Искусственные спутники земли. Космические спутники земли
Советские искусственные спутники Земли. Первый искусственный спутник Земли.
Искусственные Спутники Земли (ИСЗ), космические летательные аппараты, выведенные на орбиты вокруг Земли и предназначенные для решения научных и прикладных задач. Запуск первого ИСЗ, ставшего первым искусственным небесным телом, созданным человеком, был осуществлен в СССР 4 октября и явился результатом достижений в области ракетной техники, электроники, автоматического управления, вычислительной техники, небесной механики и др. разделов науки и техники. С помощью этого ИСЗ впервые была измерена плотность верхней атмосферы (по изменениям его орбиты), исследованы особенности распространения радиосигналов в ионосфере , проверены теоретические расчёты и основные технические решения, связанные с выведением ИСЗ на орбиту. 1 февраля на орбиту был выведен первый американский ИСЗ «Эксплорер-1», а несколько позже самостоятельные запуски ИСЗ произвели и другие страны: 26 ноября 1965 - Франция (спутник «А-1»), 29 ноября 1967 - Австралия («ВРЕСАТ-1»), 11 февраля 1970 - Япония («Осуми»), 24 апреля 1970 - КНР («Китай-1»), 28 октября 1971 - Великобритания («Просперо»). Некоторые спутники, изготовленные в Канаде, Франции, Италии, Великобритании и др. странах, запускались (с 1962) с помощью американских ракет-носителей. В практике космических исследований широкое распространение получило международное сотрудничество. Так, в рамках научно-технического сотрудничества социалистических стран запущен ряд ИСЗ. Первый из них - «Интеркосмос-1» - был выведен на орбиту 14 октября 1969. Всего к 1973 запущено свыше 1300 ИСЗ различного типа, в том числе около 600 советских и свыше 700 американских и др. стран, включая пилотируемые космические корабли-спутники и орбитальные станции с экипажем.
Общие сведения об ИСЗ.
Советские искусственные спутники Земли. «Электрон».
В соответствии с международной договорённостью космический аппарат называется спутником, если он совершил не менее одного оборота вокруг Земли. В противном случае он считается ракетным зондом, проводившим измерения вдоль баллистической траектории, и не регистрируется как спутник. В зависимости от задач, решаемых с помощью ИСЗ, их подразделяют на научно-исследовательские и прикладные. Если на спутнике установлены радиопередатчики, та или иная измерительная аппаратура, импульсные лампы для подачи световых сигналов и т. п., его называют активным. Пассивные ИСЗ предназначены обычно для наблюдений с земной поверхности при решении некоторых научных задач (к числу таких ИСЗ принадлежат спутники-баллоны, достигающие в диаметре нескольких десятков м ). Научно-исследовательские ИСЗ служат для исследований Земли, небесных тел, космического пространства. К их числу относятся, в частности, геофизические спутники , геодезические спутники , орбитальные астрономические обсерватории и др. Прикладными ИСЗ являются связи спутники , метеорологические спутники , ИСЗ для исследования земных ресурсов, навигационные спутники , спутники технического назначения (для исследования воздействия космических условий на материалы, для испытаний и отработки бортовых систем) и др. ИСЗ, предназначенные для полёта людей, называются пилотируемыми кораблями-спутниками. ИСЗ на экваториальной орбите, лежащей вблизи плоскости экватора, называются экваториальными, ИСЗ на полярной (или приполярной) орбите, проходящей вблизи полюсов Земли, - полярными. ИСЗ, выведенные на круговую экваториальную орбиту, удалённую на 35860 км от поверхности Земли, и движущиеся в направлении, совпадающем с направлением вращения Земли, «висят» неподвижно над одной точкой земной поверхности; такие спутники называются стационарными. Последние ступени ракет-носителей, головные обтекатели и некоторые другие детали, отделяемые от ИСЗ при выводе на орбиты, представляют собой вторичные орбитальные объекты; их обычно не называют спутниками, хотя они обращаются по околоземным орбитам и в ряде случаев служат объектами наблюдений для научных целей.
Зарубежные искусственные спутники Земли. «Эксплорер-25».
Зарубежные искусственные спутники Земли. «Диадем-1».
В соответствии с международной системой регистрации космических объектов (ИСЗ, космических зондов и др.) в рамках международной организации КОСПАР в 1957-1962 космические объекты обозначались годом запуска с добавлением буквы греческого алфавита, соответствующей порядковому номеру запуска в данном году, и арабской цифры - номера орбитального объекта в зависимости от его яркости или степени научной значимости. Так, 1957a2 - обозначение первого советского ИСЗ, запущенного в 1957; 1957a1 - обозначение последней ступени ракеты-носителя этого ИСЗ (ракета-носитель была более яркой). Поскольку количество запусков возрастало, начиная с 1 января 1963 космические объекты стали обозначать годом запуска, порядковым номером запуска в данном году и заглавной буквой латинского алфавита (иногда также заменяемой порядковым числом). Так, ИСЗ «Интеркосмос-1» имеет обозначение: 1969 88А или 1969 088 01. В национальных программах космических исследований серии ИСЗ часто имеют также собственные названия: «Космос» (СССР), «Эксплорер» (США), «Диадем» (Франция) и др. За рубежом слово «спутник» до 1969 использовалось только применительно к советским ИСЗ. В 1968-69 при подготовке международного многоязычного космонавтического словаря достигнута договоренность, согласно которой термин «спутник» применяется к ИСЗ, запущенным в любой стране.
Советские искусственные спутники Земли. «Протон-4».
В соответствии с разнообразием научных и прикладных задач, решаемых с помощью ИСЗ, спутники могут иметь различные размеры, массу, конструктивные схемы, состав бортового оборудования. Например, масса наименьшего ИСЗ (из серии «ЕРС») - всего 0,7 кг ; советский ИСЗ «Протон-4» имел массу около 17 т . Масса орбитальной станции «Салют» с пристыкованным к ней космическим кораблём «Союз» была свыше 25 т . Наибольшая масса полезного груза, выведенного на орбиту ИСЗ, составляла около 135 т (американский космический корабль «Аполлон» с последней ступенью ракеты-носителя). Различают автоматические ИСЗ (научно-исследовательские и прикладные), на которых работа всех приборов и систем управляется командами, поступающими либо с Земли, либо из бортового программного устройства, пилотируемые корабли-спутники и орбитальные станции с экипажем.
Для решения некоторых научных и прикладных задач необходимо, чтобы ИСЗ был определённым образом ориентирован в пространстве, причём вид ориентации определяется главным образом назначением ИСЗ или особенностями установленного на нём оборудования. Так, орбитальную ориентацию, при которой одна из осей постоянно направлена по вертикали, имеют ИСЗ, предназначенные для наблюдений объектов на поверхности и в атмосфере Земли; ИСЗ для астрономических исследований ориентируются на небесные объекты: звёзды, Солнце. По команде с Земли или по заданной программе ориентация может изменяться. В некоторых случаях ориентируется не весь ИСЗ, а лишь отдельные его элементы, например остронаправленные антенны - на наземные пункты, солнечные батареи - на Солнце. Для того чтобы направление некоторой оси спутника сохранялось неизменным в пространстве, ему сообщают вращение вокруг этой оси. Для ориентации используют также гравитационные, аэродинамические, магнитные системы - так называемые пассивные системы ориентации, и системы, снабженные реактивными или инерционными управляющими органами (обычно на сложных ИСЗ и космических кораблях), - активные системы ориентации. ИСЗ, имеющие реактивные двигатели для маневрирования, коррекции траектории или спуска с орбиты, снабжаются системами управления движением, составной частью которой является система ориентации.
Зарубежные искусственные спутники Земли. «ОСО-1».
