenlítőhöz képest (a kezdeti 0-ról) évente körülbelül 0,85 fokkal növekszik, és 26,5 év alatt eléri a 15 fokos maximális értéket.
Ezen zavarok kompenzálására és a műholdnak a kijelölt helyen tartására a műholdat meghajtó rendszerrel ( kémiai vagy elektromos rakétával ) szerelik fel. A tolóhajtóművek időszakos bekapcsolása ("észak-dél" korrekció a pálya dőlésszögének növekedésének kompenzálására és "nyugat-kelet" a pálya menti sodródás kompenzálására) a műholdat a kijelölt helyen tartja. Az ilyen zárványokat 10-15 napon belül többször készítik. Lényeges, hogy az észak-déli irányú korrekció sokkal nagyobb karakterisztikus sebességnövekedést igényel (évente kb. 45-50 m/s), mint a hosszanti korrekciónál (évenként kb. 2 m/s). A műhold pályájának korrekciójának biztosításához működésének teljes időtartama alatt (modern televíziós műholdak esetén 12-15 év) jelentős üzemanyag-készletre van szükség a fedélzeten (vegyi motor esetén több száz kilogramm). A műhold vegyi rakétamotorja lökettérfogatú üzemanyag-ellátással (nyomásos gáz - hélium) rendelkezik, és hosszú ideig magas forráspontú alkatrészekkel (általában aszimmetrikus dimetil -hidrazinnal és dinitrogén-tetroxiddal ) működik. Számos műhold van felszerelve plazmamotorral. Tolóerejük lényegesen kisebb a vegyiekhez képest, ugyanakkor nagyobb hatásfokuk lehetővé teszi (a hosszú munkavégzés miatt, egyetlen manőverre több tíz percben mérve) a fedélzeti üzemanyag szükséges tömegének radikális csökkentését. A meghajtórendszer típusának megválasztását a berendezés sajátos műszaki jellemzői határozzák meg.
Ugyanezt a meghajtási rendszert alkalmazzák, ha szükséges, a műhold másik pályahelyzetbe való manőverezésére. Egyes esetekben (általában a műhold élettartamának végén) az üzemanyag-fogyasztás csökkentése érdekében az észak-déli pályakorrekciót leállítják, és a maradék üzemanyagot csak a nyugat-keleti korrekcióra használják fel.
Az üzemanyag-tartalék a fő korlátozó tényező a geostacionárius pályán lévő műhold SAS-jában (kivéve magának a műholdnak a komponenseinek meghibásodását). Egyes országok azonban kísérleteznek az élő műholdak közvetlenül a GEO-ba való tankolásával a SAS kiterjesztése érdekében [6] [7] .
A geostacionárius műholdakon keresztüli kommunikációt nagy késések jellemzik a jelterjedésben. 35 786 km - es keringési magasság és körülbelül 300 000 km/s fénysebesség mellett a Föld-műhold sugárútja körülbelül 0,12 s, a Föld (adó) → műhold → Föld (vevő) sugárútja ≈0,24 s (azaz , a teljes késleltetés (a Ping segédprogram által mérve ), amikor műholdas kommunikációt használ az adatok fogadására és továbbítására, majdnem fél másodperc lesz). Figyelembe véve a jelkésleltetést a műholdas berendezésekben, a berendezésekben és a földfelszíni szolgáltatások kábeles átviteli rendszereiben, a teljes jelkésleltetés a „jelforrás → műhold → vevő” útvonalon elérheti a 2-4 másodpercet [8] . Az ilyen késleltetés megnehezíti a GSO-műholdak használatát a telefonálásban , és lehetetlenné teszi a GSO-n keresztüli műholdas kommunikáció használatát különféle valós idejű szolgáltatásokban (például online játékokban ) [9] .
Mivel a geostacionárius pálya nem látható nagy szélességi fokokról (körülbelül 81 °-tól a pólusokig), és 75 ° feletti szélességi fokon nagyon alacsonyan figyelhető meg a horizont felett (valós körülmények között a műholdakat egyszerűen elrejtik a kiálló tárgyak és a terep), és a pályának csak egy kis része látható ( lásd. táblázat ), majd a Távol-Észak (Arktisz) és az Antarktisz magas szélességi körzeteiben a kommunikáció és a televíziós sugárzás a GSO segítségével lehetetlen [10] . Például az Amundsen-Scott állomás amerikai sarkkutatói 1670 kilométer hosszú száloptikai kábelt használnak a külvilággal (telefonálás, internet) való kommunikációhoz a déli 75°-ig. SH. a francia Concordia állomás , ahonnan már több amerikai geostacionárius műhold is látható [11] .
