Órbitas alrededor de la tierra. órbita geoestacionaria. Satélites artificiales de la Tierra ¿Qué fuerza sostiene el satélite?

Así como los asientos en un teatro brindan diferentes perspectivas sobre una actuación, las diferentes órbitas de los satélites brindan una perspectiva, cada una con un propósito diferente. Algunos parecen flotar sobre un punto de la superficie, proporcionando una vista constante de un lado de la Tierra, mientras que otros dan vueltas alrededor de nuestro planeta, recorriendo muchos lugares en un día.

tipos de órbita

¿A qué altura vuelan los satélites? Hay 3 tipos de órbitas terrestres: alta, media y baja. Por regla general, muchos satélites meteorológicos y algunos de comunicación se encuentran en lo alto, más alejados de la superficie. Los satélites que giran en una órbita cercana a la Tierra media incluyen satélites de navegación y especiales diseñados para monitorear una región en particular. La mayoría de las naves espaciales científicas, incluida la flota del Sistema de Observación de la Tierra de la NASA, se encuentran en órbita baja.

La velocidad a la que vuelan los satélites depende de la velocidad de su movimiento. A medida que nos acercamos a la Tierra, la gravedad se vuelve más fuerte y el movimiento se acelera. Por ejemplo, el satélite Aqua de la NASA tarda unos 99 minutos en dar la vuelta a nuestro planeta a una altitud de unos 705 km, mientras que un aparato meteorológico a 35.786 km de la superficie tarda 23 horas, 56 minutos y 4 segundos. A una distancia de 384.403 km del centro de la Tierra, la Luna completa una rotación en 28 días.

Paradoja aerodinámica

Cambiar la altura de un satélite también cambia su velocidad orbital. Aquí hay una paradoja. Si el operador de un satélite quiere aumentar su velocidad, no puede simplemente poner en marcha los motores para acelerarlo. Esto aumentará la órbita (y la altura), lo que resultará en una disminución de la velocidad. En cambio, los propulsores deben dispararse en la dirección opuesta a la dirección de viaje del satélite, es decir, una acción que, en la Tierra, reduciría la velocidad de un vehículo en movimiento. Esta acción lo moverá más abajo, lo que aumentará la velocidad.

Características de la órbita

Además de la altitud, la trayectoria de un satélite se caracteriza por la excentricidad y la inclinación. El primero se relaciona con la forma de la órbita. Un satélite con una excentricidad baja se mueve a lo largo de una trayectoria casi circular. La órbita excéntrica tiene la forma de una elipse. La distancia de la nave espacial a la Tierra depende de su posición.

La inclinación es el ángulo de la órbita con respecto al ecuador. Un satélite que orbita directamente sobre el ecuador tiene inclinación cero. Si la nave espacial pasa sobre el norte y polos sur(geográfica, no magnética), su pendiente es de 90°.

Todos juntos -altura, excentricidad e inclinación- determinan el movimiento del satélite y cómo se verá la Tierra desde su punto de vista.

alto cerca de la tierra

Cuando un satélite alcanza exactamente los 42.164 km del centro de la Tierra (unos 36.000 km de la superficie), entra en una zona donde su órbita corresponde a la rotación de nuestro planeta. Dado que el vehículo se mueve a la misma velocidad que la Tierra, es decir, su período de revolución es de 24 horas, parece permanecer en su lugar en una sola longitud, aunque puede desplazarse de norte a sur. Esta órbita alta especial se llama geosíncrona.

El satélite se mueve en una órbita circular directamente sobre el ecuador (la excentricidad y la inclinación son cero) y se detiene en relación con la Tierra. Siempre se encuentra sobre el mismo punto de su superficie.

La órbita de Molniya (inclinación de 63,4°) se utiliza para la observación en latitudes altas. Los satélites geoestacionarios están vinculados al ecuador, por lo que no son adecuados para las regiones más al norte o al sur. Esta órbita es bastante excéntrica: la nave espacial se mueve en una elipse alargada con la Tierra cerca de un borde. Dado que el satélite acelera bajo la influencia de la gravedad, se mueve muy rápido cuando está cerca de nuestro planeta. Al alejarse, su velocidad disminuye, por lo que pasa más tiempo en la parte superior de la órbita en el borde más alejado de la Tierra, cuya distancia puede alcanzar los 40 mil km. El período orbital es de 12 horas, pero el satélite pasa alrededor de dos tercios de este tiempo sobre un hemisferio. Como una órbita semisincrónica, el satélite sigue el mismo camino cada 24 horas y se utiliza para la comunicación en el extremo norte o sur.

tierra baja

La mayoría de los satélites científicos, muchas estaciones meteorológicas y espaciales se encuentran en una órbita terrestre baja casi circular. Su pendiente depende de lo que están monitoreando. TRMM se lanzó para monitorear la lluvia en los trópicos, por lo que tiene una inclinación relativamente baja (35°) mientras permanece cerca del ecuador.

Muchos de los satélites de vigilancia de la NASA tienen una órbita casi polar muy inclinada. La nave espacial se mueve alrededor de la Tierra de polo a polo con un período de 99 minutos. La mitad del tiempo pasa por el lado diurno de nuestro planeta, y en el polo pasa al lado nocturno.

A medida que el satélite se mueve, la Tierra gira debajo de él. En el momento en que la nave espacial se mueve hacia el área iluminada, está sobre el área adyacente a la zona de paso de su última órbita. En un período de 24 horas, los satélites polares cubren la mayor parte de la Tierra dos veces: una durante el día y otra durante la noche.

Órbita heliosíncrona

Así como los satélites geosíncronos deben estar por encima del ecuador, lo que les permite permanecer por encima del mismo punto, los satélites de órbita polar tienen la capacidad de permanecer en el mismo tiempo. Su órbita es sincronizada con el sol: cuando una nave espacial cruza el ecuador, la hora solar local es siempre la misma. Por ejemplo, el satélite Terra lo cruza sobre Brasil siempre a las 10:30 horas. El próximo cruce en 99 minutos sobre Ecuador o Colombia también se produce a las 10:30 hora local.