Энергопитание бортовой аппаратуры большинства ИСЗ осуществляется от солнечных батарей, панели которых ориентируются перпендикулярно направлению солнечных лучей или расположены так, чтобы часть из них освещалась Солнцем при любом его положении относительно ИСЗ (так называемые всенаправленные солнечные батареи). Солнечные батареи обеспечивают длительную работу бортовой аппаратуры (до нескольких лет). На ИСЗ, рассчитанных на ограниченные сроки работы (до 2-3 недель), используются электрохимические источники тока - аккумуляторы, топливные элементы. Некоторые ИСЗ имеют на борту изотопные генераторы электрической энергии. Тепловой режим ИСЗ, необходимый для работы их бортовой аппаратуры, поддерживается системами терморегулирования.
В ИСЗ, отличающихся значительным тепловыделением аппаратуры, и космических кораблях применяются системы с жидкостным контуром теплопередачи; на ИСЗ с небольшим тепловыделением аппаратуры в ряде случаев ограничиваются пассивными средствами терморегулирования (выбор внешней поверхности с подходящим оптическим коэффициентом, теплоизоляции отдельных элементов).
Зарубежные искусственные спутники Земли. «Оскар-3».
Передача научной и другой информации с ИСЗ на Землю производится с помощью радиотелеметрических систем (часто имеющих запоминающие бортовые устройства для регистрации информации в периоды полёта ИСЗ вне зон радиовидимости наземных пунктов).
Пилотируемые корабли-спутники и некоторые автоматические ИСЗ имеют спускаемые аппараты для возвращения на Землю экипажа, отдельных приборов, плёнок, подопытных животных.
Движение ИСЗ.
Зарубежные искусственные спутники Земли. «Джемини».
ИСЗ выводятся на орбиты с помощью автоматических управляемых многоступенчатых ракет-носителей, которые от старта до некоторой расчётной точки в пространстве движутся благодаря тяге, развиваемой реактивными двигателями. Этот путь, называемый траекторией выведения ИСЗ на орбиту, или активным участком движения ракеты, составляет обычно от нескольких сотен до двух-трёх тыс. км . Ракета стартует, двигаясь вертикально вверх, и проходит сквозь наиболее плотные слои земной атмосферы на сравнительно малой скорости (что сокращает энергетические затраты на преодоление сопротивления атмосферы). При подъёме ракета постепенно разворачивается, и направление её движения становится близким к горизонтальному. На этом почти горизонтальном отрезке сила тяги ракеты расходуется не на преодоление тормозящего действия сил притяжения Земли и сопротивления атмосферы, а главным образом на увеличение скорости. После достижения ракетой в конце активного участка расчётной скорости (по величине и направлению) работа реактивных двигателей прекращается; это - так называемая точка выведения ИСЗ на орбиту. Запускаемый космический аппарат, который несёт последняя ступень ракеты, автоматически отделяется от неё и начинает своё движение по некоторой орбите относительно Земли, становясь искусственным небесным телом. Его движение подчинено пассивным силам (притяжение Земли, а также Луны, Солнца и др. планет, сопротивление земной атмосферы и т. д.) и активным (управляющим) силам, если на борту космического аппарата установлены специальные реактивные двигатели. Вид начальной орбиты ИСЗ относительно Земли зависит целиком от его положения и скорости в конце активного участка движения (в момент выхода ИСЗ на орбиту) и математически рассчитывается с помощью методов небесной механики. Если эта скорость равна или превышает (но не более чем в 1,4 раза) первую космическую скорость (около 8 км /сек у поверхности Земли), а её направление не отклоняется сильно от горизонтального, то космический аппарат выходит на орбиту спутника Земли. Точка выхода ИСЗ на орбиту в этом случае расположена вблизи перигея орбиты. Выход па орбиту возможен и в других точках орбиты, например вблизи апогея, но поскольку в этом случае орбита ИСЗ расположена ниже точки выведения, то сама точка выведения должна располагаться достаточно высоко, скорость же в конце активного участка при этом должна быть несколько меньше круговой.
В первом приближении орбита ИСЗ представляет собой эллипс с фокусом в центре Земли (в частном случае - окружность), сохраняющий неизменное положение в пространстве. Движение по такой орбите называется невозмущённым и соответствует предположениям, что Земля притягивает по закону Ньютона как шар со сферическим распределением плотности и что на спутник действует только сила притяжения Земли.
Такие факторы, как сопротивление земной атмосферы, сжатие Земли, давление солнечного излучения, притяжения Луны и Солнца, являются причиной отклонений от невозмущённого движения. Изучение этих отклонений позволяет получать новые данные о свойствах земной атмосферы, о гравитационном поле Земли. Из-за сопротивления атмосферы ИСЗ, движущиеся по орбитам с перигеем на высоте несколько сот км , постепенно снижаются и, попадая в сравнительно плотные слои атмосферы на высоте 120-130 км и ниже, разрушаются и сгорают; они имеют, таким образом, ограниченный срок существования. Так, например, первый советский ИСЗ находился в момент выхода на орбиту на высоте около 228 км над поверхностью Земли и имел почти горизонтальную скорость около 7,97 км /сек. Большая полуось его эллиптической орбиты (т. е. среднее расстояние от центра Земли) составляла около 6950 км , период обращения 96,17 мин , а наименее и наиболее удалённые точки орбиты (перигей и апогей) располагались на высотах около 228 и 947 км соответственно. Спутник существовал до 4 января 1958, когда он, вследствие возмущений его орбиты, вошёл в плотные слои атмосферы.
Орбита, на которую выводится ИСЗ сразу после участка разгона ракеты-носителя, бывает иногда лишь промежуточной. В этом случае на борту ИСЗ имеются реактивные двигатели, которые включаются в определённые моменты на короткое время по команде с Земли, сообщая ИСЗ дополнительную скорость. В результате ИСЗ переходит на другую орбиту. Автоматические межпланетные станции выводятся обычно сначала на орбиту спутника Земли, а затем переводятся непосредственно на траекторию полёта к Луне или планетам.
Наблюдения ИСЗ.
Зарубежные искусственные спутники Земли. «Транзит».
Контроль движения ИСЗ и вторичных орбитальных объектов осуществляется путём наблюдений их со специальных наземных станций. По результатам таких наблюдений уточняются элементы орбит спутников и вычисляются эфемериды для предстоящих наблюдений, в том числе и для решения различных научных и прикладных задач. По используемой аппаратуре наблюдения ИСЗ разделяются на оптические, радиотехнические, лазерные; по их конечной цели - на позиционные (определение направлений на ИСЗ) и дальномерные наблюдения, измерения угловой и пространственной скорости.
Наиболее простыми позиционными наблюдениями являются визуальные (оптические), выполняемые с помощью визуальных оптических инструментов и позволяющие определять небесные координаты ИСЗ с точностью до нескольких минут дуги. Для решения научных задач ведутся фотографические наблюдения с помощью спутниковых фотокамер , обеспечивающих точность определений до 1-2¢¢ по положению и 0,001 сек по времени. Оптические наблюдения возможны лишь в том случае, когда ИСЗ освещен солнечными лучами (исключение составляют геодезические спутники, оборудованные импульсными источниками света; они могут наблюдаться и находясь в земной тени), небо над станцией достаточно тёмное и погода благоприятствует наблюдениям. Эти условия значительно ограничивают возможность оптических наблюдений. Менее зависимы от таких условий радиотехнические методы наблюдений ИСЗ, являющиеся основными методами наблюдений спутников в период функционирования установленных на них специальных радиосистем. Такие наблюдения заключаются в приёме и анализе радиосигналов, которые либо генерируются бортовыми радиопередатчиками спутника, либо посылаются с Земли и ретранслируются спутником. Сравнение фаз сигналов, принимаемых на нескольких (минимально трёх) разнесённых антеннах, позволяет определить положение спутника на небесной сфере. Точность таких наблюдений около 3¢ по положению и около 0,001 сек по времени. Измерение доплеровского смещения частоты (см. Доплера эффект) радиосигналов даёт возможность определить относительную скорость ИСЗ, минимальное расстояние до него при наблюдавшемся прохождении и момент времени, когда спутник был на этом расстоянии; наблюдения, выполняемые одновременно из трёх пунктов, позволяют вычислить угловые скорости спутника.
