За счёт чего спутники и космические станции удерживаются на орбите?
https://en.wikipedia.org/wiki/Newton%27s_cannonball
Кто вам сказал что спутники не падают? весь смысл в том что они именно падают, и чтобы не встретились с планетой их разгоняют до первой космической скорости, в результате они пролетают мимо земли с той же скоростью с какой на нее падают — при достижении баланса этих скоростей получается что спутники летят вокруг земли по круговой траектории, бесконечно падая но так и не встречаясь с землей.
Веселее всего на геостационарной орбите -скорость движения спутника равна скорости оборота планеты вокруг своей оси, получается спутник висит над одной и той же точкой на планете.
При превышении скорости или изменении вектора скорости круговая траектория меняется и становится вытянутой, вплоть до ухода от планеты (вторая космическая скорость)
Чтобы спутники не сталкивались — за ними следят и рассчитывают траекторию полета чтобы этого не случилось (или наоборот случилось специально — это уже было)
- Вконтакте
- Вконтакте
- Вконтакте
Итак по 1 закону Ньютона тело при отсутствии внешних сил движется прямолинейно. Но в нашем случае, на спутник воздействует сила тяготения, поэтому складывая два вектора (вектор движения касательный поверхности земли и вектор направленный к центру земли получаем результирующий вектор сил).
В результате его воздействия спутник снижается на некую высоту но одновременно продвигается вперед. Поэтому орбита и принимает форму шара или элипса.
Что такое низкая околоземная орбита и почему спутники не падают нам на головы
Подавляющее большинство спутников и даже Международная космическая станция кружат над Землей на так называемой низкой околоземной орбите. Но почему именно ее используют космические агентства и насколько она низка? Делимся фактами, определениями и объясняем, как работает орбита.
Простыми словами низкая околоземная орбита (НОО) именно тем, чем она и называется – низкой орбитой вокруг нашей планеты, которая пролегает на нижней границе диапазона возможных орбит. Это примерно 2000 км над Землей и даже чуть ниже.
Большинство спутников находятся именно на низкой орбите, как и МКС. Чтобы остаться на этой орбите, спутник должен двигаться на скорости около 7,8 километра в секунду. При этом ему нужно примерно 90 минут, чтобы завершить оборот вокруг планеты.
Низкая околоземная орбита / Фото ESA
Как работает орбита
Орбиты возможны благодаря силе тяготения – той же силе, которая удерживает нас на поверхности планеты. Подобно тому, как мы полетели бы в космос, если бы не существовало гравитации, так и спутник улетел бы по касательной.
Это происходит в случае космического корабля, путешествующего на второй космической скорости – 11,2 км/с. При достижении объектом такой скорости он может покинуть окрестности Земли и стать спутником Солнца. Если объект движется гораздо медленнее, например, суборбитальная ракета New Shepard Blue Origin, то он упадет на Землю так же уверенно, как и вы, когда подпрыгиваете в воздух.
Орбитальная скорость – 7,8 км/с – это скорость, при которой сила тяжести не дает объекту улететь по касательной. В результате движущийся с такой скоростью объект будет просто вращаться вокруг Земли – станет ее спутником. Это горизонтальная скорость, параллельная поверхности планеты. Когда спутник достигает орбитальной скорости, он официально находится на орбите.
Движение спутника по орбите / Фото ESA
Почему спутники выводят на низкую околоземную орбиту
Орбитальная скорость 7,8 км/с позволяет вывести объект на НОО прямо над атмосферой Земли. На больших высотах скорость, необходимая для удержания спутника на орбите, изменяется (по мере увеличения высоты необходимая скорость падает).
Однако это не означает, что ракета должна тратить меньше энергии, чтобы вывести спутник на более высокую орбиту. Это объясняется тем, что требуется огромное количество энергии, чтобы просто добиться такой высоты. Эти дополнительные усилия, направленные на подъем на большую высоту, являются одной из причин, по которым большинство спутников размещают на низкой орбите. Другими причинами является то, что, например, спутники для слежения за поверхностью Земли могут фотографировать ее с большим разрешением именно с самой низкой точки орбиты.
Однако есть одна особая высотная орбита, для достижения которой следует приложить дополнительные усилия, и это геосинхронная околоземная орбита (ГОО).
Для чего нужна геосинхронная орбита
Спутник на НОО совершает около 16 оборотов каждый день или за каждый полный оборот самой Земли. Однако ГОО находится на высоте около 36 тысяч километров, после чего орбитальная скорость замедляется, поэтому одна орбита соответствует ровно одному обороту Земли вокруг себя.
Это означает, что спутник на такой высоте фактически зависает над одной точкой на поверхности Земли (движется синхронно с планетой), что делает его особенно полезным для спутникового телевидения и других систем связи.
Геосинхронная орбита / Фото ESA
Орбиты спутников обычно имеют траекторию овального типа, которая называется эллипсом, длина и ширина которого известны как большая и малая оси.
Когда эти две оси равны по размеру, орбита является идеальным кругом, являющимся лишь частным случаем эллипса. Большинство спутников имеют почти круговые орбиты, но в некоторых случаях эллипс может быть гораздо более вытянутым, с большой осью гораздо длиннее малой оси.
