UMETNI SATELITI: ČEMU SLUŽIJO, KATERE VRSTE DELOVANJA, POMEMBNE - ARTE - 2026

V sateliti so vozila ali naprave, zgrajeni posebej, ki se sprosti v prostor brez posadke, da bi orbito okrog Zemlje ali drugih nebesnih telo.

Prve ideje o gradnji umetnih satelitov so prišle od avtorjev znanstvene fantastike, na primer Julesa Verna in Arthurja C. Clarka. Slednji je bil radarski častnik Kraljevskih letalskih sil in je ob koncu druge svetovne vojne zasnoval zamisel o uporabi treh satelitov v orbiti okoli Zemlje za vzdrževanje telekomunikacijskega omrežja.

Slika 1. Umetni satelit okoli Zemlje. Vir: Wikimedia Commons.

Takrat še niso bila na voljo sredstva za postavitev satelita v orbito. Še nekaj let je trajalo, da je ameriška vojska v začetku petdesetih let izdelala prve satelitske komunikacije.

Vesoljska dirka med ZDA in Sovjetsko zvezo je spodbudila umetno satelitsko industrijo. Prvi uspešno postavljen v orbito je bil sovjetski satelit Sputnik leta 1957 in je oddajal signale v območju 20-40 MHz.

Temu je sledilo, da so ZDA Echo I lansirale v komunikacijske namene. Od takrat sta obe sili nasledili številne izstrelitve v orbito, nato pa so se novi tehnologiji pridružile številne države.

Za kaj so umetni sateliti?

-V telekomunikacijah, za prenos radijskih, televizijskih in mobilnih sporočil.

-V znanstvenih in meteoroloških raziskavah, vključno s kartografijo in astronomskimi opazovanji.

- Za namene vojaške obveščevalne službe.

-Za navigacijo in lokacijo uporablja, ker je GPS (Global Positioning System) eden najbolj znanih.

-Za spremljanje površine tal.

-V vesoljskih postajah, zasnovanih za doživljanje življenja zunaj Zemlje.

Kako delujejo?

Isaac Newton (1643–1727) je v svoji Principiji ugotovil, kaj je potrebno za postavitev satelita v orbito, čeprav je namesto satelita kot primer uporabil topovsko kroglo, izstreljeno z vrha hriba.

Naboja, ki streže z določeno vodoravno hitrostjo, sledi običajni parabolični poti. S povečanjem hitrosti vodoravni doseg postaja večji in večji, nekaj, kar je bilo jasno. Toda ali bo določena hitrost krogla zapustila orbito okoli Zemlje?

Zemlja krivulja od premice do tangent na površino s hitrostjo 4,9 m na vsakih 8 km. Vsak predmet, sproščen iz počitka, bo padel 4,9 m v prvi sekundi. Zato bo krogla izstrelila vodoravno s vrha s hitrostjo 8 km / s, da bo v prvi sekundi padlo 4,9 m.

Toda Zemlja se bo tudi v tistem času spustila za 4,9 m, kolikor se vije pod topom. Še naprej se premika vodoravno, prevozi 8 km in bi ostal enak višini glede na Zemljo tisto sekundo.

Seveda se isto dogaja po naslednji sekundi in v vseh zaporednih sekundah, ko je krogla pretvorila v umetni satelit, brez dodatnega pogona, dokler ne bo trenja.

Vendar pa je trenje, ki ga povzroča zračni upor, neizogibno, zato je potrebna spodbujevalna raketa.

Raketa dvigne satelit na veliko višino, kjer tanjša atmosfera nudi manjši odpor in mu zagotavlja potrebno vodoravno hitrost.

Takšna hitrost mora biti večja od 8 km / s in manjša od 11 km / s. Slednje je hitrost bega. Satelit, ki je načrtovan s to hitrostjo, bi opustil gravitacijski vpliv Zemlje, ko gre v vesolje.