Дальномерные наблюдения осуществляются путём измерения промежутка времени между посылкой радиосигнала с Земли и приёмом после ретрансляции его бортовым радиоответчиком ИСЗ. Наиболее точные измерения расстояний до ИСЗ обеспечивают лазерные дальномеры (точность до 1-2 м и выше). Для радиотехнических наблюдений пассивных космических объектов используются радиолокационные системы.
Научно-исследовательские ИСЗ.
Советские искусственные спутники Земли. Спутник серии «Космос» - ионосферная лаборатория.
Аппаратура, устанавливаемая на борту ИСЗ, а также наблюдения ИСЗ с наземных станций позволяют проводить разнообразные геофизические, астрономические, геодезические и др. исследования. Орбиты таких ИСЗ разнообразны - от почти круговых на высоте 200-300 км до вытянутых эллиптических с высотой апогея до 500 тыс. км . К научно-исследовательским ИСЗ относятся первые советские спутники, советские ИСЗ серий «Электрон» , «Протон» , «Космос» , американские спутники серий «Авангард», «Эксплорер», «ОГО», «ОСО», «ОАО» (орбитальные геофизические, солнечные, астрономические обсерватории); английский ИСЗ «Ариель», французский ИСЗ «Диадем» и др. Научно-исследовательские ИСЗ составляют около половины всех запущенных ИСЗ.
С помощью научных приборов, установленных на ИСЗ, изучаются нейтральный и ионный состав верхней атмосферы, её давление и температура, а также изменения этих параметров. Концентрация электронов в ионосфере и её вариации исследуются как с помощью бортовой аппаратуры, так и по наблюдениям прохождения сквозь ионосферу радиосигналов бортовых радиомаяков. С помощью ионозондов детально изучены структура верхней части ионосферы (выше главного максимума электронной концентрации) и изменения электронной концентрации в зависимости от геомагнитной широты, времени суток и т. п. Все результаты исследований атмосферы, полученные с помощью ИСЗ, являются важным и надёжным экспериментальным материалом для понимания механизмов атмосферных процессов и для решения таких практических вопросов, как прогноз радиосвязи, прогноз состояния верхней атмосферы и т. п.
С помощью ИСЗ обнаружены и исследуются радиационные пояса Земли . Наряду с космическими зондами ИСЗ позволили исследовать структуру магнитосферы Земли и характер её обтекания солнечным ветром, а также характеристики самого солнечного ветра (плотность потока и энергию частиц, величину и характер «вмороженного» магнитного поля) и др. недоступные для наземных наблюдений излучения Солнца - ультрафиолетовое и рентгеновское, что представляет большой интерес с точки зрения понимания солнечно-земных связей. Ценные для научных исследований данные доставляют также и некоторые прикладные ИСЗ. Так, результаты наблюдений, выполняемых на метеорологических ИСЗ, широко используются для различных геофизических исследований.
Результаты наблюдений ИСЗ дают возможность с высокой точностью определять возмущения орбит ИСЗ, изменения плотности верхней атмосферы (в связи с различными проявлениями солнечной активности), законы циркуляции атмосферы, структуру гравитационного поля Земли и др. Специально организуемые позиционные и дальномерные синхронные наблюдения спутников (одновременно с нескольких станций) методами спутниковой геодезии позволяют осуществлять геодезическую привязку пунктов, удалённых на тысячи км друг от друга, изучать движение материков и т. п.
Прикладные ИСЗ.
Зарубежные искусственные спутники Земли. «Синком-3».
К прикладным ИСЗ относят спутники, запускаемые для решения тех или иных технических, хозяйственных, военных задач.
Спутники связи служат для обеспечения телевизионных передач, радиотелефонной, телеграфной и др. видов связи между наземными станциями, расположенными друг от друга на расстояниях до 10-15 тыс. км . Бортовая радиоаппаратура таких ИСЗ принимает сигналы наземных радиостанций, усиливает их и ретранслирует на другие наземные радиостанции. Спутники связи выводятся на высокие орбиты (до 40 тыс. км ). К ИСЗ этого типа относятся советский ИСЗ «Молния » , американский ИСЗ «Синком», ИСЗ «Интелсат» и др. Спутники связи, выведенные на стационарные орбиты, постоянно находятся над определёнными районами земной поверхности.
Советские искусственные спутники Земли. «Метеор».
Зарубежные искусственные спутники Земли. «Тирос».
Метеорологические спутники предназначены для регулярной передачи на наземные станции телевизионных изображений облачного, снегового и ледового покровов Земли, сведений о тепловом излучении земной поверхности и облаков и т. п. ИСЗ этого типа запускаются на орбиты, близкие к круговым, с высотой от 500-600 км до 1200-1500 км ; полоса обзора с них достигает 2-3 тыс. км . К метеорологическим спутникам относятся некоторые советские ИСЗ серии «Космос», спутники «Метеор» , американские ИСЗ «Тирос», «ЭССА», «Нимбус». Проводятся эксперименты по глобальным метеорологическим наблюдениям с высот, достигающих 40 тыс. км (советский ИСЗ «Молния-1», американский ИСЗ «АТС»).
Исключительно перспективными с точки зрения применения в народном хозяйстве являются спутники для исследования природных ресурсов Земли. Наряду с метеорологическими, океанографическими и гидрологическими наблюдениями такие ИСЗ позволяют получать оперативную информацию, необходимую для геологии, сельского хозяйства, рыбного промысла, лесного хозяйства, контроля загрязнений природной среды. Результаты, полученные с помощью ИСЗ и пилотируемых космических кораблей, с одной стороны, и контрольные измерения с баллонов и самолётов - с другой, показывают перспективность развития этого направления исследований.
Навигационные спутники, функционирование которых поддерживается специальной наземной системой обеспечения, служат для навигации морских кораблей, в том числе подводных. Корабль, принимая радиосигналы и определяя своё положение относительно ИСЗ, координаты которого на орбите в каждый момент известны с высокой точностью, устанавливает своё местоположение. Примером навигационных ИСЗ являются американские спутники «Транзит», «Навсат».
Советские искусственные спутники Земли. «Салют».
Пилотируемые корабли-спутники и обитаемые орбитальные станции являются наиболее сложными и совершенными ИСЗ. Они, как правило, рассчитаны на решение широкого круга задач, в первую очередь - на проведение комплексных научных исследований, отработку средств космической техники, изучение природных ресурсов Земли и др. Впервые запуск пилотируемого ИСЗ осуществлен 12 апреля 1961: на советском космическом корабле-спутнике «Восток» лётчик-космонавт Ю. А. Гагарин совершил полёт вокруг Земли по орбите с высотой апогея 327 км . 20 февраля 1962 вышел на орбиту первый американский космический корабль с космонавтом Дж. Гленном на борту. Новым шагом в исследовании космического пространства с помощью пилотируемых ИСЗ был полёт советской орбитальной станции «Салют» , Космические скорости , Космический летательный аппарат .