Почему спутники не падают нам на головы
На самом деле все наоборот – все спутники на орбите Земли и даже Международная космическая станция падают на нас, однако делают они это очень и очень медленно. Этому способствует сила тяготения, притягивающая объекты к Земле. Гравитация тем сильнее, чем ближе объект к Земле, и вращающиеся вокруг Земли спутники должны двигаться на очень высоких скоростях, чтобы оставаться на орбите. Об этом мы писали выше.
В то же время они продолжают немного замедляться и фактически очень медленно падают на поверхность планеты. Именно поэтому периодически происходит корректировка орбиты некоторых сателлитов и МКС. Другие спутники со временем сходят с орбиты, входят в плотные слои атмосферы и сгорают там не достигая поверхности планеты.
Другие типы орбит
Кроме низкой околоземной и геостационарной орбит, есть еще несколько траекторий, на которые выводят разнообразные космические аппараты в зависимости от цели.
- Средняя околоземная орбита (СОВ) включает широкий диапазон орбит между НОО и ГОО. Она похожа на НОО тем, что ей тоже не нужно проходить определенные пути вокруг Земли, и ее используют разные спутники, например те, которые используются для навигационных систем.
- Полярную орбиту (ПО) обычно используют спутники, путешествующие мимо Земли с севера на юг, а не с запада на восток, проходя примерно над полюсами Земли.
- Солнечно-синхронная орбита (ССО) представляет собой особый вид полярной орбиты. Спутники на ССО, путешествуя над полярными областями, синхронны с Солнцем. Это означает, что они синхронизированы, чтобы всегда находиться в одном «фиксированном» положении по отношению к Солнцу. Таким образом спутник всегда посещает одно и то же место в одно и то же местное время, например, пролетая мимо конкретного города каждый день ровно в полдень.
- Трансферные орбиты – это особый вид орбит, используемый для перехода с одной орбиты на другую. Когда спутники запускаются с Земли и переносятся в космос с помощью ракет-носителей, спутники не всегда размещаются непосредственно на конечной орбите. Сателлиты часто размещаются на переходной орбите: орбите, на которой, используя сравнительно небольшое количество энергии от встроенных двигателей, спутник или космический корабль могут переходить с одной орбиты на другую.
Существуют также точки Лагранжа (L-точки), являющиеся орбитами, которые находятся гораздо дальше (более миллиона километров) от нашей планеты и не вращаются вокруг Земли напрямую. Это определенные точки далеко в космосе, где гравитационные поля Земли и Солнца сочетаются таким образом, что вращающиеся вокруг них космические корабли остаются стабильными и, таким образом, могут быть «закреплены» относительно Земли. В одной из таких точек, например, сейчас находится самый мощный в истории человечества космический телескоп James Webb.
Почему спутники не падают на Землю?
Земля обладает мощным гравитационным полем, которое притягивает к себе не только предметы, находящиеся на ее поверхности, но и те космические объекты, которые, по каким – то причинам, оказываются в непосредственной от нее близости. Но если это так, то как объяснить тот факт, что запущенные человеком на земную орбиту искусственные спутники, не падают на ее поверхность?
Согласно законам физики, любой предмет, находящийся на земной орбите, обязательно должен упасть на ее поверхность, будучи притянут ее гравитационным полем. Все это абсолютно справедливо, но только в том случае, если бы планета имела форму идеальной сферы, и на объекты, находящиеся на ее орбите, не действовали бы сторонние силы. На самом же деле, это не так. Земля, ввиду вращения вокруг собственной оси, несколько раздута на экваторе, и сплюснута на полюсах. К тому же, на искусственные спутники действуют сторонние силы, исходящие от Солнца и Луны. По этой причине и не происходит их падение на поверхность Земли.
На орбите они удерживаются именно благодаря тому, что наша планета не идеальна по форме. Исходящее от Земли гравитационное поле стремиться притянуть к себе спутники, не позволяя Луне и Солнцу сделать то же самое. Происходит компенсация гравитационных сил, действующих на спутники, в результате чего, параметры их орбит не меняются. Во время их приближения к полюсам, земная гравитация становится меньше, а сила притяжения Луны больше. Спутник начинает смещаться в ее сторону. Во время его прохождения через зону экватора, ситуация становится прямопротивоположной.
Происходит как бы естественная коррекция орбиты искусственных спутников. По этой причине они и не падают. Кроме того, под действием земной гравитации спутник будет летать по скругленной орбите, стараясь приблизиться к земной поверхности. Но так как Земля круглая, то эта поверхность будет постоянно от него убегать.
Этот факт можно продемонстрировать на простом примере. Если привязать к веревке грузик и начать его вращать по кругу, то он будет постоянно стремиться от вас убежать, но не может этого сделать, удерживаемый веревкой, что, применительно к спутникам, является аналогом земной гравитации. Именно она удерживает на своей орбите, стремящиеся улететь в открытый космос спутники. По этой причине они и будут вечно вращаться вокруг планеты. Хотя, это чисто теория. Существует огромное количество дополнительных факторов, которые способны изменить эту ситуацию, и заставить спутник упасть на Землю. По этой причине на той же МКС постоянно проводится коррекция орбиты.