Una órbita sincronizada con el sol es necesaria para la ciencia, ya que permite que la luz solar se mantenga en la superficie de la Tierra, aunque cambiará con la estación. Esta consistencia significa que los científicos pueden comparar imágenes de nuestro planeta de una estación a la siguiente durante varios años sin preocuparse por demasiados saltos en la iluminación que pueden dar la ilusión de cambio. Sin una órbita sincronizada con el sol, sería difícil rastrearlos a lo largo del tiempo y recopilar la información necesaria para estudiar el cambio climático.

La trayectoria del satélite es muy limitada aquí. Si está a una altitud de 100 km, la órbita debe tener una inclinación de 96°. Cualquier desviación no será válida. Debido a que la resistencia atmosférica y la atracción gravitacional del Sol y la Luna cambian la órbita de la nave espacial, debe corregirse con regularidad.

Inserción orbital: lanzamiento

El lanzamiento de un satélite requiere energía, cuya cantidad depende de la ubicación del sitio de lanzamiento, la altura y la inclinación de la trayectoria futura de su movimiento. Para llegar a una órbita distante, se requiere más energía. Los satélites con una inclinación significativa (por ejemplo, los polares) consumen más energía que los que giran alrededor del ecuador. La órbita de baja inclinación es asistida por la rotación de la Tierra. se mueve en un ángulo de 51.6397°. Esto es necesario para facilitar el alcance de los transbordadores espaciales y los cohetes rusos. La altura de la ISS es de 337-430 km. Los satélites polares, por otro lado, no son asistidos por el impulso de la Tierra, por lo que requieren más energía para recorrer la misma distancia.

Ajustamiento

Después de lanzar un satélite, se deben hacer esfuerzos para mantenerlo en una órbita determinada. Dado que la Tierra no es una esfera perfecta, su gravedad es más fuerte en algunos lugares. Este desnivel, junto con la atracción del Sol, la Luna y Júpiter (el planeta más masivo sistema solar), cambia la inclinación de la órbita. A lo largo de su vida útil, los satélites GOES se han corregido tres o cuatro veces. Los LEO de la NASA deben ajustar su inclinación anualmente.

Además, los satélites cercanos a la Tierra se ven afectados por la atmósfera. Las capas superiores, aunque bastante enrarecidas, ofrecen una resistencia lo suficientemente fuerte como para acercarlas a la Tierra. La acción de la gravedad conduce a la aceleración de los satélites. Con el tiempo, se queman, bajando en espiral y más rápido hacia la atmósfera, o caen a la Tierra.

La resistencia atmosférica es más fuerte cuando el Sol está activo. Así como el aire en un globo se expande y sube cuando se calienta, la atmósfera sube y se expande cuando el Sol le da energía extra. Las capas enrarecidas de la atmósfera ascienden y las más densas ocupan su lugar. Por lo tanto, los satélites en órbita terrestre deben cambiar su posición unas cuatro veces al año para compensar la resistencia atmosférica. Cuando la actividad solar es máxima, la posición del dispositivo debe ajustarse cada 2-3 semanas.

basura espacial

La tercera razón que obliga a cambiar la órbita es la basura espacial. Uno de los satélites de comunicaciones Iridium chocó con una nave espacial rusa que no funcionaba. Se estrellaron, formando una nube de escombros, que consta de más de 2500 partes. Cada elemento se ha agregado a la base de datos, que hoy cuenta con más de 18.000 objetos hechos por el hombre.

La NASA monitorea cuidadosamente todo lo que pueda estar en el camino de los satélites, porque la basura espacial ya ha tenido que cambiar de órbita varias veces.

Los ingenieros monitorean la posición de los desechos espaciales y los satélites que pueden interferir con el movimiento y planifican cuidadosamente las maniobras evasivas según sea necesario. El mismo equipo planifica y ejecuta maniobras para ajustar la inclinación y altura del satélite.

"El hombre debe elevarse por encima de la Tierra, hacia la atmósfera y más allá, porque solo de esta manera comprenderá completamente el mundo en el que vive".

Sócrates hizo esta observación siglos antes de que los humanos colocaran con éxito un objeto en la órbita terrestre. Y, sin embargo, el antiguo filósofo griego parece haberse dado cuenta de lo valiosa que puede ser una vista desde el espacio, aunque no sabía en absoluto cómo lograrlo.

Esta noción de cómo hacer que un objeto "dentra y salga de la atmósfera" tuvo que esperar hasta que Isaac Newton publicó su famoso experimento mental de la bala de cañón en 1729. Se ve algo como esto:

“Imagina que colocas un cañón en la cima de una montaña y lo disparas horizontalmente. La bala de cañón viajará paralela a la superficie de la Tierra por un tiempo, pero finalmente sucumbirá a la gravedad y volverá a caer a la Tierra. Ahora imagina que sigues agregando pólvora al cañón. Con explosiones adicionales, el núcleo viajará más y más hasta que caiga. Agrega la cantidad correcta de pólvora y dale al núcleo la aceleración correcta, y volará constantemente alrededor del planeta, siempre cayendo en un campo gravitatorio, pero nunca llegando al suelo.

en octubre de 1957 Unión Soviética finalmente confirmó la conjetura de Newton al lanzar el Sputnik 1, el primer satélite artificial en la órbita de la Tierra. Esto inició la carrera espacial y numerosos lanzamientos de objetos destinados a volar alrededor de la Tierra y otros planetas del sistema solar. Desde el lanzamiento del Sputnik, algunos países, principalmente Estados Unidos, Rusia y China, han lanzado más de 3.000 satélites al espacio. Algunos de estos objetos hechos por el hombre, como la ISS, son grandes. Otros caben perfectamente en un cofre pequeño. Gracias a los satélites recibimos el pronóstico del tiempo, vemos la televisión, navegamos por Internet y hacemos llamadas telefónicas. Incluso esos satélites, cuyo trabajo no sentimos ni vemos, sirven bien a los militares.

Por supuesto, el lanzamiento y operación de satélites ha dado lugar a problemas. Hoy, con más de 1.000 satélites operativos en órbita terrestre, nuestra región espacial más cercana está más ocupada que Gran ciudad en hora punta Agregue a eso equipos que no funcionan, satélites abandonados, piezas de hardware y fragmentos de explosiones o colisiones que llenan los cielos junto con equipos útiles. Estos desechos orbitales, de los que estamos hablando, se han acumulado a lo largo de los años y representan una seria amenaza para los satélites que actualmente giran alrededor de la Tierra, así como para futuros lanzamientos tripulados y no tripulados.