Umetna satelitska struktura

Umetni sateliti vsebujejo različne zapletene mehanizme za izvajanje svojih funkcij, ki vključujejo sprejemanje, obdelavo in pošiljanje različnih vrst signalov. Prav tako morajo biti lahke in imeti samostojnost delovanja.

Glavne strukture so skupne vsem umetnim satelitom, ki imajo po namenu več podsistemov. Vgrajeni so v ohišje iz kovine ali drugih lahkih spojin, ki služi kot podpora in se imenuje vodila.

V avtobusu najdete:

- Osrednji nadzorni modul, ki vsebuje računalnik, s katerim se podatki obdelujejo.

- Sprejem in oddajanje anten za komunikacijo in prenos podatkov po radijskih valovih, pa tudi teleskopi, kamere in radarji.

- Sistem solarnih panelov na krilih, s katerimi pridobite potrebno energijo in polnilne baterije, ko je satelit v senci. Sateliti potrebujejo približno 60 minut sončne svetlobe, da napolnijo baterije, če so v nizki orbiti. Bolj oddaljeni sateliti preživijo veliko več časa, ki je izpostavljen sončnemu sevanju.

Ker so sateliti dolgo časa izpostavljeni temu sevanju, je potreben zaščitni sistem, da se izognemo poškodbam drugih sistemov.

Izpostavljeni deli se zelo segrejejo, v senci pa dosegajo izjemno nizke temperature, ker ni dovolj atmosfere, da bi spremembe uravnali. Zaradi tega so radiatorji potrebni za odstranjevanje toplote in aluminijasti pokrovi, da ohranijo toploto, kadar je to potrebno.

Vrste umetnih satelitov

Umetni sateliti so lahko glede na svojo pot, eliptični ali krožni. Seveda ima vsak satelit dodeljeno orbito, ki je na splošno v isti smeri, kot se vrti Zemlja, imenovano asinhrona orbita. Če iz nekega razloga satelit potuje nasprotno, ima retrogradno orbito.

Pod gravitacijo se predmeti premikajo po eliptičnih poteh po Keplerjevih zakonih. Umetni sateliti se temu ne izognejo, vendar imajo nekatere eliptične orbite tako majhno ekscentričnost, da jih lahko štejemo za krožne.

Orbite lahko nagibamo tudi glede na Zemljin ekvator. Pri naklonu 0 ° so ekvatorialne orbite, če so 90 °, so polarne orbite.

Nadmorska višina satelita je prav tako pomemben parameter, saj je med 1500 - 3000 km visok prvi Van Allenov pas, ki se mu je treba izogniti zaradi visoke hitrosti sevanja.

Slika 2. Orbite, višine in hitrosti umetnih satelitov. Zapuščeni sateliti preidejo v pokopališko orbito, čeprav obstajajo ostanki v vseh orbitah. Vir: Wikimedia Commons.

Satelitske orbite

Orbita satelita je izbrana glede na misijo, ki jo ima, saj obstajajo bolj ali manj ugodne višine za različne operacije. Po tem kriteriju so sateliti razvrščeni kot:

- LEO (Low Earth Orbit) , visoki so med 500 in 900 km in opisujejo krožno pot, v obdobjih približno 1 uro in pol ter naklona 90 °. Uporabljajo se za mobitele, telefaks, osebne pozivnike, za vozila in za čolne.

- MEO (srednja zemeljska orbita) , so na nadmorski višini 5000–12000 km, naklona 50 ° in približno 6 ur. Zaposlene so tudi v mobilnih telefonih.

- GEO (geosinhrona zemeljska orbita) ali geostacionarna orbita, čeprav je med obema izrazoma majhna razlika. Prvi so lahko spremenljivega naklona, ​​medtem ko so drugi vedno na 0 °.

Vsekakor so na visoki nadmorski višini -36.000 km več ali manj. Krožijo krožne orbite v obdobjih 1 dan. Zahvaljujoč njih so med drugimi storitvami na voljo telefaks, medkrajevna telefonija in satelitska televizija.