Литература:
- Александров С. Г., Федоров Р. Е., Советские спутники и космические корабли, 2 изд., М., 1961;
- Эльясберг П. Е., Введение в теорию полёта искусственных спутников Земли, М., 1965;
- Руппе Г. О., Введение в астронавтику, пер. с англ., т. 1, М., 1970;
- Левантовский В. И., Механика космического полёта в элементарном изложении, М., 1970;
- Кинг-Хили Д., Теория орбит искусственных спутников в атмосфере, пер. с англ., М., 1966;
- Рябов Ю. А., Движение небесных тел, М., 1962;
- Меллер И., Введение в спутниковую геодезию, пер. с англ., М., 1967. См. также лит. при ст. Космический летательный аппарат .
Н. П. Ерпылёв, М. Т. Крошкин, Ю. А. Рябов, Е. Ф. Рязанов.
Эта статья или раздел использует текстМуниципальное общеобразовательное учреждение
Сатинская средняя общеобразовательная школа
Реферат
Искусственные
Спутники
Земли
Работу выполнила Сатинской средней школы
Сампурского района
Илясова Екатерина
Искусственные спутники.
Вселенная – это весь окружающий нас бесконечный и вечный мир. Часто вместо слова «вселенная» употребляют равнозначное ему слово «космос». Правда, иногда из понятия «космос», исключают Землю с её атмосферой.
Когда я была маленькой, то часто любовалась звёздным небом. Мне казалось, что за этими горящими лампочками скрывается целый мир со своими жителями и законами. Но в школе я узнала,что мои представления о космосе не соответствуют действительности, и вскоре мечты о знакомстве с жителями того мира быстро рассеялись.
Однако, этот мир оказался не менее интересным и загадочным, чем я его представляла. Теперь я знаю, что некоторые из звёзд, гуляющие по небу, за которыми я наблюдала, - это блестящие тела разных размеров и форм с антеннами снаружи и радиопередатчиками внутри – искусственные спутники Земли – космические летательные аппараты, выведенные на околоземные орбиты и предназначенные для решения научных и прикладных задач.
Человечество всегда стремилось к звёздам, они манили к себе, как магнит и ни что не могло удержать человека на Земле. Смотря трансляцию футбольного матча по телевизору, у меня часто появляется вопрос: как человеку удаётся передавать события, происходящие за пределами нашего материка. В Югославии идёт война. Натовские войска способны поражать цели на огромном расстоянии. Как же им это удаётся? Какую технику они используют? Когда я смотрю фантастику, то задумываюсь о том, сможет ли человек осуществить свои фантазии: летать с огромными скоростями на манёвренных космических объектах, встретиться с внеземными цивилизациями. Думая о своём будущем, мне бы хотелось, чтобы наше государство не прекращало тенденции к развитию космической деятельности, чтобы наша страна не сдавала лидирующей позиции в области космических научных исследований. Ведь мы первыми смогли запустить искусственный спутник Земли, первым полетел в космос гражданин нашей страны, мы единственные смогли установить космическую станцию на околоземной орбите.
Целью своей работы я поставила – ознакомиться с физическими основами полёта космических объектов. Только после этого можно найти ответы на поставленные мной вопросы. Из моего реферата вы узнаете о движении искусственных спутников Земли, их оборудовании, предназначении, классификации, истории и др.
Оборудование ИСЗ.
ИСЗ выводятся на орбиты с помощью ступенчатых ракет – носителей, которые поднимают их на определённую высоту над поверхностью Земли и разгоняют до скорости, равной или превышающей (но не более чем в 1,4 раза) первую космическую скорость. Запуски ИСЗ с помощью собственных ракет – носителей производят Россия, США, Франция, Япония, КНР И Великобритания. Ряд ИСЗ выводятся на орбиты в рамках международного сотрудничества. Таковы, например, спутники «Интеркосмос».
Искусственными спутниками, по существу, являются все летательные космические аппараты, выведенные на орбиты вокруг Земли, включая космические корабли и орбитальные станции с экипажами. Однако к ИСЗ принято относить главным образом автоматические спутники, не предназначенные для работы на них человека – космонавта. Это вызвано тем, что пилотируемые космические корабли существенно отличаются по своим конструктивным особенностям от автоматических спутников. Так, космические корабли должны иметь системы жизнеобеспечения, специальные отсеки – спускаемые аппараты, в которых космонавты возвращаются на Землю. Для автоматических ИСЗ такого рода оборудование не обязательно или вовсе излишне.
Размеры, масса, оборудование ИСЗ зависят от задач, которые спутники решают. Первый в мире советский ИСЗ имел массу 83,6 кг, корпус в виде шара диаметром 0,58 м. масса наименьшего ИСЗ составляла 700 г.
Размеры корпуса ИСЗ ограничиваются размерами головного обтекателя ракеты – носителя, защищающего спутник от неблагоприятного воздействия атмосферы на участке выведения ИСЗ на орбиту. Поэтому диаметр цилиндрического корпуса ИСЗ не превышает 3 – 4 м. на орбите размеры ИСЗ могут значительно увеличиться за счёт развертываемых элементов спутника – панелей солнечных батарей, штанг с приборами, антенн.
Оборудование ИСЗ очень разнообразно. Это, во – первых, аппаратура, с помощью которой обеспечивается выполнение поставленных перед спутником задач, - научно – исследовательская, навигационная, метеорологическая и др. во – вторых, так называемое служебное оборудование, призванное обеспечить необходимые условия для работы основной аппаратуры и связь между ИСЗ и Землей. К служебному оборудованию относятся системы энергопитания, система терморегулирования для создания и поддержки необходимого теплового режима работы аппаратуры и др. служебные системы обязательны для подавляющего большинства ИСЗ. Кроме того, как правило, ИСЗ снабжается системой ориентации в пространстве, тип которой зависит от назначения спутника(ориентация по небесным телам, по магнитному полю Земли и т. п.), и бортовой электронной вычислительной машиной для управления работой приборов и служебных систем.
Энергопитание бортовой аппаратуры большинства ИСЗ осуществляется от солнечных батарей, панели которых ориентируются перпендикулярно направлению солнечных лучей или расположены так, чтобы часть из них освещалась Солнцем при любом его положении относительно ИСЗ (так называемые всенаправленные солнечные батареи). Солнечные батареи обеспечивают длительную работу бортовой аппаратуры (до нескольких лет). На ИСЗ, рассчитанных на ограниченные сроки работы (до 2-3 недель), используются электрохимические источники тока – аккумуляторы, топливные элементы.
Передача научной и другой информации с ИСЗ на Землю производится с помощью радиотелеметрических систем (часто имеющих запоминающие бортовые устройства для регистрации информации в периоды полёта ИСЗ вне зон радиовидимости наземных пунктов).
Три космические скорости.
В первое время после запуска искусственного спутника Земли часто можно было слышать вопрос: "Почему спутник после выключения двигателей продолжает обращаться вокруг Земли, не падая на Землю?". Так ли это? В действительности спутник "падает" – он притягивается к Земле под действием силы тяжести. Если бы не было притяжения, то спутник улетел бы по инерции от Земли в направлении приобретённой им скорости. Земной наблюдатель воспринял бы такое движение спутника как движение вверх. Как известно из курса физики, для движения по кругу радиуса R тело должно обладать центростремительным ускорением a=V2/R, где а – ускорение, V – скорость. Поскольку в данном случае роль центростремительного ускорения играет ускорение силы тяжести, то можно написать: g=V2/R. Отсюда нетрудно определить скорость Vкр, необходимую для кругового движения на расстоянии R от центра Земли: Vкр2=gR. В приближённых расчётах принимается, что ускорение силы тяжести постоянно и равно 9,81 м/сек2. Эта формула справедлива и в более общем случае, только ускорение силы тяжести следует считать переменной величиной. Таким образом, мы нашли скорость кругового движения. Какова же та начальная скорость, которую нужно сообщить телу, чтобы оно двигалось вокруг Земли по окружности? Нам уже известно, что чем большую скорость сообщить телу, тем на большее расстояние оно улетит. Траектории полёта будут эллипсами (мы пренебрегаем влиянием сопротивления земной атмосферы и рассматриваем полёт тела в пустоте). При некоторой достаточно большой скорости тело не успеет упасть на Землю и, сделав полный оборот вокруг Земли, возвратится в начальную точку, чтобы вновь начать движение по окружности. Скорость спутника, движущегося по круговой орбите вблизи земной поверхности, называется круговой или первой космической скоростью и представляет собой ту скорость, которую нужно сообщить телу, чтобы оно стало спутником Земли. Первая космическая скорость у поверхности Земли может быть вычислена по приведенной выше формуле для скорости кругового движения, если подставить вместо R величину радиуса Земли (6400 км), а вместо g – ускорение свободного падения тела, равное 9,81 м/сек. В результате найдём, что первая космическая скорость равна Vкр=7,9 км/сек.