En este artículo, nos adentraremos en las tripas de un satélite común y lo miraremos a los ojos para ver vistas de nuestro planeta con las que Sócrates y Newton ni siquiera podrían soñar. Pero primero, echemos un vistazo más de cerca a cómo, de hecho, el satélite difiere de otros objetos celestes.

es cualquier objeto que se mueve en una curva alrededor del planeta. La Luna es un satélite natural de la Tierra, y junto a la Tierra hay muchos satélites hechos por manos humanas, por así decirlo, artificiales. El camino seguido por el satélite es una órbita, a veces tomando la forma de un círculo.

Para entender por qué los satélites se mueven de esta manera, debemos visitar a nuestro amigo Newton. Sugirió que la fuerza de la gravedad existe entre dos objetos en el universo. Si esta fuerza no existiera, los satélites que vuelan cerca del planeta continuarían su movimiento a la misma velocidad y en la misma dirección, en línea recta. Esta línea recta es la trayectoria inercial del satélite que, sin embargo, está equilibrada por una fuerte atracción gravitatoria dirigida hacia el centro del planeta.

A veces, la órbita de un satélite parece una elipse, un círculo aplanado que gira alrededor de dos puntos conocidos como focos. En este caso, funcionan todas las mismas leyes de movimiento, excepto que los planetas están ubicados en uno de los focos. Como resultado, la fuerza neta aplicada al satélite no se distribuye uniformemente a lo largo de su trayectoria y la velocidad del satélite cambia constantemente. Se mueve rápido cuando está más cerca del planeta, en el punto de perigeo (que no debe confundirse con el perihelio), y más lento cuando está más lejos del planeta, en el punto de apogeo.

Los satélites vienen en todas las formas y tamaños y realizan una amplia variedad de tareas.

• Los satélites meteorológicos ayudan a los meteorólogos a predecir el clima o ver qué sucede con él. este momento. El Satélite Ambiental Operacional Geoestacionario (GOES) es un buen ejemplo. Estos satélites suelen incluir cámaras que muestran el clima de la Tierra.
• Los satélites de comunicaciones permiten retransmitir conversaciones telefónicas vía satélite. La característica más importante de un satélite de comunicaciones es el transpondedor, una radio que recibe una conversación en una frecuencia, luego la amplifica y la transmite a la Tierra en una frecuencia diferente. Un satélite suele contener cientos o miles de transpondedores. Los satélites de comunicaciones suelen ser geosíncronos (más sobre esto más adelante).
• Los satélites de televisión transmiten señales de televisión de un punto a otro (similar a los satélites de comunicación).
• Los satélites científicos, como el otrora Telescopio Espacial Hubble, llevan a cabo todo tipo de misiones científicas. Observan todo, desde las manchas solares hasta los rayos gamma.
• Los satélites de navegación ayudan a los aviones a volar y a los barcos a navegar. Los satélites GPS NAVSTAR y GLONASS son representantes destacados.
• Los satélites de rescate responden a las señales de socorro.
• Los satélites de observación de la Tierra están notando cambios, desde la temperatura hasta los casquetes polares. Los más famosos son la serie Landsat.

Los satélites militares también están en órbita, pero gran parte de su funcionamiento sigue siendo un misterio. Pueden transmitir mensajes encriptados, monitorear armas nucleares, movimientos enemigos, advertir de lanzamientos de misiles, escuchar radio terrestre, realizar estudios de radar y mapeo.

¿Cuándo se inventaron los satélites?

Quizás Newton lanzó satélites en sus fantasías, pero antes de que lográramos esta hazaña, pasó mucho tiempo. Uno de los primeros visionarios fue el escritor de ciencia ficción Arthur C. Clarke. En 1945, Clark sugirió que se podía colocar un satélite en órbita de tal manera que se moviera en la misma dirección y a la misma velocidad que la Tierra. Los llamados satélites geoestacionarios podrían utilizarse para las comunicaciones.

Los científicos no entendieron a Clark, hasta el 4 de octubre de 1957. Luego, la Unión Soviética lanzó el Sputnik 1, el primer satélite artificial, a la órbita de la Tierra. El "Sputnik" medía 58 centímetros de diámetro, pesaba 83 kilogramos y tenía forma de bola. Aunque fue un logro notable, el contenido del Sputnik fue escaso para los estándares actuales:

• termómetro
• batería
• transmisor de radio
• gas nitrógeno que estaba presurizado dentro del satélite

En el exterior del Sputnik, cuatro antenas de látigo transmitían en frecuencias de onda corta por encima y por debajo del estándar actual (27 MHz). Las estaciones de seguimiento en la Tierra captaron una señal de radio y confirmaron que el pequeño satélite había sobrevivido al lanzamiento y estaba en curso con éxito alrededor de nuestro planeta. Un mes después, la Unión Soviética puso en órbita el Sputnik 2. Dentro de la cápsula estaba la perra Laika.

En diciembre de 1957, tratando desesperadamente de mantenerse al día con sus oponentes en guerra Fría, los científicos estadounidenses intentaron poner el satélite en órbita junto con el planeta Vanguard. Desafortunadamente, el cohete se estrelló y se quemó en la etapa de despegue. Poco después, el 31 de enero de 1958, EE. UU. repitió el éxito de la URSS al adoptar el plan de Wernher von Braun de lanzar el satélite Explorer-1 con EE. UU. piedra roja. Explorer 1 llevaba instrumentos para detectar rayos cósmicos y descubrió, en un experimento de James Van Allen de la Universidad de Iowa, que había muchos menos rayos cósmicos de lo esperado. Esto condujo al descubrimiento de dos zonas toroidales (que finalmente recibieron el nombre de Van Allen) llenas de partículas cargadas atrapadas en el campo magnético de la Tierra.

Alentadas por estos éxitos, algunas empresas comenzaron a desarrollar y lanzar satélites en la década de 1960. Uno de ellos fue Hughes Aircraft junto con el ingeniero estrella Harold Rosen. Rosen dirigió el equipo que hizo realidad la idea de Clarke: un satélite de comunicaciones colocado en la órbita de la Tierra de tal manera que pudiera reflejar las ondas de radio de un lugar a otro. En 1961, la NASA le otorgó a Hughes un contrato para construir una serie de satélites Syncom (comunicaciones síncronas). En julio de 1963, Rosen y sus colegas vieron a Syncom-2 despegar hacia el espacio y entrar en una órbita geosíncrona aproximada. El presidente Kennedy usó el nuevo sistema para hablar con el primer ministro de Nigeria en África. Syncom-3 pronto despegó, lo que en realidad podría transmitir una señal de televisión.

