Виды орбит ИСЗ, используемых в спутниковых РСПИ, их назначение и параметры (элементы орбит)

Принцип действий одноразовой многоступенчатой ракеты-носителя состоит в следующем: пока работает первая ступень, можно рассматривать  остальные вместе с истинной полезной нагрузкой в качестве полезной нагрузки первой ступени. После ее отделения  начинает работать вторая, которая  вместе с последующими ступенями  и истинной полезной нагрузкой образует новую самостоятельную ракету. Для  второй ступени все последующие (если они есть) вместе с истинным полезным грузом играют роль полезной нагрузки и так далее, т. е. полет  ее характеризуется несколькими  этапами, каждый из которых является как бы ступенью для сообщения  начальной скорости другим одноступенчатым  ракетам, входящим в ее состав. При  этом начальная скорость каждой последующей  одноступенчатой ракеты равна конечной скорости предыдущей. Отторжение первой и последующих ступеней носителя осуществляется после полного выгорания  топлива в двигательной установке.

Путь, который  проходит ракета-носитель при выведении  ИСЗ на орбиту, называют траекторией  полета. Он характеризуется активным и пассивным участками. Активный участок полета — это пролет ступеней носителя с работающими двигателями, пассивный участок — полет  отработавших ракетных блоков после  их отделения от ракеты-носителя.

 

Рис.1.

Носитель, стартуя вертикально (Рис. 1.участок 1, расположенный на высоте 185... 250 км), выходит затем на криволинейный активный участок 2 в восточном направлении. На этом участке первая ступень обеспечивает постепенное уменьшение угла наклона ее оси по отношению к местному горизонту. Участки 3, 4 — соответственно активные участки полета второй и третьей ступеней, 5 — орбита ИСЗ, 6, 7 — пассивные участки полета ракетных блоков первой и второй ступеней

При выведении  ИСЗ на соответствующую орбиту большую  роль играют время и место запуска  ракеты-носителя. Подсчитано, что космодром  выгоднее располагать как можно  ближе к экватору, так как при  разгоне в восточном направлении  ракета-носитель получает дополнительную скорость. Эта скорость называется окружной скоростью космодрома Vк, т. е. скорость его движения вокруг оси Земли благодаря суточному вращению планеты, т. е. на экваторе она равна 465 м/с, а на широте космодрома Байконур

6

— 316 м/с. Практически это  означает, что с экватора той же ракетой-носителем может быть запушен  более тяжелый ИСЗ. Завершающей  стадией полета ракеты-носителя является вывод ИСЗ на орбиту, форма которой  определяется кинетической энергией, сообщаемой ИСЗ ракетой, т. е. конечной скоростью носителя. В том случае, когда спутнику сообщается количество энергии, достаточное для его  вывода на ГСО, ракета-носитель должна вывести в точку, удаленную от Земли на 35 875 км, и сообщить ему  при этом скорость 3075 м/с.

Орбитальную скорость геостационарного ИСЗ легко  подсчитать. Высота ГСО над поверхностью Земли 35 786 км, радиус ГСО на 6366 км больше (средний радиус Земли), т. е. 42 241 км. Умножив значение радиуса ГСО  на 2л (6,28), получим ее длину окружности — 265 409 км. Если разделить ее на длительность суток в секундах (86 400 с), получим  орбитальную скорость ИСЗ — в  среднем 3,075 км/с, или 3075 м/с.

Обычно вывод спутника ракетой-носителем осуществляется в четыре этапа: выход на начальную орбиту; выход на орбиту «ожидания» (парковочную орбиту); выход на переходную орбиту; выход на конечную орбиту.

 

2.2Деление орбит ИСЗ.

Основное  деление орбит производят по величине наклонения "i" орбиты и по значению большой полуоси "a". Кроме того, можно выделить деление по величине эксцентриситета "e" - малоэллиптичные и высокоэллиптичные орбиты. Наглядное представление об изменении вида орбиты при различных значениях эксцентриситета дано на рис. 2.

