Вывод спутников на геостационарную орбиту

В октябре 1945 года английский писатель - фантаст Артур Кларк, автор произведений "2001 год: "Космическая Одиссея", "Конец детст­ва", "Свидание с рамой" и др. в журнале "Wireless World" высказал идею, что искусственные спутники Земли, находясь над Экватором на высоте примерно 35780 км, могут быть использованы для ретрансляции радиосигналов. Согласно его идее антенна, направ­ленная с Земли на спутник, излучает радиосигналы, содержащие информацию. Они принимаются ретрансляционной станцией, распо­ложенной на спутнике и после электронной обработки передаются на наземные приемные станции. Эти станции могут находиться в любом месте, попадающем в зону излучения антенн спутника.

По представлению Артура Кларка, при помощи трех, находя­щихся на геостационарной орбите спутников, расположенных на равных расстояниях друг от друга, можно создать канал связи меж­ду любыми двумя точками Земли (за исключением околополюсных районов) в том случае, если связь существует и между спутниками.

Большинство спутников-ретрансляторов движется по так назы­ваемой геостационарной орбите (рис. 1.1). Эта орбита круговая и ха­рактеризуется тем, что если находящиеся на ней спутники движутся с угловыми скоростями, равными угловой скорости вращения Земли вокруг своей оси, то с поверхности Земли они кажутся неподвижны­ми, "висящими" на одном месте, в одной точке. Так как расстояние от движущегося по геостационарной орбите спутника до Земли в три раза больше диаметра Земли, то спутник "видит" сразу около 40% земной поверхности.

Вывод искусственных спутников на геостационарную орбиту -задача непростая. Раньше для запуска на нее не имелось доста­точно мощных ракетоносителей, поэтому первые спутники связи находились на эллиптической, низкой околоземной орбите (напри­мер, первый американский спутник-ретранслятор Telstar).

 

 

Западная долгота (W) / IS Восточная долгота (Е) Нулевой меридиан

Рис. 1.1. Геостационарная орбита находится на высоте 35786 км от поверхности Земли и расположена в плоскости Экватора

Поддержание связи со спутниками на эллиптической орбите очень сложное и дорогостоящее дело как в части передачи, так и приема.

Из-за быстрого изменения местоположения спутников необхо­димо иметь подвижную систему следящих антенн. Спутники на таких орбитах можно использовать для создания постоянной связи только тогда, когда они по отношению как передающего, так передающего, устройства находятся над уровнем горизонта, то есть для них должен быть виден как "восход" одного спутника, так и "заход" другого.

Развитие ракетной техники и создание мощных ракетных носителей дали возможность широко использовать геостационарную орбиту для "установки" на ней спутников-ретрансляторов телевизионных программ. На рис. 1.2 показан часто применяемый способ вывода спутников на геостационарную орбиту¹. Искусственный спутник выводят сначала на круговую орбиту, близкую к поверхности Земли (250...300 км от поверхности), затем, повышая его скорость, переводят на эллиптическую промежуточную орбиту, ближайшая точка которой - перигей находится примерно на расстоя­нии 270 км от Земли, а удаленная точка - апогей на расстоянии,

 

Рис 1.2. Последовательность вывода спутника на геостационарную орбиту: 1 - сброс обтекателя; 2 - завершение начального полета; 3 - полное отделение последней ступени; 4 - определение положения для первого включения собствен­ного (апогейного) двигателя; 5 - первое включение собственного двигателя для выхода на промежуточную (переходную) орбиту; 6 - определение положения на промежуточной орбите; 7 - второе включение собственного двигателя для выхода на геостационарную орбиту; 8 - переориентация плоскости орбиты спутника и кор­рекция ошибок; 9 - ориентация спутника перпендикулярно к плоскости орбиты и коррекция ошибок; 10 - остановка, раскрытие панелей солнечных батарей, полная расстыковка; 11 - раскрытие антенн, включение стабилизаторов; 12 - стабилизация положения и начало работы

около 36000 км, которая уже соответствует высоте геостационар­ной орбиты.²

Когда искусственный спутник "станет" на эллиптическую проме­жуточную (переходную) орбиту, и, если у него все функционирует безупречно, то в точке апогея включаются его собственные реак­тивные, так называемые, апогейные двигатели, которые быстро увеличивают линейную скорость спутника до 3,074 км /с. Такая ско­рость необходима для перехода на геостационарную орбиту и "ос­тановки" (точнее для движения по ней), после чего спутник по командам с Земли перемещают по геостационарной орбите на пла­новую позицию в точку стояния. Затем осуществляют раскрытие панелей солнечных батарей, развертывание антенн, их ориента­цию на заданную территорию Земли, ориентацию солнечных бата­рей на Солнце и включение бортового передатчика-ретранслятора. Точная установка спутника на геостационарной орбите проводится его собственными реактивными двигателями, работающими на твердом или жидком топливе. После того как спутник выведен в точку стояния на орбите, двигатели отключаются и он движется по геостационарной орбите как небесное тело под воздействием инерции со скоростью 3,074 км/с и сил притяжения Земли. Для спутника-ретранслятора очень, важно, чтобы его собственная орби­та соответствовала бы идеально геостационарной. Так, если спут­ник движется по орбите, которая несколько меньше геостационар­ной, то он постепенно смещается со своей позиции в западном на­правлении, а если его орбита превышает геостационарную, то смещение происходит в восточном направлении, т. е. по направле­нию движения Земли. Сдвиг на 1° на геостационарной орбите соот­ветствует расстоянию на ней примерно в 750 км. При наличии в наземном приемном устройстве поворотной следящей антенны ее несложно снова точно направить на спутник. Однако большинст­во индивидуальных наземных устройств для приема со спутников имеют неподвижные антенны с очень узкими, "игольчатыми" диа­граммами направленности, и постоянно корректировать направле­ние антенны на спутник ручным способом довольно обременитель­но, а из-за неточности ее наведения принимаемое телевизионное изображение заметно ухудшается или вовсе исчезает. В связи с этим в целях надежного и уверенного приема необходимо обес­печить постоянный во времени "след" спутника, стабильность излу­чения его бортовых антенн только на отведенную территорию. По­этому спутнику нужно часто проводить коррекцию своего положения и орбиты, что осуществляется им при помощи собственных двига­телей и приводит к расходу топлива. Это влияет на его срок служ­бы. При отсутствии топлива для двигателей спутник начинает сме­щаться со своей позиции, что приводит к периодическому сближе­нию соседних спутников и, соответственно, к увеличению взаимных помех, и к увеличению помех приемным устройствам на Земле. Из-за ограниченной способности выдерживать заданное положение первые геостационарные спутники раскачивались, поэтому в на­земных приемных и передающих устройствах невозможно было отказаться от системы поворотных, следящих антенн. В настоящее время допустимая нестабильность положения спутника ("след"), представляющая одну из важнейших его характеристик, установле­на на основе международных рекомендаций.

С точки зрения срока функционирования спутника крайне важ­ным является количество топлива, потребляемого его собственны­ми реактивными (апогейными) двигателями. И, очевидно, чем больше останется топлива после первичной установки спутника на орбите, тем больше корректировок положения можно сделать и, следовательно, тем дольше будет функционировать спутник. Про­должительность "жизни" спутника на орбите обычно составляет 5...7 лет, а некоторых - 10 лет и более, после чего он заменяется новым, резервным, устанавливаемым на той же позиции.