La era de los satélites ha comenzado.

¿Cuál es la diferencia entre un satélite y la basura espacial?

Técnicamente, un satélite es cualquier objeto que orbita un planeta o un cuerpo celeste más pequeño. Los astrónomos clasifican las lunas como satélites naturales y, a lo largo de los años, han recopilado una lista de cientos de estos objetos que orbitan los planetas y los planetas enanos de nuestro sistema solar. Por ejemplo, contaron 67 lunas de Júpiter. Y muy lejos.

Los objetos hechos por el hombre como el Sputnik y el Explorer también pueden clasificarse como satélites, ya que, al igual que las lunas, giran alrededor del planeta. Desafortunadamente, la actividad humana ha llevado al hecho de que apareció una gran cantidad de basura en la órbita de la Tierra. Todas estas piezas y escombros se comportan como grandes cohetes: giran alrededor del planeta a gran velocidad en una trayectoria circular o elíptica. En una interpretación estricta de la definición, cada uno de estos objetos puede definirse como un satélite. Pero los astrónomos, por regla general, consideran satélites a aquellos objetos que realizan una función útil. Los fragmentos de metal y otra basura entran en la categoría de desechos orbitales.

Los desechos orbitales provienen de muchas fuentes:

• La explosión del cohete que más basura produce.
• El astronauta relajó su brazo: si un astronauta está reparando algo en el espacio y pierde una llave, esa llave se pierde para siempre. La llave entra en órbita y vuela a una velocidad de unos 10 km/s. Si golpea a una persona o un satélite, los resultados pueden ser catastróficos. Los objetos grandes como la ISS son un gran objetivo para los desechos espaciales.
• Artículos desechados. Partes de contenedores de lanzamiento, tapas de lentes de cámaras, etc.

La NASA lanzó un satélite especial llamado LDEF para estudiar los efectos a largo plazo de los impactos de los desechos espaciales. En el transcurso de seis años, los instrumentos del satélite registraron alrededor de 20.000 impactos, algunos causados ​​por micrometeoritos y otros por desechos orbitales. Los científicos de la NASA continúan analizando los datos de LDEF. Pero en Japón ya existe una red gigante para atrapar basura espacial.

¿Qué hay dentro de un satélite ordinario?

Los satélites vienen en todas las formas y tamaños y realizan muchas funciones diferentes, pero todos son básicamente iguales. Todos ellos tienen un marco de metal o compuesto y un cuerpo que los ingenieros de habla inglesa llaman autobús, y los rusos llaman plataforma espacial. La plataforma espacial reúne todo y proporciona suficientes medidas para garantizar que los instrumentos sobrevivan al lanzamiento.

Todos los satélites tienen una fuente de energía (generalmente paneles solares) y baterías. Los paneles solares permiten cargar las baterías. Los últimos satélites también incluyen celdas de combustible. La energía satelital es muy costosa y extremadamente limitada. Las celdas de energía nuclear se usan comúnmente para enviar sondas espaciales a otros planetas.

Todos los satélites tienen una computadora a bordo para controlar y monitorear varios sistemas. Todos tienen radio y antena. Como mínimo, la mayoría de los satélites tienen un transmisor y un receptor de radio para que el personal de tierra pueda consultar y monitorear el estado del satélite. Muchos satélites permiten muchas cosas diferentes, desde cambiar la órbita hasta reprogramar el sistema informático.

Como era de esperar, poner todos estos sistemas juntos no es una tarea fácil. Lleva años. Todo comienza con la definición del propósito de la misión. Determinar sus parámetros permite a los ingenieros ensamblar las herramientas adecuadas e instalarlas en el orden correcto. Una vez que se aprueba la especificación (y el presupuesto), comienza el montaje del satélite. Se lleva a cabo en una sala limpia, en un ambiente estéril que mantiene la temperatura y la humedad correctas y protege al satélite durante el desarrollo y el montaje.

Los satélites artificiales generalmente se fabrican por encargo. Algunas empresas han desarrollado satélites modulares, es decir, estructuras que se pueden ensamblar para permitir la instalación de elementos adicionales de acuerdo con la especificación. Por ejemplo, los satélites Boeing 601 tenían dos módulos básicos: un chasis para transportar el subsistema de propulsión, la electrónica y las baterías; y un juego de repisas tipo panal para almacenamiento de equipos. Esta modularidad permite a los ingenieros ensamblar satélites no desde cero, sino desde cero.

¿Cómo se ponen en órbita los satélites?

Hoy en día, todos los satélites se ponen en órbita en un cohete. Muchos los transportan en el departamento de carga.

En la mayoría de los lanzamientos de satélites, el cohete se dispara directamente hacia arriba, lo que le permite atravesar la espesa atmósfera más rápido y minimizar el consumo de combustible. Después de que el misil despega, el mecanismo de control del misil utiliza el sistema de guía inercial para calcular los ajustes necesarios en la boquilla del misil para lograr la inclinación deseada.

Después de que el cohete ingresa al aire enrarecido, a una altura de aproximadamente 193 kilómetros, el sistema de navegación libera pequeñas raquetas, lo que es suficiente para voltear el cohete a una posición horizontal. Después de eso, se libera el satélite. Los pequeños cohetes se disparan de nuevo y proporcionan una diferencia de distancia entre el cohete y el satélite.

Altura y velocidad orbital

El cohete debe alcanzar una velocidad de 40.320 kilómetros por hora para escapar por completo de la gravedad de la Tierra y volar al espacio. La velocidad espacial es mucho mayor que la que necesita un satélite en órbita. No escapan a la gravedad terrestre, sino que se encuentran en un estado de equilibrio. La velocidad orbital es la velocidad requerida para mantener un equilibrio entre la atracción gravitatoria y el movimiento de inercia del satélite. Esto es aproximadamente 27.359 kilómetros por hora a una altitud de 242 kilómetros. Sin gravedad, la inercia llevaría al satélite al espacio. Incluso con la gravedad, si un satélite se mueve demasiado rápido, será lanzado al espacio. Si el satélite se mueve demasiado lento, la gravedad lo atraerá hacia la Tierra.