 

 

Рис. 2. Изменение вида эллиптической орбиты при разных значениях эксцентриситета "e".

 

 

Классификация орбит ИСЗ по наклонению

В общем случае наклонение орбита ИСЗ лежит в  диапазоне 0° < "i" < 90° (рис. 3). В зависимости от значение наклонения и высоты ИСЗ над поверхностью Земли, положение областей его видимости имеют различные границы широты, а в зависимости от высоты над поверхностью - и различный радиус этих областей. Чем больше наклонение, тем на более северных широтах может быть виден спутник, а чем он выше - тем шире область видимости. Таким образом, наклонение "i" и большая полуось "a" определяют перемешение по поверхности Земли полосы видимости ИСЗ и её ширину.

В общем случае пареметры орбиты будут эволюционировать в зависимости от наклонения "i", большой полуоси "a" и эксцентриситета "e".

 

 

7

 

Рис. 3. Общий  случай орбиты спутника с наклонением 0° < "i" < 90°.

 

Экваториальные орбиты

Экваториальная  орбита - крайний случай орбиты, когда  наклонение "i" = 0° (рис. 4). В этом случае прецессия и поворот орбиты будут максимальны - до 10°/сутки и до 20°/сутки соответственно. Ширина полосы видимости спутника, которая расположена вдоль экватора, определяется его высотой над поверхностью Земли. Орбиты с малым наклонением "i" часто называют "около экваториальными".

 

 

 

Рис. 4. Экваториальная орбита.

 

 

Полярные орбиты

Полярная  орбита - второй крайний случай орбиты, когда наклонение "i" = 90° (рис. 5). В этом случае прецессия орбиты отсутствует, а поворот орбиты происходит в сторону, обратную относительно вращения ИСЗ, и не превышает 5°/сутки. Подобный полярный ИСЗ последовательно проходит над всеми участками поверхности Земли. Ширина полосы видимости спутника определяется его высотой над поверхностью Земли, но спутник рано или поздно можно увидеть из любой точки. Орбиты с наклонением "i", близким к 90°, называют "приполярными".

 

 

 

 

 

 

 

8

 

Рис. 5. Полярная орбита.

 

Солнечно-синхронные орбиты

 

 

Рис. 6. Солнечно-синхронная орбита.

 

 

Солнечно-синхронная орбита (ССО) - особый вид орбиты, часто  используемый спутникам, которые производят съёмку поверхности Земли. Представляет собой орбиту с такими параметрами, что спутник проходит над любой  точкой земной поверхности приблизительно в одно и то же местное солнечное время. Движение такого спутника синхронизировано с движением линии терминатора по поверхности Земли - за счёт этого спутник может лететь всегда над границей освещённой и неосвещённой солнцем территории, или всегда в освещённой области, или наоборот - всегда в ночной, причём условия освещённости при пролёте над одной и той же точкой Земли всегда одинаковые. Для достижения этого эффекта орбита должна прецессировать в сторону, обратную вращения Земли (т.е. на восток) на 360° в год, чтобы компенсировать вращение Земли вокруг Солнца. Такие условия соблюдаются только для определённого диапазона высот орбит и наклонений - как правило, это высоты 600-800 км и наклонение "i" должно быть порядка 98°, т.е. ИСЗ на солнечно-синхронных орбитах имеют обратное движение (рис. 6). При увеличении высоты полёта ИСЗ наклонение должно увеличиваться, из-за чего он не будет пролетать над полярными районами. Как правило, солнечно-синхронные орбиты близки к круговым, но могут быть и заметно эллиптичными. Из-за влияния возмущений спутник постепенно выходит из режима синхронизации, в связи с чем он периодически нуждается в коррекции своей орбиты при помощи двигателей.

 

 

9

Классификация орбит ИСЗ по величине большой полуоси

Вторая классификация - по величине большой полуоси, и  точнее, по высоте над поверхностью Земли.