Познакомимся теперь со второй космической или параболической скоростью, под которой понимают скорость, необходимую для того, чтобы тело преодолело земное тяготение. Если тело достигнет второй космической скорости, то оно может удалиться от Земли на любое сколь угодно большое расстояние (предполагается, что на тело не будут действовать никакие другие силы, кроме сил земного тяготения).
Проще всего для получения величины второй космической скорости воспользоваться законом сохранения энергии. Совершенно очевидно, что после выключения двигателей сумма кинетической и потенциальной энергии ракеты должна оставаться постоянной. Пусть в момент выключения двигателей ракета находилась на расстоянии R от центра Земли и имела начальную скорость V (для простоты рассмотрим вертикальный полёт ракеты). Тогда по мере удаления ракеты от Земли скорость её будет уменьшаться. На некотором расстоянии rmax ракета остановится, так как её скорость обратится в ноль, и начнёт свободно падать на Землю. Если в начальный момент ракета обладала наибольшей кинетической энергией mV2/2, а потенциальная энергия была равна нулю, то в наивысшей точке, где скорость равна нулю, кинетическая энергия обращается в ноль, переходя целиком в потенциальную. Согласно закону сохранения энергии, находим:
mV2/2=fmM(1/R-1/rmax) или V2=2fM(1/R-1/rmax).
Искусственные спутники Земли
Ведение. Искусственные спутники Земли - это космические аппараты, выведенные на околоземные орбиты. Форма орбит ИСЗ зависит от скорости движения спутника и его расстояния от центра Земли и представляет собой окружность или эллипс. Кроме того, орбиты различаются наклоном по отношению к плоскости экватора, а также направлением вращения. На форму орбит ИСЗ влияет несферичность гравитационного поля Земли, гравитационные поля Луны, Солнца и других небесных тел, а также аэродинамические силы, возникающие при движении ИСЗ в верхних слоях атмосферы, и другие причины.
Выбор формы орбиты ИСЗ во многом зависит от его назначения и особенностей выполняемых им задач.
Назначение ИСЗ. В зависимости от решаемых задач ИСЗ подразделяют на научно-исследовательские, прикладные и военные.
Научно-исследовательские ИСЗслужат для изучения Земли, небесных тел и космического пространства. С их помощью проводятся геофизические, астрономические, геодезические, биологические и др. исследования. Орбиты таких спутников разнообразны: от почти круговых на высоте 200...300 км до вытянутых эллиптических с высотой в апогее до 500 тыс. км. Это ИСЗ «Прогноз», «Электрон», «Протон» и др., выведенные на орбиты для изучения процессов солнечной активности и их влияния на магнитосферу Земли, изучения космических лучей и взаимодействия с веществом частиц сверхзвуковых энергий.
К прикладным ИСЗотносятся связные (телекоммуникационные), метеорологические, геодезические, навигационные, океанографические, геологические, спасательно-поисковые и другие.
Особое значение имеют связные ИСЗ - «Молния» (рис. 2.5), «Радуга», «Экран», «Горизонт», предназначенные для ретрансляции телевизионных программ и обеспечения дальней радиосвязи. Для них используются эллиптические синхронные орбиты с большим эксцентриситетом. Для непрерывной связи с регионом следует иметь три таких спутника. ИСЗ «Радуга», «Экран» и «Горизонт» также имеют круговые экваториальные геостационарные орбиты высотой 35500 - 36800 км, что обеспечивает круглосуточную связь через сеть наземных приемных телевизионных станций «Орбита».
Все эти спутники имеют динамическую стабилизацию относительно Земли и Солнца, что позволяет надежно ретранслировать получаемые сигналы, а также ориентировать панели солнечных батарей (СБ) на Солнце.
Рис. 2.5. Схема связного искусственного спутника Земли «Молния»:
1
- датчики системы ориентации; 2
- панели СБ; 3
- радиоприемники и передатчики;
4
- антенны; 5
- баллоны гидразина; 6
- двигатель коррекции орбиты; 7
- радиаторы
Метеорологические ИСЗ типа «Метеор» выводятся на круговые орбиты высотой 900 км. Они регистрируют состояние атмосферы и облачности, обрабатывают полученную информацию и передают ее на Землю (за один оборот ИСЗ обследует до 20% площади земного шара).
Геодезические ИСЗ предназначены для картографирования местности и привязки объектов на местности с учетом ее рельефа. В состав бортового комплекса таких ИСЗ входит: аппаратура, позволяющая точно фиксировать их положение в пространстве относительно наземных контрольных пунктов и определять расстояние между ними.
Навигационные ИСЗ типа «Цикада» и «Ураган» предназначены для глобальной навигационной спутниковой системы «Глонасс», «Космос-1000» (Россия), «Навстар» (США) - для обеспечения навигации морских судов, самолетов и других движущихся объектов. С помощью навигационно-радиотехнических систем судно или самолет может определить свое положение относительно нескольких ИСЗ (или в нескольких точках орбиты ИСЗ). Для навигационных ИСЗ предпочтительными являются полярные орбиты, т.к. они охватывают всю поверхность Земли.
Военные ИСЗ используются для обеспечения связи, управления войсками, осуществления различных видов разведки (наблюдения за территориями, военными объектами, запусками ракет, перемещениями кораблей и др.), а также для навигации самолетов, ракет, кораблей, подводных лодок и др.
Бортовое оснащение ИСЗ. Состав бортового оснащения ИСЗ определяется назначением ИСЗ.
В состав оснащения могут входить различные приборы и устройства для наблюдения. Эти приборы в соответствии с назначением могут работать на разных физических принципах. Например, на ИСЗ могут быть установлены: оптический телескоп, радиотелескоп, лазерный отражатель, фотоаппаратура с работой в видимом и инфракрасном диапазонах и т.п.
Для обработки результатов наблюдений и их анализа на борту ИСЗ могут устанавливаться сложные информационно-аналитические комплексы, использующие вычислительную технику и другие средства. Полученная и обработанная на борту информация, обычно в виде кодов, передается на Землю с помощью специальных бортовых радиокомплексов, работающих в различных диапазонах радиочастот. В составе радиокомплекса может быть несколько антенн различного типа и назначения (параболические, спиральные, штыревые, рупорные и др.).
Для управления движением ИСЗ и обеспечения функционирования его бортовой аппаратуры на борту ИСЗ устанавливается бортовой комплекс управления, который работает автономно (в соответствии с программами, имеющимися на борту), а также по командам, получаемым от наземного комплекса управления.
Для обеспечения электрической энергией бортового комплекса, а также всех бортовых приборов и устройств на ИСЗ устанавливаются панели солнечных батарей, собранных из полупроводниковых элементов, либо топливные химические элементы, либо ядерные энергетические установки.