La velocidad orbital de un satélite depende de su altura sobre la Tierra. Cuanto más cerca de la tierra, más mayor velocidad. A una altitud de 200 kilómetros, la velocidad orbital es de 27.400 kilómetros por hora. Para mantener una órbita a una altitud de 35.786 kilómetros, el satélite debe girar a una velocidad de 11.300 kilómetros por hora. Esta velocidad orbital permite que el satélite realice una pasada cada 24 horas. Dado que la Tierra también gira 24 horas, el satélite a una altitud de 35.786 kilómetros se encuentra en una posición fija con respecto a la superficie de la Tierra. Esta posición se llama geoestacionaria. La órbita geoestacionaria es ideal para satélites meteorológicos y de comunicaciones.

En general, cuanto más alta es la órbita, más tiempo puede permanecer el satélite en ella. A baja altura, el satélite se encuentra en la atmósfera terrestre, lo que crea resistencia. A gran altura, prácticamente no hay resistencia, y un satélite, como la luna, puede estar en órbita durante siglos.

Tipos de satélite

En tierra, todos los satélites tienen el mismo aspecto: cajas brillantes o cilindros adornados con alas de paneles solares. Pero en el espacio, estas torpes máquinas se comportan de manera muy diferente según su trayectoria de vuelo, altitud y orientación. Como resultado, la clasificación de los satélites se convierte en un asunto complejo. Un enfoque consiste en determinar la órbita del vehículo en relación con el planeta (generalmente la Tierra). Recuerde que hay dos órbitas principales: circular y elíptica. Algunos satélites comienzan en una elipse y luego entran en una órbita circular. Otros se mueven en una trayectoria elíptica conocida como la órbita del "Relámpago". Estos objetos normalmente circulan de norte a sur a través de los polos de la Tierra y completan una órbita completa en 12 horas.

Los satélites de órbita polar también pasan por los polos con cada revolución, aunque sus órbitas son menos elípticas. Las órbitas polares permanecen fijas en el espacio mientras la Tierra gira. Como resultado, la mayor parte de la Tierra pasa por debajo del satélite en órbita polar. Dado que las órbitas polares brindan una excelente cobertura del planeta, se utilizan para mapeo y fotografía. Los meteorólogos también confían en una red global de satélites polares que dan la vuelta a nuestro globo en 12 horas.

También puede clasificar los satélites por su altura sobre la superficie terrestre. Según este esquema, hay tres categorías:

• Órbita terrestre baja (LEO): los satélites LEO ocupan una región del espacio de 180 a 2000 kilómetros sobre la Tierra. Los satélites que se mueven cerca de la superficie de la Tierra son ideales para fines de observación, militares y de recopilación de información meteorológica.
• Órbita terrestre media (MEO): estos satélites vuelan entre 2000 y 36 000 km sobre la Tierra. Los satélites de navegación GPS funcionan bien a esta altitud. La velocidad orbital aproximada es de 13.900 km/h.
• Órbita geoestacionaria (geosíncrona): los satélites geoestacionarios se mueven alrededor de la Tierra a una altitud superior a 36 000 km y a la misma velocidad de rotación que el planeta. Por lo tanto, los satélites en esta órbita siempre están posicionados en el mismo lugar de la Tierra. Muchos satélites geoestacionarios vuelan a lo largo del ecuador, lo que ha creado muchos "atascos de tráfico" en esta región del espacio. Varios cientos de satélites de televisión, comunicaciones y meteorológicos utilizan la órbita geoestacionaria.

Finalmente, uno puede pensar en los satélites en el sentido de dónde están "buscando". La mayoría de los objetos enviados al espacio en las últimas décadas están mirando a la Tierra. Estos satélites cuentan con cámaras y equipos que pueden ver nuestro mundo en diferentes longitudes de onda de luz, permitiéndonos disfrutar de un espectáculo impresionante en los tonos ultravioleta e infrarrojo de nuestro planeta. Menos satélites vuelven sus ojos al espacio, donde observan estrellas, planetas y galaxias, además de buscar objetos como asteroides y cometas que podrían colisionar con la Tierra.

Satélites conocidos

Hasta hace poco, los satélites seguían siendo dispositivos exóticos y de alto secreto utilizados principalmente con fines militares para la navegación y el espionaje. Ahora se han convertido en una parte integral de nuestra La vida cotidiana. Gracias a ellos conoceremos la previsión del tiempo (aunque los meteorólogos, ay, cuántas veces se equivocan). Vemos la televisión y trabajamos con Internet también gracias a los satélites. El GPS en nuestros automóviles y teléfonos inteligentes nos permite llegar al lugar correcto. ¿Vale la pena hablar de la invaluable contribución del telescopio Hubble y el trabajo de los astronautas en la ISS?

Sin embargo, hay verdaderos héroes de la órbita. Conozcámoslos.

1. Los satélites Landsat han estado fotografiando la Tierra desde principios de la década de 1970 y, en términos de observaciones de la superficie terrestre, son campeones. Landsat-1, conocido en ese momento como ERTS (Earth Resources Technology Satellite), fue lanzado el 23 de julio de 1972. Llevaba dos instrumentos principales: una cámara y un escáner multiespectral construido por Hughes Aircraft Company y capaz de registrar datos en verde, rojo y dos espectros infrarrojos. El satélite tomó imágenes tan hermosas y se consideró tan exitoso que le siguió una serie completa. La NASA lanzó el último Landsat-8 en febrero de 2013. Este vehículo voló dos sensores de observación de la Tierra, Operational Land Imager y Thermal Infrared Sensor, recopilando imágenes multiespectrales de las regiones costeras, Hielo polar, islas y continentes.
2. Los satélites ambientales operativos geoestacionarios (GOES) giran alrededor de la Tierra en una órbita geoestacionaria, cada uno responsable de una porción fija del globo. Esto permite a los satélites monitorear de cerca la atmósfera y detectar cambios en los patrones climáticos que pueden provocar tornados, huracanes, inundaciones y tormentas eléctricas. Los satélites también se utilizan para estimar la cantidad de precipitación y acumulación de nieve, medir el grado de cobertura de nieve y rastrear el movimiento del hielo marino y lacustre. Desde 1974, se han puesto en órbita 15 satélites GOES, pero solo dos satélites GOES Oeste y GOES Este están monitoreando el clima al mismo tiempo.
3. Jason-1 y Jason-2 han jugado un papel clave en el análisis a largo plazo de los océanos de la Tierra. La NASA lanzó Jason-1 en diciembre de 2001 para reemplazar el satélite NASA/CNES Topex/Poseidon que había estado orbitando la Tierra desde 1992. Durante casi trece años, Jason-1 ha medido los niveles del mar, la velocidad del viento y la altura de las olas en más del 95 % de los océanos sin hielo de la Tierra. La NASA retiró oficialmente a Jason-1 el 3 de julio de 2013. Jason 2 entró en órbita en 2008. Llevaba instrumentos de precisión para medir la distancia desde el satélite hasta la superficie del océano con una precisión de unos pocos centímetros. Estos datos, además de ser valiosos para los oceanógrafos, brindan una visión amplia del comportamiento de los patrones climáticos del mundo.