Slika 3. Diagram orbitov umetnih satelitov. 1) Zemlja. 2) LEO. 3) MEO, 4) Geosinhrone orbite. Vir: Wikimedia Commons.

Geostacionarni sateliti

Na začetku so imeli komunikacijski sateliti drugačna obdobja od vrtenja Zemlje, vendar je bilo to težko pozicionirati, ankete pa so bile izgubljene. Rešitev je bila, da satelit postavimo na takšno višino, da je njegovo obdobje sovpadlo z vrtenjem Zemlje.

Tako satelit kroži skupaj z Zemljo in zdi se, da je pritrjen glede nanjo. Višina, potrebna za postavitev satelita v geosinhrono orbito, je 35786,04 km in je znana kot Clarkejev pas.

Višino orbite lahko izračunamo tako, da določimo obdobje z uporabo naslednjega izraza, ki izhaja iz Newtonovega zakona o splošni gravitaciji in Keplerjevega zakona:

Kjer je P obdobje, je a dolžina pol-glavne osi eliptične orbite, G je univerzalna konstanta gravitacije in M ​​je masa Zemlje.

Ker se na ta način orientacija satelita glede na Zemljo ne spreminja, zagotavlja, da bo z njo vedno imel stik.

Najpomembnejši umetni sateliti Zemlje

Sputnik

Slika 4. Replika Sputnika, prvega umetnega satelita v orbiti v zgodovini. Vir: Wikimedia Commons.

To je bil prvi umetni satelit v zgodovini človeštva, ki ga je nekdanja Sovjetska zveza postavila v orbito oktobra 1957. Temu satelitu so sledili še trije, kot del programa Sputnik.

Prvi Sputnik je bil precej majhen in lahek: 83 kg aluminija v glavnem. Zmogel je oddajati frekvence med 20 in 40 MHz, v orbiti je bil tri tedne, nato pa je padel na Zemljo.

Replike Sputnika lahko danes vidimo v mnogih muzejih Ruske federacije, Evrope in celo Amerike.

Vesoljski shuttle

Druga znana misija s posadko je bil vesoljski prometni sistem STS ali vesoljski prevoz, ki je deloval od leta 1981 do 2011 in je med drugimi pomembnimi misijami sodeloval pri izstrelitvi vesoljskega teleskopa Hubble in mednarodne vesoljske postaje, poleg misij popravilo drugih satelitov.

Vesoljski ladja je imela asinhrono orbito in je bila večkrat uporabna, saj je lahko prišla in odšla na Zemljo. Od petih trajektov sta bila dva po nesreči uničena skupaj s posadko: Challenger in Columbia.

GPS sateliti

Global Positioning System je splošno znan po natančnem lociranju ljudi in predmetov kjer koli na svetu. Omrežje GPS je sestavljeno iz najmanj 24 satelitov na visoki višini, od katerih so z Zemlje vedno vidni 4 sateliti.

V orbiti so na nadmorski višini 20.000 km, njihovo obdobje pa je 12 ur. GPS uporablja matematično metodo, podobno triangulaciji, za oceno položaja predmetov, imenovane trilateracija.

GPS ni omejen na lociranje ljudi ali vozil, uporaben je tudi za kartografijo, geodezijo, geodezijo, reševalne operacije in športne prakse, med drugimi pomembnimi aplikacijami.

Vesoljski teleskop Hubble

Gre za umetni satelit, ki omogoča neprimerljive nikoli vidne slike osončja, zvezd, galaksij in oddaljenega vesolja, ne da bi Zemljina atmosfera ali svetlobno onesnaženje blokiralo ali izkrivljalo oddaljeno svetlobo.

Slika 5. Pogled vesoljskega teleskopa Hubble. Vir: NASA prek Wikimedia Commons.