 

Низкоорбитальные ИСЗ (LEO)

Низкоорбитальными ИСЗ (НОС (рус.), рис. 7, а) обычно считаются  спутники с высотами от 160 км до 2000 км над поверхностью Земли. Такие орбиты (и спутники) в англоязычной литературе называют LEO (от англ. "Low Earth Orbit"). Орбиты LEO подвержены максимальным возмущениям со стороны гравитационного поля Земли и её верхней атмосферы. Угловая скорость спутников LEO максимальна - от 0,2°/с до 2,8°/с, периоды обращения от 87,6 минут до 127 минут.

 

 

Рис. 7. Низкоорбитальные ИСЗ (а) и среднеорбитальные ИСЗ (б).

 

Среднеорбитальные ИСЗ(MEO)

Среднеорбитальными ИСЗ (СОС (рус.), или "MEO" - от англ. "Medium Earth Orbit") обычно считаются спутники с высотами от 2000 км до 35786 км над поверхностью Земли (рис. 7, б). Нижний предел определяется границей LEO, а верхний - орбитой геостационарных спутников. Эту зону в основном "заселяют" спутники навигации (ИСЗ "NAVSTAR" системы "GPS" летают на высоте 20200 км., ИСЗ системы "ГЛОНАСС" - на высоте 19100 км.) и связи, которые покрывают полюса Земли. Период обращения - от 127 минут до 24 часов. Угловая скорость - единицы и доли угловой минуты в секунду.

 

Геостационарные и геосинхронные  орбиты ИСЗ

Геостационарные ИСЗ (ГСС (рус.), или "GSO" - от англ. "Geosynchronous Orbit") считаются спутники, имеющие период обращение вокруг Земли, равный звёздным (сидерическим) суткам - 23ч 56м 4,09с. Если наклонение "i" орбиты нулевое, то такие орбиты называют геостационарными ( рис. 8, а). Геостационарные ИСЗ летают на высоте 35786 км над поверхностью Земли. Т.к. их период обращение совпадает с периодом обращения Земли вокруг своей оси, то такие ИСЗ "висят" в небе на одном месте (рис. 9). Если наклонение "i" не равно нулю, то такие ИСЗ называются геосинхронными (рис. 8, б). В реальности многие геостационарные спутники имеют небольшое наклонение и подвержены возмущениям со стороны Луны и Солнца, в связи с чем они описывают на небе фигуры в виде "восьмёрок", вытянутых в направлении север-юг.

 

 

 

 

10

 

Рис. 8. Геостационарный (а) и геосинхронный (б) ИСЗ.

 

Если говорить о виде траектории ГСС, то он определяется значением наклонения наклонения "i", эксцентриситета "e" и аргумента перигея "Wp орбиты спутника (рис. 10). Если эксцентриситет и наклонение орбиты нулевые, то подспутниковая точка неподвижна и проецируется в конкретную точку поверхности Земли. При ненулевом эксцентриситете и нулевом наклонени ГСС "рисует" на поверхности отрезок, перемещаясь с востока на запад и обратно, смещаясь от нулевого положения не более чем на ΔLmax = 114.6°·e, т.е. при эксцентриситете e=0.01 смещение будет не более чем на 1.2°. Если наклонение ненулевое, а эксцентриситет нулевой, то ГСС "рисует" классические "восьмёрки" -- угловая высота 2Θ фигуры равна удвоенному значению наклонения i орбиты, максимальная ширина ΔLmax вычисляется по формуле 0.044·i2 (наклонение "i" задаётся в градусной мере). В самом общем случае при ненулевых "i" и "e" трек ГСС на поверхности Земли представляет собой "наклонённую восьмёрку", угловая высота 2Θ = i, максимальная ширина ΔLmax = 114.6°·e, причём "восьмёрка" получается только в том случае, если аргумент перигея "Wp" орбиты равен 0° и 180°, в остальных случаях получается более сложная фигура что-то среднее между овалом и "восьмёркой".

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

11

Рис. 10. Виды треков ГСС на поверхности Земли  в зависимости от наклонения "i", эксцентриситета "e" и аргумента перигея "Wp" орбиты.