¿Cuánto cuestan los satélites?

Después del Sputnik y el Explorer, los satélites se han vuelto más grandes y complejos. Tomemos, por ejemplo, TerreStar-1, un satélite comercial que se suponía que proporcionaría transmisión de datos móviles en América del Norte para teléfonos inteligentes y dispositivos similares. Lanzado en 2009, TerreStar-1 pesaba 6910 kilogramos. Y cuando se desplegó por completo, reveló una antena de 18 metros y paneles solares masivos con una envergadura de 32 metros.

Construir una máquina tan compleja requiere una gran cantidad de recursos, por lo que históricamente solo los departamentos gubernamentales y las corporaciones con mucho dinero podían ingresar al negocio de los satélites. La mayor parte del costo de un satélite radica en el equipo: transpondedores, computadoras y cámaras. Un satélite meteorológico típico cuesta alrededor de 290 millones de dólares. El satélite espía costará 100 millones de dólares más. Agregue a esto el costo de mantenimiento y reparación de satélites. Las empresas deben pagar por el ancho de banda satelital de la misma manera que los dueños de teléfonos pagan por comunicación celular. A veces cuesta más de 1,5 millones de dólares al año.

Otro factor importante es el costo inicial. Lanzar un solo satélite al espacio puede costar entre 10 y 400 millones de dólares, dependiendo de la nave. El cohete Pegasus XL puede elevar 443 kilogramos a la órbita terrestre baja por 13,5 millones de dólares. Lanzar un satélite pesado requerirá más sustentación. Un cohete Ariane 5G puede lanzar un satélite de 18.000 kilogramos a una órbita baja por 165 millones de dólares.

A pesar de los costos y riesgos asociados con la construcción, el lanzamiento y la operación de satélites, algunas empresas han logrado construir negocios completos a su alrededor. Por ejemplo, Boeing. En 2012, la compañía entregó alrededor de 10 satélites al espacio y recibió pedidos durante más de siete años, generando casi $32 mil millones en ingresos.

El futuro de los satélites

Casi cincuenta años después del lanzamiento del Sputnik, los satélites, como los presupuestos, crecen y se fortalecen. Estados Unidos, por ejemplo, ha gastado casi 200.000 millones de dólares desde el inicio del programa de satélites militares y ahora, a pesar de todo esto, tiene una flota de vehículos viejos que esperan ser reemplazados. Muchos expertos temen que la construcción y el despliegue de grandes satélites simplemente no puedan existir con el dinero de los contribuyentes. La solución que podría ponerlo todo patas arriba sigue siendo empresas privadas como SpaceX y otras que claramente no quedarán atrapadas en el estancamiento burocrático como la NASA, la NRO y la NOAA.

Otra solución es reducir el tamaño y la complejidad de los satélites. Los científicos de Caltech y la Universidad de Stanford han estado trabajando desde 1999 en un nuevo tipo de satélite CubeSat, basado en bloques de construcción con un borde de 10 centímetros. Cada cubo contiene componentes listos para usar y se puede combinar con otros cubos para aumentar la eficiencia y reducir la carga de trabajo. Al estandarizar los diseños y reducir el costo de construir cada satélite desde cero, un solo CubeSat puede costar tan solo $ 100,000.

En abril de 2013, la NASA decidió probar este principio simple y tres CubeSats basados ​​en teléfonos inteligentes comerciales. El objetivo era poner en órbita los microsatélites durante un tiempo breve y tomar algunas fotografías con los teléfonos. La agencia ahora planea desplegar una extensa red de tales satélites.

Ya sean grandes o pequeños, los satélites del futuro deben poder comunicarse de manera efectiva con las estaciones terrestres. Históricamente, la NASA se ha basado en las comunicaciones de RF, pero la RF ha llegado a su límite a medida que ha surgido la demanda de más energía. Para superar este obstáculo, los científicos de la NASA están desarrollando un sistema de comunicación bidireccional basado en láseres en lugar de ondas de radio. El 18 de octubre de 2013, los científicos lanzaron por primera vez un rayo láser para transmitir datos desde la Luna a la Tierra (a una distancia de 384 633 kilómetros) y recibieron una tasa de transferencia récord de 622 megabits por segundo.

Tierra como cualquier cuerpo cósmico, tiene su propio campo gravitatorio y órbitas adyacentes, que pueden contener cuerpos y objetos de diferentes tamaños. La mayoría de las veces, se refieren a la Luna y la Estación Espacial Internacional. El primero va en su propia órbita, y la ISS, en órbita terrestre baja. Hay varias órbitas que difieren entre sí en la distancia a la Tierra, la posición relativa con respecto al planeta y la dirección de rotación.

Órbitas de satélites terrestres artificiales

Hasta la fecha, en el espacio cercano a la Tierra más cercano hay muchos objetos que son el resultado de la actividad humana. Básicamente, se trata de satélites artificiales que sirven para proporcionar comunicaciones, pero también hay mucha basura espacial. Uno de los satélites artificiales de la Tierra más famosos es la Estación Espacial Internacional.

Los AES se mueven en tres órbitas principales: ecuatorial (geoestacionaria), polar e inclinada. El primero se encuentra completamente en el plano del círculo ecuatorial, el segundo es estrictamente perpendicular a él y el tercero se encuentra entre ellos.

