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.