A geostacionárius pálya megfigyelt szektorának táblázata a hely szélességi fokától függően
Minden adat fokban és törtrészében van megadva.
szélesség_ _ |
A pálya látható szektora | |
---|---|---|
Elméleti szektor |
Reálszektor (figyelembe véve a segélyezést) [ 12] | |
90 | -- | -- |
82 | -- | -- |
81 | 29.7 | -- |
80 | 58.9 | -- |
79 | 75.2 | -- |
78 | 86.7 | 26.2 |
75 | 108.5 | 77 |
60 | 144,8 | 132.2 |
ötven | 152,8 | 143.3 |
40 | 157.2 | 149.3 |
húsz | 161,5 | 155.1 |
0 | 162,6 | 156.6 |
A táblázat például azt mutatja, hogy ha Szentpétervár szélességi fokán (~60°) a pálya látható szektora (és ennek megfelelően a vett műholdak száma) a lehetséges maximum 84%-a. Egyenlítő ), akkor a Tajmír-félsziget szélességi fokán (~75° ) a látható szektor 49%-a, a Svalbard és a Cseljuskin-fok szélességi fokán (~78°) pedig csak 16%-a az Egyenlítőnél megfigyeltnek. A Tajmír régióban a pálya ezen szektorában 1-2 műhold esik le (nem mindig a szükséges operátor).
A geostacionárius pálya egyik legbosszantóbb hátránya a jel csökkenése és teljes hiánya olyan helyzetben, amikor a nap és a műhold egy vonalban van a vevőantennával (a "nap a műhold mögött" pozíció). Ez a jelenség más pályákon is benne van, de a geostacionárius pályán, amikor a műhold az égbolton „álló”, akkor ez különösen egyértelműen megmutatkozik. Az északi félteke középső szélességein a napsugárzás a február 22-től március 11-ig, valamint az október 3-tól 21-ig tartó időszakban jelentkezik, legfeljebb tíz percig [13] . Ilyenkor tiszta időben az antenna fényes bevonata által fókuszált napsugarak akár károsíthatják (megolvadhatnak vagy túlmelegíthetik) a műholdantenna adó-vevő berendezését [14] .
A geostacionárius pálya használata számos nem csak technikai, hanem nemzetközi jogi problémát is felvet. Megoldásukhoz jelentősen hozzájárul az ENSZ, valamint annak bizottságai és más szakosodott ügynökségek.
Egyes egyenlítői országok különböző időpontokban nyújtottak be követeléseket (például a GSO szakaszban a szuverenitás megállapításáról szóló nyilatkozat, amelyet Bogotában írt alá Brazília , Kolumbia , Kongó , Ecuador , Indonézia , Kenya , Uganda és Zaire 1976. december 3-án [15] ] ) kiterjeszteni szuverenitásukat a világűrnek a területük felett elhelyezkedő részére, amelyen a geostacionárius műholdak pályája halad át. Konkrétan megállapították, hogy a geostacionárius pálya a bolygónk létezésével összefüggő, a Föld gravitációs terétől teljes mértékben függő fizikai tényező, ezért a megfelelő térrészek (a geostacionárius pálya szakaszai) voltak, azoknak a területeknek a kiterjesztése, amelyek felett találhatók. A megfelelő rendelkezést Kolumbia alkotmánya tartalmazza [16] .
Az egyenlítői államok ezen állításait elutasították, mivel ellentétesek a világűr nem kisajátításának elvével. Az ENSZ Világűr Bizottságában az ilyen kijelentéseket bírálták. Először is, nem lehet igényelni az érintett állam területétől ilyen jelentős távolságra lévő terület vagy terület kisajátítását. Másodszor, a világűr nem tartozik nemzeti előirányzat alá. Harmadszor, technikailag alkalmatlan bármiféle fizikai kapcsolatról beszélni az állam területe és egy ilyen távoli térrégió között. Végül minden egyes esetben a geostacionárius műhold jelensége egy adott űrobjektumhoz kapcsolódik. Ha nincs műhold, akkor nincs geostacionárius pálya.
Szótárak és enciklopédiák |
---|
Égi mechanika | ||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ||||||||
|