Двигательные установки. На некоторых ИСЗ имеются двигательные установки, применяемые для коррекции траектории либо стабилизации вращением. Так, с целью увеличения времени существования низкоорбитных ИСЗ на них периодически включаются двигатели, переводящие спутники на более высокую орбиту.
Система ориентации ИСЗ. На большинстве ИСЗ применяется система ориентации, обеспечивающая фиксированное положение осей по отношению к поверхности Земли или каких-либо небесных объектов (например, для изучения космического пространства с помощью телескопов и других приборов). Ориентация осуществляется с помощью микроракетных двигателей или реактивных сопел, расположенных на поверхности ИСЗ или выступающих конструкциях (панелях, фермах и др.). Для стабилизации ИСЗ на средних и высоких орбитах требуются очень малые тяги (0,01... 1 Н).
Конструктивные особенности. ИСЗ выводятся на орбиты под специальными обтекателями, которые воспринимают все аэродинамические и тепловые нагрузки. Поэтому форма ИСЗ и конструктивные решения определяются функциональной целесообразностью и допустимыми габаритами. Обычно ИСЗ имеют моноблочные, многоблочные или ферменные конструкции. Часть оборудования размещается в термостатированных герметичных отсеках.
Автоматические межпланетные станции
Введение. Автоматические межпланетные станции (АМС) предназначены для полетов к Луне и планетам Солнечной системы. Их особенности определяются большой удаленностью функционирования от Земли (вплоть до выхода за сферу действия ее гравитационного поля) и временем полета (может измеряться годами). Все это предъявляет особые требования к их конструкции, управлению, энергоснабжению и др.
Общий вид и типовая компоновка АМС приведена на примере автоматической межпланетной станции «Вега» (рис. 2.6)
Рис. 2.6. Общий вид автоматической межпланетной станции «Вега»:
1 - спускаемый аппарат; 2 - орбитальный аппарат; 3 - солнечная батарея; 4 - блоки научной аппаратуры; 5 - малонаправленная антенна; 6 - остронаправленная антенна
Полеты АМС начались в январе 1959 года выводом на орбиту советской АМС «Луна-1», совершившей полет к Луне. В сентябре того же года «Луна-2» достигла поверхности Луны, а в октябре «Луна-3» сфотографировала невидимую сторону планеты, передав эти изображения на Землю.
В 1970 - 1976 годах с Луны на Землю были доставлены образцы лунного грунта, а на Луне успешно работали «Луноходы». Эти достижения существенно опередили американские исследования Луны автоматическими аппаратами.
С помощью серии АМС, запущенных в сторону Венеры (начиная с 1961 года) и Марса (с 1962 года), были получены уникальные данные о структуре и параметрах этих планет и их атмосфере. В результате полетов АМС установлено, что давление атмосферы Венеры составляет более 9 МПа (90 атм,), а температура 475°С; получена панорама поверхности планеты. Эти данные передавались на Землю при помощи сложной комбинированной конструкции АМС , одна из частей которой спускалась на поверхность планеты, а вторая, выведенная на орбиту спутника, принимала информацию и транслировала ее на Землю. Аналогичные сложные исследования проводились и на Марсе. В эти же годы богатая научная информация была получена на Земле с АМС «Зонд», на которых отрабатывались многие конструктивные решения для последующих АМС, в том числе по возвращении их на Землю.
Рис. 2.7. Траектория полета АМС «Вега» к планете Венера и комете Галлея
Полеты американских АМС «Рейнджер», «Сервейер», «Маринер», «Викинг» продолжили исследования Луны, Венеры и Марса («Маринер-9» - первый искусственный спутник Марса, вышел на орбиту 13 ноября 1971 г. после успешного выполнения маневра торможения, рис. 2.9), а АМС «Пионер», «Вояджер» и «Галилей» достигли дальних планет солнечной системы: Юпитера, Сатурна, Урана, Нептуна, передав уникальные снимки и данные об этих планетах.
Рис. 2.9 «Маринер-9» - первый искусственный спутник Марса, вышел на орбиту 13 ноября 1971 г. после успешного выполнения маневра торможения:
1
- малонаправленная антенна; 2
- двигатель маневрирования; 3
- топливный бак (2 шт.); 4
- прибор ориентации на звезду Канопус; 5
- баллон в системе наддува двигательной установки; 6
-жалюзи системы терморегулирования; 7
- инфракрасный интерферометр-спектрометр; 8
- телевизионная камера с малым углом обзора;
9
- ультрафиолетовый спектрометр; 10
-телевизионная камера большим углом обзора; 11
- инфракрасный радиометр; 12
- остронаправленная антенна; 13
- датчики захвата Солнца (4 шт.); 14
- датчик слежения за Солнцем; 15
- антенна с умеренным коэффициентом усиления; 16
- панель солнечных элементов (4 шт.).
Орбиты AMС. Для полетов АМС к планетам солнечной системы им должна быть сообщена скорость, близкая ко второй космической скорости или даже превышающая ее, при этом орбита приобретает форму параболы или гиперболы. При приближении к планете назначения АМС попадает в зону ее гравитационного поля (грависферы), которое изменяет форму орбиты. Таким образом, траектория АМС может состоять из нескольких участков, форма которых определяется законами небесной механики.
Бортовое оснащение АМС. На АМС, предназначенных для исследования планет, в зависимости от решаемых задач устанавливаются разнообразнейшие приборы и устройства: телевизионные камеры с малым и большим углом обзора, фотоаппараты и фотополяриметры, ультрафиолетовые спектрометры и инфракрасные интерферометры, магнитометры, детекторы космических лучей и заряженных частиц, приборы для измерения характеристик плазмы, телескопы и др.
Для выполнения запланированных исследований некоторые научные приборы могут располагаться в корпусе АМС, другие выносятся из корпуса с помощью ферм или штанг, устанавливаются на сканирующих платформах, поворачиваются относительно осей.
Для передачи полученной и обработанной информации на Землю на АМС устанавливается специальная приемо-передающая радиоаппаратура с остронаправленной параболической антенной, а также бортовой управляющий комплекс с вычислительным устройством, формирующий команды для работы приборов и систем, находящихся на борту.
Для обеспечения бортового управляющего комплекса и приборов электроэнергией на АМС могут применяться панели солнечных батарей или ядерные радиоизотопные термоэлектрические генераторы (необходимые при длительных полетах к дальним планетам).
Особенности конструкции АМС. Несущая конструкция АМС имеет обычно легкий ферменный каркас (платформу), на котором крепится все оборудование, системы и отсеки. Для электронного и другого оборудования применяются герметичные отсеки с многослойной теплоизоляцией и системой терморегулирования.
АМС должны быть оснащены системой ориентации по трем осям с отслеживанием определенных ориентиров (например, Солнца, звезды Канопус). Пространственная ориентация АМС и маневры коррекции траектории осуществляются с помощью микроракетных двигателей или сопел, работающих на горячих или холодных газах.
АМС могут иметь двигательную установку орбитального маневрирования для корректирования траектории либо для перевода АМС на орбиту планеты или ее спутника. В последнем случае конструкция АМС значительно усложняется, т.к. для посадки станции на поверхность планет требуется ее торможение. Оно осуществляется с помощью тормозной двигательной установки либо за счет атмосферы планеты (если ее плотность достаточна для торможения, как на Венере). При торможении и посадке возникают значительные нагрузки на конструкцию и приборы, поэтому спускаемую часть обычно отделяют от АМС, придавая ей соответствующую прочность и защищая от нагрева и других нагрузок.
Спускаемая часть АМС может иметь на борту различную научно-исследовательскую аппаратуру, средства для ее передвижения по поверхности планеты (например, «Луноход» на АМС «Луна-17») и даже возвращаемый на Землю аппарат с капсулой грунта (АМС «Луна-16»). В последнем случае на возвращаемом аппарате устанавливается дополнительная двигательная установка, обеспечивающая разгон и коррекцию траектории возвращаемого аппарата.