 

 

 

Геостационарная орбита ограничена в размерах и лежит  в плоскости экватора Земли. Её радиус составляет 42164 км от центра Земли. Небесные координаты геостационарного спутника на геостационарной орбите теоретически будут постоянными. Основными причинами, искажающими кеплеровское движение пассивного геостационарного спутника, являются гравитационные возмущения (несферичность геопотенциала, лунно-солнечные возмущения), а для ГСС с большим отношением площади поверхности к массе еще и негравитационный (световое давление) фактор. В результате действия возмущающих сил появляется дрейф спутника, изменяющий период вращения вокруг Земли. Отличие периода вращения ГСС от теоретического приводит к тому, что средняя долгота ГСС меняется со временем: спутник медленно дрейфует с запада на восток, если его период обращения вокруг Земли меньше звездных суток, и с востока на запад в противном случае. Отличие эксцентриситета "e" от нуля также приводит к тому, что подспутниковая долгота ГСС меняется. Происходит незначительное изменение долготы (с периодом около 12ч и амплитудой, пропорциональной квадрату угла наклонения орбиты), и широты (с периодом 24ч и амплитудой, равной самому наклонению "i"). Вследствие этого подспутниковая точка описывает на поверхности Земли известную "восьмерку".

 

Геостационарная орбита вокруг Земли одна. Запуски  спутников на ГСО начались с 1963 года. На начало 21 века более 40 стран планеты  имеют свои геостационарные спутники. Ежегодно на ГСО запускается десятки  спутников, орбита к тому же постепенно заполняется отработавшими спутниками. На ГСО постоянно происходят взрывы

12

отработанных аппаратов  и их ракет-носителей. Эти взрывы порождают десятки-сотни космических  осколков, которые могут вывести  из строя работающие аппараты. Засорение  космическим мусором этой орбиты может привести к необратимым  последствиям -- невозможности стабильного функционирования спутников. Космический мусор на ГСО, в отличие от близких околоземных орбит, может вращаться вокруг Земли тысячелетиями, угрожая столкновением с работающими КА. С конца 20 века проблема загрязнения ГСО стала общепланетарной, масштабной экологической проблемой.

Согласно  международной конвенции по мирному  использованию космического пространства при ООН, и требованиям международного радиочастного комитета (во избежании радиопомех на соседние ГСС), угловое расстояние между ГСС не должно быть менее 0.5°. Таким образом, теоретически количество ГСС, находящихся на безопасном расстоянии на ГСО, должно быть не более 720 штук. В последнее десятилетие это расстояние между ГСС не выдерживается. На 2011 год количество каталогизированных ГСС уже превысило более 1500. Сюда можно добавить более 600 высокоэллиптических объектов, периодически пересекающих ГСО и более 200 военных спутников, запущенных на ГСО в интересах Министерства обороны и разведки разных стран, которые не содержатся в публично доступном каталоге объединенного командования СПРН США и Канады (NORAD).

К геостационарным  спутникам принято относить спутники с периодами от 22ч до 26ч, эксцентриситетами "e" не более 0.3 и наклонами плоскости орбиты к плоскости экватора "i" до 15°, но в некоторых источниках можно встретить и более подробную классификацию, и более жесткие границы.

 

Высокоорбитальные ИСЗ (HEO)

Высокоорбитальными  ИСЗ (ВОС (рус.), или "HEO" - от англ. "High Earth Orbit") считаются спутники, достигающие высот более 35786 км над поверхностью Земли [9], т.е. залетающие выше геостационарных спутников (см. рис. 10). Орбиты могут иметь значительный эксцентриситет (например, спутники серии "Меридиан", "Молния") - в этом случае они называются высокоэллиптичными (ВЭС), так и быть почти круговыми (пример - ИСЗ "Vela" (те самые ИСЗ, на которых в конце 60-х гг. ХХ в. были открыты гамма-всплески)).

 

Рис. 13. Орбита ВЭС.

 

 

 

 

 

 

 

13

Заключение