Околоземная орбита что это
Классификация околоземных орбит
Классификация околоземных орбит
Околоземные орбиты, на которые запускаются космические аппараты, принято делить на следующие категории. Низкие околоземные орбиты (НОО) располагаются на высоте от 160 до 2000 км над поверхностью нашей планеты (в первом случае период обращения равен примерно 88 минут, во втором — 127 минут). Объекты, движущиеся на высотах менее 200 км, испытывают заметное торможение в самых верхних слоях атмосферы и достаточно быстро падают на Землю. Поэтому орбиты ниже 300 км для спутников обычно не применяются — время их существования на таких высотах сравнительно невелико. Верхнее значение определяется внутренней границей радиационных поясов с повышенной концентрацией заряженных частиц, способных повредить электронное оборудование и нанести серьезный ущерб здоровью космонавтов.
На изображении в масштабе показана Земля и околоземные орбиты. Область НОО отмечена синим. Источник: wikipedia.org
Все пилотируемые космические полеты — за исключением девяти экспедиций к Луне в рамках американской программы Apollo — проходили в области НОО либо были суборбитальными. Наибольшей высоты (опять же, не считая лунных миссий) достиг в сентябре 1966 г. экипаж корабля Gemini 11, имевшего апогей 1374 км. В данный момент все обитаемые орбитальные станции и подавляющее большинство прочих искусственных спутников Земли находятся на низких орбитах. Также на них сосредоточена большая часть космического мусора.
Тангенциальная скорость объекта (перпендикулярная к направлению на центр Земли), необходимая для нахождения на стабильной НОО, составляет примерно 7,8 км/с, уменьшаясь с ростом высоты. Для достижения таких орбит при старте с земной поверхности требуется ракета-носитель с характеристической скоростью от 9,4 км/с — дополнительные 1,5-1,6 км/с «расходуются» на аэродинамические и гравитационные потери.
Многие спутники дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) и аппараты военной разведки выводят на НОО, чтобы вести съемку наземных объектов с как можно более близкого расстояния и достичь максимально возможного разрешения. Эти же орбиты занимают некоторые телекоммуникационные спутники, так как на такой высоте им требуются менее мощные усилители сигнала. Однако каждый подобный аппарат движется достаточно быстро и охватывает ограниченный участок земной поверхности, поэтому в таком случае создаются целые сети («созвездия») из множества спутников — например, в спутниковой телефонной системе Iridium их более 70.
Часто используемая разновидность ННО — солнечно-синхронная орбита (ССО), иногда именуемая гелиосинхронной — рассчитывается таким образом, чтобы объект, находящийся на ней, проходил над любой точкой земной поверхности приблизительно в одно и то же местное солнечное время. Обычно такие орбиты имеют высоту порядка 800 км и наклонение около 90° (их плоскости почти перпендикулярны к плоскости земного экватора). Если спутник на ССО ведет съемку поверхности, на всех его проходах угол падения солнечных лучей окажется примерно одинаковым. Например, спутник LandSat-7 может пересекать экватор 15 раз в сутки, каждый раз в 10:00 местного времени. Для аппаратов, ведущих наблюдения за Солнцем или требующих стабильного электроснабжения за счет использования фотогальванических панелей, можно подобрать орбитальные параметры, при которых они практически не будут попадать в тень Земли. Орбиты выбираются таким образом, чтобы солнечная и лунная гравитация вызывала их прецессию в восточном направлении на 360° в год (чуть меньше чем на 1° в сутки), компенсируя вращение нашей планеты вокруг Солнца.
Спутниковое созвездие Iridium (концепт). Источник: Iridium
После окончания функционирования искусственных космических объектов осуществляется их увод на орбиту захоронения, как правило, лежащую выше их рабочей орбиты (чтобы дополнительно ослабить влияние атмосферы). В частности, низкоорбитальные разведывательные спутники с ядерной энергетической установкой — в т.ч. радиолокационные — отправляют на высоту порядка 650-1000 км, где расчетный срок их существования составляет порядка 2 тыс. лет. Часто туда отправляется не сам спутник, а только активная зона реактора. Считается, что за этот срок в ней распадутся самые вредные радиоактивные изотопы… либо же человечество изобретет способ утилизировать опасную технику.
Выше 2000 км находится зона так называемых средних околоземных орбит. Их использует сравнительно малое количество космических аппаратов — в основном научно-исследовательских и навигационных (в частности, спутники системы GPS движутся по орбитам высотой 20 350 км с периодом обращения 12 часов). Главная проблема в этой области пространства связана с радиационными поясами и содержащимися в них высокоэнергетическими заряженными частицами.