Искусственный спутник Земли - космический аппарат, который вращается вокруг Земли, находясь на геоцентрической орбите. Изначально слово «спутник» использовалось для обозначения советских космических аппаратов, но в 1968-1969 гг. была реализована идея по созданию международного многоязычного космического словаря, в котором по обоюдной договоренности стран-участниц термин «спутник» стал применяться к искусственным спутникам Земли, запущенным в любой стране мира.
В соответствии с международной договоренностью космический аппарат считается спутником, если он совершил не менее одного оборота вокруг Земли. Для того чтобы вывести спутник на орбиту, необходимо сообщить ему скорость, равную или большую первой космической скорости. Высота полета спутника может быть различной и колеблется от нескольких сот до сотен тысяч километров.
Наименьшая высота определяется наличием процесса быстрого торможения в верхних слоях атмосферы. От высоты зависит также период обращения спутника по орбите, который варьируется от
нескольких часов до нескольких суток. Применяются в научных исследованиях и для решения прикладных задач. Подразделяются на военные, метеорологические, навигационные, спутники связи и др. Существуют также спутники радиолюбительские.
Если спутник на борту имеет передающую радиоаппаратуру, какие-либо измерительные приборы, импульсные лампы, используемые для подачи сигналов, то он считается активным. Пассивные искусственные спутники Земли используются для реализации ряда научных задач и в качестве объектов наблюдения с земной поверхности.
Масса спутника напрямую зависит от задач, которые предстоит реализовать объекту запуска в околоземном пространстве, и может составлять от сотен граммов до сотен тонн.
Искусственные спутники имеют определенную ориентацию в пространстве в зависимости от поставленных задач. Так, например, вертикальная ориентация используется для спутников, основной задачей которых является наблюдение объектов на поверхности Земли и в ее атмосфере.
Для астрономических исследований спутники ориентируются на исследуемые небесные тела. Возможна ориентация отдельных элементов спутника, например антенн, на земные станции приема, а солнечных батарей - в сторону Солнца.
Системы ориентации спутников делятся на пассивные (магнитные, аэродинамические, гравитационные) и активные (системы, снабженные управляющими органами).
Последние применяются в основном на технически сложных искусственных спутниках и космических кораблях.
Первым в мире искусственным спутником Земли стал «Спутник-1». Он был запущен 4 октября 1957 г. с космодрома Байконур.
Над созданием этого космического аппарата работали ведущие ученые СССР того времени, среди которых основоположник практической космонавтики С. П. Королев, М. К. Тихонравов, М. В. Келдыш и многие другие. Спутник представлял собой алюминиевую сферу, которая имела 58 см в диаметре, массу 83,6 кг. В верхней части располагались две антенны, каждая из которых состояла из двух штырей и четырех антенн. Спутник был оснащен двумя радиопередатчиками с источниками питания. Диапазон передатчиков был таким, чтобы его передвижения могли отслеживать и радиолюбители. Он совершил 1440 оборотов вокруг Земли за 92 дня. Во время полета стало возможным по изменению орбиты спутника впервые определить плотность верхней атмосферы, помимо этого были получены первые данные по распространению радиосигналов в ионосфере. Уже 3 ноября был запущен второй, биологический, спутник Земли, который на борту, помимо улучшенной научной аппаратуры, доставил на орбиту живое существо - собаку Лайку. Общий вес спутника составил 508,3 кг. Спутник был оборудован системами терморегулирования и регенерации для поддержания условий, необходимых для жизни животного.
Первым искусственным спутником СССР разведывательного назначения стал «Зенит-2», который был выведен на орбиту 26 апреля 1962 г. В комплект оборудования входила капсула для сброса фотоматериала и различная фото- и радиоразведывательная аппаратура.
США стали второй мировой державой, открывшей для себя космическое пространство, запустив свой спутник, «Эксплорер-1» 1 февраля 1958 г. (по некоторым данным, 31 января 1958 г.). Запуск и разработку спутника осуществляла бригада специалистов под командованием бывшего немецкого инженера Вернера фон Брауна, создателя «оружия возмездия» - ракеты, известной под названием «Фау-2». Запуск спутника осуществлялся при помощи баллистической ракеты «Редстоун», использовавшей в качестве топлива смесь этилового спирта и гидразина (N,H4). Масса спутника составляла 8,3 кг, что в 10 раз меньше советского спутника, тем не менее «Эксплорер-1» на борту имел счетчик Гейгера и датчик атмосферных частиц.
Третьей космической державой стала Франция, запустив спутник «Астерикс-1» 26 ноября 1965 г. Австралия была следующей державой, которая заслужила право называться космической, это случилось 29 ноября 1967 г., спутник назывался «ВРЕСАТ-1». В 1970 г. сразу две державы пополнили список искусственных спутников Земли - Япония (спутник «Осуми») и Китай (спутник «Китай-1»).
Мы давно привыкли, что живем в эпоху освоения космоса. Однако, наблюдая сегодня за огромными многоразовыми ракетами и космическими орбитальными станциями многие не осознают, что первый запуск космического аппарата состоялся не так давно – всего 60 лет назад.
Кто запустил первый искусственный спутник Земли? – СССР. Этот вопрос имеет большое значение, так как это событие дало начало так называемой космической гонке между двумя сверхдержавами: США и СССР.
Как назывался первый в мире искусственный спутник Земли? – так как подобные аппараты ранее не существовали, советские ученые посчитали, что название «Спутник-1» вполне подходит для данного аппарата. Кодовое обозначение аппарата – ПС-1, что расшифруется как «Простейший Спутник-1».
Внешне спутник имел довольно незамысловатый вид и представлял собой алюминиевую сферу диаметром 58 см к которой были прикреплены крест-накрест две изогнутые антенны, позволяющие устройству равномерно и во всех направлениях распространять радиоизлучение. Внутри сферы, сделанной из двух полусфер, скрепленных 36 болтами, располагались 50-киллограмовые серебряно-цинковые аккумуляторы, радиопередатчик, вентилятор, термостат, датчики давления и температуры. Общая масса устройства составила 83,6 кг. Примечательно, что радиопередатчик вещал в диапазоне 20 МГц и 40 МГц, то есть следить за ним могли и обычные радиолюбители.
История создания
История первого космического спутника и космических полетов в целом начинается с первой баллистической ракеты – Фау-2 (Vergeltungswaffe-2). Ракета была разработана известным немецким конструктором — Вернером фон Брауном в конце Второй мировой войны. Первый тестовый запуск прошел в 1942-м году, а боевой – 1944-м., всего было выполнено 3225 запусков в основном по территории Великобритании. После войны Вернер фон Браун сдался армии США, в связи с чем возглавил Службу проектирования и разработки вооружения в США. Еще в 1946-м году немецкий ученый представил Минобороны США доклад «Предварительная конструкция экспериментального космического корабля, вращающегося вокруг Земли», где отметил, что в течение пяти лет может быть разработана ракета, способная вывести на орбиту подобный корабль. Однако финансирование проекта не было одобрено.
13-го мая 1946-го года Иосиф Сталин принял постановление о создании ракетной отрасли в СССР. Главным конструктором баллистических ракет был назначен Сергей Королев. Следующие 10 лет учеными были разработаны межконтинентальные баллистические ракеты Р-1, Р2, Р-3 и др.