órbita geosíncrona

El nombre de esta trayectoria se debe a que el cuerpo que la recorre tiene una velocidad igual al período sideral de rotación de la Tierra. Una órbita geoestacionaria es un caso especial de una órbita geosíncrona que se encuentra en el mismo plano que el ecuador terrestre.

Con una inclinación no igual a cero y una excentricidad cero, el satélite, cuando se observa desde la Tierra, describe un ocho en el cielo durante el día.

El primer satélite en órbita geosíncrona es el estadounidense Syncom-2, lanzado en 1963. Hoy en día, en algunos casos, la colocación de satélites en órbita geosincrónica se debe a que el vehículo de lanzamiento no puede llevarlos a la órbita geoestacionaria.

órbita geoestacionaria

Esta trayectoria tiene tal nombre debido a que, a pesar del constante movimiento, el objeto que se encuentra sobre ella permanece estático con respecto a la superficie terrestre. El lugar donde se encuentra el objeto se llama punto de apoyo.

Los satélites lanzados a esa órbita a menudo se utilizan para transmitir televisión por satélite, porque la estática le permite apuntar la antena una vez y permanecer conectado durante mucho tiempo.

La altitud de los satélites en órbita geoestacionaria es de 35.786 kilómetros. Dado que todos están directamente sobre el ecuador, solo se nombra el meridiano para indicar la posición, por ejemplo, 180.0˚E Intelsat 18 o 172.0˚E Eutelsat 172A.

El radio aproximado de la órbita es de ~42.164 km, la longitud es de unos 265.000 km y la velocidad orbital es de unos 3,07 km/s.

Órbita elíptica alta

Una órbita elíptica alta es una trayectoria cuya altura en el perigeo es varias veces menor que en el apogeo. Poner satélites en tales órbitas tiene varias ventajas importantes. Por ejemplo, un sistema de este tipo puede ser suficiente para servir a toda Rusia o, en consecuencia, a un grupo de estados con un área total igual. Además, los sistemas HEO en latitudes altas son más funcionales que los satélites geoestacionarios. Y poner un satélite en una órbita elíptica alta es aproximadamente 1,8 veces más barato.

Grandes ejemplos de sistemas que funcionan en HEO:

• Observatorios espaciales lanzados por la NASA y la ESA.
• Radio satelital Sirius XM Radio.
• Comunicaciones por satélite Meridian, -Z y -ZK, Molniya-1T.
• Sistema de corrección GPS satelital.

Orbita terrestre baja

Esta es una de las órbitas más bajas que, dependiendo de diversas circunstancias, puede tener una altitud de 160-2000 km y un período orbital de 88-127 minutos, respectivamente. La única vez que LEO fue superado por una nave espacial tripulada fue el programa Apolo con el aterrizaje de astronautas estadounidenses en la luna.

La mayoría de los satélites terrestres artificiales actualmente en uso o alguna vez utilizados han operado en órbita terrestre baja. Por la misma razón, la mayor parte de la basura espacial se encuentra ahora en esta zona. La velocidad orbital óptima para los satélites LEO es, en promedio, de 7,8 km/s.

Ejemplos de satélites artificiales en LEO:

• Estación Espacial Internacional (400 km).
• Satélites de telecomunicaciones de varios sistemas y redes.
• Vehículos de reconocimiento y satélites de sondeo.

La abundancia de desechos espaciales en órbita es el principal problema moderno en toda la industria espacial. Hoy la situación es tal que la probabilidad de colisión de varios objetos en LEO está creciendo. Y esto, a su vez, conduce a la destrucción y a la formación de más más fragmentos y detalles. Los pronósticos pesimistas dicen que el Principio Dominó lanzado puede privar por completo a la humanidad de la oportunidad de explorar el espacio.

Órbita de referencia baja

Es habitual llamar a la órbita de referencia baja la órbita del dispositivo, que prevé un cambio en la inclinación, la altura u otros cambios significativos. Si el dispositivo no tiene motor y no realiza maniobras, su órbita se denomina órbita terrestre baja.

Curiosamente, la balística rusa y estadounidense calcula su altura de manera diferente, porque los primeros se basan en un modelo elíptico de la Tierra y los segundos en uno esférico. Debido a esto, existe una diferencia no solo en la altura, sino también en la posición del perigeo y el apogeo.

Para lanzar un satélite a una órbita cercana a la Tierra, es necesario darle una velocidad inicial igual a la primera velocidad espacial o ligeramente superior a la segunda. Esto no sucede inmediatamente, sino gradualmente. Un cohete portador de satélites de varias etapas aumenta lentamente su velocidad. Cuando la velocidad de su vuelo alcanza el valor calculado, el satélite se separa del cohete y comienza su libre movimiento en órbita. La forma de la órbita depende de la velocidad inicial que se le dé y de su dirección: sus dimensiones y excentricidad.

Si no hubiera resistencia del medio ambiente y la atracción perturbadora de la Luna y el Sol, y la Tierra tuviera una forma esférica, entonces la órbita del satélite no sufriría ningún cambio, y el satélite mismo se movería a lo largo de ella para siempre. Sin embargo, en realidad, la órbita de cada satélite cambia bajo la influencia de varias razones.

La fuerza principal que cambia la órbita del satélite es la desaceleración que se produce debido a la resistencia del medio enrarecido a través del cual vuela el satélite. Veamos cómo afecta su movimiento. Dado que la órbita de un satélite suele ser elíptica, su distancia a la Tierra cambia periódicamente. Disminuye hacia el perigeo y alcanza su distancia máxima en el apogeo. La densidad de la atmósfera terrestre disminuye rápidamente con el aumento de la altitud y, por lo tanto, el satélite encuentra la mayor resistencia cerca del perigeo. Habiendo gastado parte de la energía cinética para vencer esta, aunque pequeña, resistencia, el satélite ya no puede elevarse a su altura anterior y su apogeo disminuye gradualmente. También se produce la disminución del perigeo, pero mucho más lentamente que la disminución del apogeo. Así, las dimensiones de la órbita y su excentricidad disminuyen gradualmente: la órbita elíptica se acerca a la circular. El satélite se mueve alrededor de la Tierra en una espiral que se enrolla lentamente y eventualmente termina su existencia en las densas capas de la atmósfera terrestre, calentándose y evaporándose como un meteoroide. Con tamaños grandes, puede alcanzar la superficie de la Tierra.