Zato je bila njegova predstavitev leta 1990 najpomembnejši napredek astronomije v zadnjem času. Hubblova ogromna 11-tonska jeklenka je na nadmorski višini 340 milj (548 km), ki kroži okoli Zemlje v krožnem gibanju, v obdobju 96 minut.

Deaktivirali naj bi ga med letoma 2020 in 2025, nadomestil pa ga bo vesoljski teleskop James Webb.

Mednarodna vesoljska postaja

Znan kot ISS (International Space Station), je orbitalen raziskovalni laboratorij, ki ga upravlja pet vesoljskih agencij po vsem svetu. Do zdaj je največji umetni satelit v obstoju.

Za razliko od preostalih satelitov so v vesoljski postaji ljudje na krovu. Poleg fiksne posadke vsaj dveh astronavtov so postajo obiskali celo turisti.

Namen postaje je predvsem znanstven. Ima 4 laboratorije, v katerih preučujemo učinke ničelne gravitacije ter izvajamo astronomska, kozmološka in podnebna opazovanja ter različne poskuse iz biologije, kemije in vpliva sevanja na različne sisteme.

Chandra

Ta umetni satelit je opazovalnik za zaznavanje rentgenskih žarkov, ki jih absorbira Zemljina atmosfera in jih zato ni mogoče proučevati s površine. NASA ga je spustila v orbito leta 1999 prek vesoljskega prevoza Columbia.

Iridium komunikacijski sateliti

Sestavljajo mrežo 66 satelitov na nadmorski višini 780 km v orbiti tipa LEO s časom 100 minut. Zasnovala jih je telefonska družba Motorola, da bi zagotavljala telefonsko komunikacijo na nedostopnih mestih. Vendar pa gre za storitev z zelo visokimi stroški.

Satelitski sistem Galileo

Gre za sistem za določanje položaja, ki ga je razvila Evropska unija, enakovreden GPS-u in za civilno uporabo. Trenutno deluje 22 satelitov, vendar je še vedno v izdelavi. V odprti različici lahko locira osebo ali predmet z natančnostjo 1 metra in je interoperabilen s sateliti sistema GPS.

Serija Landsat

So sateliti, posebej zasnovani za opazovanje zemeljske površine. S svojim delom so začeli leta 1972. Med drugim so zadolženi za kartiranje terena, snemanje informacij o premiku ledu na drogovih in obsegu gozdov, pa tudi za iskanje rudnikov.

Glonassov sistem

Je geolokacijski sistem Ruske federacije, enakovreden GPS-u in omrežju Galileo.

Opazovanje umetnih satelitov

Umetni sateliti lahko z Zemlje opazijo amaterji, saj odbijajo sončno svetlobo in so lahko svetlobne točke, tudi če je sonce zašlo.

Če jih želite poiskati, je priporočljivo, da na telefon namestite katero od satelitskih aplikacij za iskanje ali se posvetujete po spletnih straneh, ki spremljajo satelite.

Vesoljski teleskop Hubble je na primer viden s prostim očesom ali še bolje, z dobrim daljnogledom, če veste, kam naj pogledate.

Priprave na opazovanje satelitov so enake kot pri opazovanju meteornih tušev. Najboljši rezultati so dobljeni ob zelo temnih in jasnih nočeh, brez oblakov in brez lune ali z luno nizko na obzorju. Čim dlje od svetlobnega onesnaženja, tem bolje je treba prinesti tudi topla oblačila in tople napitke.

Reference

1. Evropska vesoljska agencija Sateliti. Pridobljeno iz: esa.int.
2. Giancoli, D. 2006. Fizika: Načela uporabe. 6. Dvorana Ed Prentice.
3. Maran, S. Astronomija za lutke.
4. POT. O vesoljskem teleskopu Hubble. Pridobljeno od: nasa.gov.
5. Kaj so umetni sateliti in kako delujejo? Pridobljeno: youbioit.com
6. Širokost. Umetni sateliti. Pridobljeno: es.wikiversity.org.