В 1948-м году ракетный конструктор Михаил Тихонравов провел доклад для научных кругов о составных ракетах и результатах расчетов, согласно которым разрабатываемые 1000-киллометровые ракеты могут достигать больших расстояний и даже вывести на орбиту искусственный спутник Земли. Однако, подобное заявление подверглось критике и не было воспринято всерьез. Отдел Тихонравова в НИИ-4 был расформирован в связи с неактуальными работами, однако позже усилиями Михаила Клавдиевича вновь собран в 1950-м году. Тогда Михаил Тихонравов уже прямо заговорил о миссии по выводу спутника на орбиту.
Модель спутника
После создания баллистической ракеты Р-3 на презентации были представлены ее возможности, согласно которым ракета была способна не только поражать цели на расстоянии 3000 км, но и вывести спутник на орбиту. Так к 1953-му году ученым все же удалось убедить высшее руководство в том, что вывод орбитального спутника возможен. А у руководителей вооруженных сил возникло понимание перспективности разработки и запуска искусственного спутника Земли (ИСЗ). По этой причине в 1954-м году было принято постановление о создании отдельной группы в НИИ-4 с Михаилом Клавдиевичем, которая занималась бы проектированием спутника и планированием миссии. В том же году группа Тихонравова представила программу освоения космоса, от запуска ИСЗ, до высадки на Луну.
В 1955-м году делегация политбюро во главе Н. С. Хрущевым посетила Ленинградский металлический завод, где было окончено строительство двухступенчатой ракеты Р-7. Впечатление делегации вылилось в подписание постановления о создании и выводе на земную орбиту спутника в ближайшие два года. Проектирование ИСЗ началось в ноябре 1956-го года, а в сентябре 1957-го года «Простейший Спутник-1» успешно прошел испытания на вибростенде и в термокамере.
Однозначно на вопрос «кто изобрел Спутник-1?» — ответить нельзя. Разработка первого спутника Земли происходила под руководством Михаила Тихонравова, а создание ракеты-носителя и вывод спутника на орбиту – под началом Сергея Королева. Однако над обоими проектами трудилось немалое число ученых и научных сотрудников.
История запуска
В феврале 1955-го года высшее руководство утвердило создание Научно-исследовательского испытательного полигона №5 (позже Байконур), который должен был располагаться в Казахстанской пустыне. На полигоне проводились испытания первых баллистических ракет типа Р-7, но по результатам пяти опытных запусков стало ясно, что массивная головная часть баллистической ракеты не выдерживает температурной нагрузки и требует доработки, что займет около полугода. По этой причине С. П. Королев запросил от Н. С. Хрущева две ракеты для экспериментального запуска ПС-1. В конце сентября 1957-го года на Байконур прибыла ракета Р-7 с облегченной головой частью и переходом под спутник. Была снята лишняя аппаратура, в результате чего масса ракеты была уменьшена на 7 тонн.
2-го октября С. П. Королев подписал приказ о летных испытаниях спутника и направил уведомление о готовности в Москву. И хотя от Москвы не пришло никаких ответов, Сергей Королев решил произвести вывод ракеты-носителя «Спутник» (Р-7) с ПС-1 на стартовую позицию.
Причина, по которой руководство потребовало вывод спутника на орбиту именно в этот период заключается в том, что с 1 июля 1957 по 31 декабря 1958 проводился так называемый Международный геофизический год. Согласно нему, в указанный период 67 стран совместно и по единой программе проводили геофизические исследования и наблюдения.
Дата запуска первого искусственного спутника — 4 октября 1957-й год. Кроме того, в тот же день проходило открытие VIII международного конгресса астронавтики в Испании, Барселона. Руководители космической программы СССР не раскрывались общественности по причине секретности проводимой работы, о сенсационном запуске спутника конгрессу сообщил академик Леонид Иванович Седов. Поэтому именно советского физика и математика Седова мировая общественность долго считала «отцом Спутника».
История полета
В 22:28:34 по московскому времени произошел запуск ракеты со спутником с первой площадки НИИП № 5 (Байконур). Спустя 295 секунд центральный блок ракеты и спутник были выведены на эллиптическую орбиту Земли (апогей – 947 км, перигей – 288 км). Еще через 20 секунд ПС-1 отделился от ракеты и подал сигнал. Это были повторяющиеся сигналы «Бип! Бип!», которые ловили на полигоне 2 минуты, до тех пор, пока «Спутник-1» не скрылся за горизонтом. На первом витке аппарата вокруг Земли Телеграфное агентство Советского Союза (ТАСС) передало сообщение об успешном запуске первого в мире ИСЗ.
После приема сигналов ПС-1 начали поступать подробные данные об аппарате, который, как оказалось, был близок к тому, чтобы не достичь первой космической скорости и не выйти на орбиту. Причиной этому послужил непредвиденный отказ системы управления подачи топлива, из-за чего один из двигателей запаздывал. От неудачи отделяли доли секунды.
Однако, ПС-1 все же успешно достиг эллиптической орбиты, по которой двигался в течение 92-х дней, при этом выполнил 1440 оборотов вокруг планеты. Радиопередатчики аппарата работали на протяжении первых двух недель. Что стало причиной гибели первого спутника Земли? — Потеряв скорость о трение атмосферы, «Спутник-1» начал снижаться и полностью сгорел в плотных слоях атмосферы. Примечательно, что многие могли наблюдать некий блестящий объект, движущийся по небу в тот период. Но без специальной оптики блестящий корпус спутника нельзя было заметить, и на самом деле этим объектом была вторая ступень ракеты, которая также вращалась на орбите, вместе со спутником.
Значение полета
Первый запуск искусственного спутника Земли в СССР произвел небывалый подъем гордости за свою страну и сильный удар по престижу США. Отрывок из публикации «Юнайтед пресс»: «90 процентов разговоров об искусственных спутниках Земли приходилось на долю США. Как оказалось, 100 процентов дела пришлось на Россию…». И несмотря на ошибочные представления о технической отсталости СССР, первым спутником Земли стал именно советский аппарат, к тому же его сигнал мог отслеживаться любым радиолюбителем. Полет первого спутника Земли ознаменовал начало космической эры и запустил космическую гонку между Советским Союзом и США.
Спустя всего 4 месяца, 1-го февраля 1958-го года США запустили свой спутник «Эксплорер-1», который был собран командой ученого Вернера фон Брауна. И хотя он был в несколько раз легче ПС-1 и содержал 4,5 кг научной аппаратуры, он все же был вторым и уже не так повлиял на общественность.
Научные результаты полёта ПС-1
Запуск данного ПС-1 преследовал несколько целей:
- Тестирование технической способности аппарата, а также проверка расчетов, принятых для успешного запуска спутника;
- Исследование ионосферы. До запуска космического аппарата радиоволны, посланные с Земли, отражались от ионосферы, исключая возможность ее изучения. Теперь же ученые смогли начать исследование ионосферы посредством взаимодействия радиоволн, излучаемых спутником из космоса и идущих через атмосферу к поверхности Земли.
- Расчет плотности верхних слоев атмосферы при помощи наблюдения за темпом замедления аппарата вследствие трения об атмосферу;
- Исследование влияния космического пространства на аппаратуру, а также определения благоприятных условий для работы аппаратуры в космосе.
Слушать звук Первого спутника
И хотя на спутнике не было никакой научной аппаратуры, слежение за его радиосигналом и анализ его характера давал много полезных результатов. Так группа ученых из Швеции проводила измерения электронного состава ионосферы, опираясь на эффект Фарадея, гласящий об изменении поляризации света при прохождении его через магнитное поле. Также группа советских ученых из МГУ разработала методику наблюдения за спутником с точным определением его координат. Наблюдение за данной эллиптической орбитой и характером ее поведения позволили определить плотность атмосферы в области орбитальных высот. Неожиданно повышенная плотность атмосферы в указанных областях подтолкнула ученых к созданию теории торможения спутников, что внесло свою лепту в развитие космонавтики.
Видео о первом спутнике.
