Все мы смотрим спутниковое телевидение. Давайте разберемся как это все работает. Совсем просто это выглядет так: на околоземной орбите вращаются куча спутников и на каждый из них направлена большая антена на земле, которая принимает все, что посылает к ней спутник. Спутники вращаются по орбите только над экватором. Это самое удобное место с точки зрения действующих на них сил. Важно, чтобы спутник «висел» над одним и тем же местом поверхности земли. Для это он должен вращаться по геостационарной орбите, то есть совершать один оборот за 24 часа.
Из этих данных по формулам школьной физики можно вычислить на какой высоте это происходит. В идеальном случае на него действует только сила гравитации.
F=ma (второй закон Ньютона).
Fg=GmM/r^2, (сила гравитации)
где ускорение равно a=V^2/r.
Если все сократить в этих двух формулах, получим: r=35 786 км-расстояние от центра земли. Чтобы вывести спутник на геостационарную орбиту ему надо придать первую космическую скорость при запуске, то есть
V=7,9 км/с. После того как поднимают спутник на должную высоту, его надо развернуть и направить по касательной к орбите. На что тратится очень много топлива.
Понятно, что все хотят занять на этой орбите место. И на данной момент там почти не осталось свободного места. Чем же определяется то место на небе, которое без проблем может занять спутник? Сегодня геопояс выглядит следующим образом:
Я упомянул ранее, что на земле стоят большие антенны, направленные на спутник. На сегодняшний день принятый в мире стандарт это диаметр 9 метров. А в антеннах действует обратное правило, чем больше антена, тем уже телесный угол, который она покрывает. девятиметровой антенне соответствует телесный угол 0.1 градус. Для такой орбиты-это кубик со стороной 700 километров ребро. То есть с точки зрения антенны, спутник должен все время находится в этом кубике, иначе он выйдет за рамки видения и для антенны сигнал пропадет. Если антенна собьется хотя бы на 0.1 градус, то нужно будет ее опять поправлять.
Кто же занимается раздачей мест на геоорбите? При ООН действует международный союз электросвязи, вот он и ведает распределением места и использования радиочастот на геоорбите. Понятно, что любая страна или организация хочет получить кусок орбиты , желательно, над своей головой. МСЭ на это не обязуется, единственно что она дает-прямую видимость между спутником и клиентом. Я не просто так выделил место и частоты, дело в том, что можно подать заявку на определенный кусок орбиты, но не на весь диапазон частот. И может прийти другая страна и подать заявку на незанятые частоты. Это то, что произошло с Израилем. В Израиле поздно спохватились и поняли важность занятия мест на орбите. Мы застолбили место под Амосы на 4-ом градусе западной долготы, но только на часть частот, пришли норвежцы и заняли свободные частоты. Теперь для более продвинутых спутников Амос, нет дополнительных свободных частот. По правилам, после заявки есть семь лет на то, чтобы запустить туда спутник, если страна или организация этого не делает, то заявка стирается. И другая страна может встать на очередь на это место. У Израиля было еще одно место: 67 градус восточной долготы (где-то над Индией), но мы ее профукали. Кстати, этот участок для Израиля удобней.
Теперь рассмотрим сам спутник и его питание. На спутнике установлены солнечные батареи. Энергия солнца нужна для совершений маневров на орбите и для коррекции курса. Спрашивается, а зачем вообще нужно корректировать курс спутника? По-английски, это называется orbital station keeping. Запустил его на орбиту и пусть себе висит на землей. Все не так просто, как оно звучит. Есть три фактора, которые действуют на спутник и пытаются его сместить с той точки, где он находится. Первый фактор: масса земли (железное ядро)распределена не равномерно, она сильно сдвинута в определенном направлении. То есть на спутник все время действует сила в одном и том же направлении. Надо вносить постоянно поправку. В принципе, на орбите есть две точки, где нет влияния негомогенности распределения геомассы. Если бы это был единственный фактор, то это были бы самые дорогие точки орбиты. Но это не единственный фактор. Есть два фактора раз в 100 более мощные, которые действуют на все спутники. Это Солнце и Луна. Причем они все время смещают спутник по тому кубику, в котором он находится на запад и на север. И поэтому приходится включать ионный двигатель раз в две недели и перед тем, как спутник покинет окончательно свой сектор возращать его на восточный край. И так он дрейфует по кубику туда-сюда. Это нормально, пока его ловят самые большие антенны, связь не пропадает.
И еще один фактор, который мешает передаче сигнала. Дело в том, что эклиптика и орбита пересекаются под углом в 23.5 градусов. Скорее всего что-то хорошо врезалось в землю и перераспределило массу внутри и сдвинула плоскость вращения земли. Так получается, что эти плоскости совпадают дважды в год, в дни весеннего и осеннего равнодействий. И тогда час в сутки спутник находится в тени земли. И на этот «темный » час требуются аккумуляторы, которые заряжаются от солнечных батарей. Где-то за 7 часов, после выхода из тени, батареи полностью заряжаются и их хватает на следующее солнечное затмение.
Затмения спутника. Март и октябрь.
Энергия спутнику требуется еще для постоянной поправки направленности солнечных батарей. Они должны быть все время направлены к солнцу. То есть они каждый день должны делать полный оборот. Обычный спутник рассчитан на 15 лет нахождения на орбите. И все это время он не поможет быть починен, подвергается жесткому космическому излучению. За счет того, что он находится почти в вакууме, теплообмен между аккумулятором затруднен. И это очень опасно. Батареи требуют строгого соблюдения температурного режима. А если подумать, что с одной стороны батареи нагреты до 200 градусов, а с другой минус 150 градусов, то можно понять уровень инженерных задач, которые стоят перед конструкторами спутников.
И не смотря на все сложности, у каждой семьи дома стоит спутниковое телевидение. Спасибо техническому прогрессу!