Es interesante notar que la desaceleración del satélite no disminuye su velocidad, sino que, por el contrario, la aumenta. Hagamos algunos cálculos simples.

De la tercera ley de Kepler se sigue que

donde C es una constante, M es la masa de la Tierra, m es la masa del satélite, P es el período de su revolución y a es el semieje mayor de la órbita. Descuido

por la masa del satélite en comparación con la masa de la Tierra, obtenemos

Para simplificar los cálculos, tomemos la órbita del satélite como circular. Moviéndose a una velocidad constante υ, el satélite recorre la distancia υ Р = 2 πа a lo largo de la órbita durante una revolución completa, de donde Р = 2πa/υ. Sustituyendo este valor de P en la fórmula (9.1) y realizando transformaciones, encontramos

Entonces, con una disminución en el tamaño de la órbita y la velocidad del satélite aumenta v: la energía cinética del satélite aumenta debido a la rápida disminución de la energía potencial.

La segunda fuerza que cambia la forma de la órbita del satélite es la presión de la radiación solar, es decir, la luz y las corrientes corpusculares (viento solar). Para los satélites pequeños, esta fuerza prácticamente no afecta, pero para satélites como Pageos, es muy significativa. En el momento del lanzamiento, Pageos tenía una órbita circular y dos años más tarde se convirtió en una elíptica muy alargada.

El movimiento del satélite también se ve afectado por el campo magnético de la Tierra, ya que el satélite puede adquirir algo de carga eléctrica, y cuando se mueve en el campo magnético, deben ocurrir cambios en la trayectoria.

Sin embargo, todas estas fuerzas son perturbadoras. La principal fuerza que mantiene al satélite en su órbita es la fuerza de la gravedad. Y aquí nos encontramos con algunas características. Sabemos que como resultado de la rotación axial, la figura de la Tierra difiere de la esférica y que la gravedad de la Tierra no está dirigida exactamente al centro de la Tierra. Esto no afecta a objetos muy lejanos, pero un satélite situado cerca de la Tierra reacciona ante la presencia de “bulbos ecuatoriales” cerca de la Tierra. El plano de su órbita gira lenta pero regularmente alrededor del eje de rotación de la Tierra. Este fenómeno es claramente visible a partir de las observaciones realizadas durante un período de una semana. Todos estos cambios orbitales representan una gran interés científico, y por lo tanto se realizan observaciones sistemáticas del movimiento de los satélites artificiales.

Como saben, los satélites geoestacionarios cuelgan inmóviles sobre la tierra en el mismo punto. ¿Por qué no se caen? ¿No hay gravedad a esa altura?

Respuesta

Un satélite terrestre artificial geoestacionario es un aparato que se mueve alrededor del planeta en dirección este (en la misma dirección en que gira la Tierra), en una órbita ecuatorial circular con un período de revolución igual al período de rotación de la Tierra.

Así, si miramos desde la Tierra a un satélite geoestacionario, lo veremos colgado inmóvil en el mismo lugar. Debido a esta inmovilidad ya la gran altitud de unos 36.000 km, desde la que se ve casi la mitad de la superficie terrestre, los satélites repetidores de televisión, radio y comunicaciones se colocan en órbita geoestacionaria.

Por el hecho de que un satélite geoestacionario cuelga constantemente sobre el mismo punto en la superficie de la Tierra, algunas personas llegan a la conclusión errónea de que la fuerza de atracción de la Tierra no actúa sobre el satélite geoestacionario, que la fuerza de la gravedad desaparece a cierta distancia. de la Tierra, es decir, refutan al mismísimo Newton. Por supuesto que no lo es. El mismo lanzamiento de satélites a la órbita geoestacionaria se calcula con precisión de acuerdo con la ley de gravitación universal de Newton.

Los satélites geoestacionarios, como todos los demás satélites, en realidad caen a la Tierra, pero no alcanzan su superficie. Se ven afectados por la fuerza de atracción de la Tierra (fuerza gravitacional), dirigida hacia su centro, y en dirección opuesta, el satélite se ve afectado por la fuerza centrífuga que repelen de la Tierra (fuerza de inercia), que se equilibran entre sí - la El satélite no se aleja de la Tierra y no cae sobre ella exactamente igual que un cubo que gira sobre una cuerda permanece en su órbita.

Si el satélite no se moviera en absoluto, caería a la Tierra bajo la influencia de la atracción hacia él, pero los satélites se mueven, incluidos los geoestacionarios (geoestacionarios, con una velocidad angular igual a la velocidad angular de rotación de la Tierra, es decir, una revolución por día, y para los satélites de órbitas más bajas, la velocidad angular es mayor, es decir, tienen tiempo de dar varias vueltas alrededor de la Tierra en un día). La velocidad lineal informada al satélite paralelo a la superficie de la Tierra durante el lanzamiento directo a la órbita es relativamente grande (en órbita terrestre baja - 8 kilómetros por segundo, en órbita geoestacionaria - 3 kilómetros por segundo). Si no hubiera Tierra, entonces el satélite volaría a tal velocidad en línea recta, pero la presencia de la Tierra hace que el satélite caiga sobre ella bajo la influencia de la gravedad, doblando la trayectoria hacia la Tierra, pero la superficie de la tierra no es plana, es curva. En la medida en que el satélite se acerca a la superficie de la Tierra, la superficie de la Tierra pasa por debajo del satélite y, por lo tanto, el satélite está constantemente a la misma altura, moviéndose a lo largo de una trayectoria cerrada. El satélite está cayendo todo el tiempo, pero nunca puede caer.

Entonces, todos los satélites artificiales de la Tierra caen a la Tierra, pero a lo largo de una trayectoria cerrada. Los satélites están en un estado de ingravidez, como todos los cuerpos que caen (si el ascensor de un rascacielos se estropea y comienza a caer libremente, las personas que están dentro también estarán en un estado de ingravidez). Los astronautas dentro de la ISS están en ingravidez no porque la fuerza de atracción a la Tierra no actúe en órbita (es casi igual allí que en la superficie de la Tierra), sino porque la ISS cae libremente a la Tierra, a lo largo de un circuito circular cerrado. trayectoria.