Верхнюю границу «средней» зоны отмечают геосинхронные орбиты (ГСО) — они имеют радиус 42 164 км, что соответствует высоте над уровнем моря 35 786 км. Период обращения объектов на таких орбитах равен звездным суткам (23 часа 56 минут 4,1 секунды). Их частным случаем является геостационарная орбита — круговая и лежащая в плоскости земного экватора (0° широты). Спутник, движущийся по ней, фактически оказывается «висящим» над одной и той же точкой Земли. Поэтому приемная антенна, однажды направленная на него, не будет требовать дальнейшего наведения. Очевидно, такие орбиты особенно удобны для телекоммуникационных аппаратов, а также специализированных метеорологических обсерваторий, ведущих мониторинг определенного региона.
Если орбита наклонена к экватору и имеет небольшой эксцентриситет, то при наблюдении с Земли спутник в течение суток будет описывать на небе «восьмерку». В некоторых случаях «восьмерка» может выродиться в эллипс (как у спутников серии Canyon), а при значительном эксцентриситете и нулевом наклонении — в отрезок прямой, лежащий в экваториальной плоскости.
Схема, показывающая разницу между круговой и эллиптической орбитой. Источник: http://mediasat.info
Идеальная ГСО практически недостижима, так как аппараты на ней испытывают также притяжение со стороны Луны и Солнца, воздействие земного магнитного поля, солнечного ветра и другие посторонние возмущения, «сталкивающие» их с точки стояния. Поэтому на борту геостационарных спутников предусмотрена корректирующая двигательная установка с запасом топлива. Кроме того, такие спутники не видны из местностей в окрестностях полюсов, простирающихся приблизительно до 81° северной и южной широты.
Дважды в году (вблизи весеннего и осеннего равноденствий) возникают ситуации, когда телекоммуникационные аппараты на ГСО проецируются на солнечный диск. В это время связь через них затруднена, а иногда вообще невозможна.
Геостационарная орбита захоронения расположена примерно на 200 км выше «стандартной» ГСО. Туда отправляют спутники, выработавшие свой ресурс или исчерпавшие запасы горючего для бортовых двигателей. Далее до расстояния порядка 300 тыс. км (точнее, до точки Лагранжа L1 системы «Земля-Луна») находится область высоких околоземных орбит. Пока они используются довольно редко — в частности, в этой области пространства сейчас работает космический телескоп TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite).
Что такое околоземная орбита и в чем ее польза для человечества — Max Polyakov
Вокруг Земли вращается более трех тысяч спутников, которые помогают человечеству. Они дают продвинутую связь, системы навигации, а также собирают точные данные о проблемах планеты — от уровня загрязнения до вероятности стихийных бедствий, чтобы достигать целей “устойчивого развития” ООН.
Редакция сайта MaxPolyakov.Space объясняет, что такое околоземная орбита и какую пользу принесло ее исследование человечеству.
Ночью без телескопа можно увидеть относительно небольшой участок вселенной. Самый дальний объект, который способны уловить глаза человека— это блеклое пятно, Туманность Андромеды, галактики на расстоянии около 2,5 млн световых лет от Земли.
Намного ближе, всего в нескольких сотнях километров от поверхности Земли находится околоземная орбита.
Благодаря ее исследованию стали доступными спутниковое телевидение, беспроводной интернет, точные прогнозы погоды, GPS — спутниковая система навигации, которая определяет местоположение человека со смартфоном практически в любой точке Земли с точностью до 6-8 метров.
Наука и технологии активно осваивают околоземное пространство, но, к сожалению, для многих людей эта сфера остается крайне недооцененной. К примеру, в США лишь 5% граждан могут назвать себя хорошо проинформированными об исследовании космоса, а в Евросоюзе чуть больше трети опрошенных способны объяснить, чем занимается аэрокосмическое агентство.
Многие люди даже не догадываются, насколько часто используют космические технологии для самых рутинных задач.
К примеру, в среднем люди проводят со смартфоном в руках более двух часов в день, в том числе, используя навигатор, работа которого была бы невозможна без спутниковой поддержки. Еще 10 лет назад без такого устройства в смартфонах было легко заблудиться в новом городе.
Все эти возможности обслуживают искусственные спутники, коих насчитывается более трех тысяч, наибольшая группировка спутников принадлежит США — 1,8 тыс. аппаратов.
Что такое околоземная орбита
Орбита — это траектория вращения одного небесного тела вокруг другого, обладающего значительно большей массой. Например, Земли вокруг Солнца или Луны вокруг Земли.
Орбита вокруг Земли называется низкой околоземной орбитой. Это условная сфера вокруг планеты от поверхности до высоты 2 тыс. км над уровнем моря. Чаще всего используется для обозначения орбиты космического аппарата вокруг Земли, имеет высоту в пределах 160 км (с орбитальным периодом около 88 минут) до 2 тыс. км (примерно 127 минут).
Для сравнения, максимальная высота, на которую способен подняться гражданский самолет, не достигает и 20 км. Пассажирский самолет Boeing 737 из Киева в Берлин, у которого высота полета в среднем 7 км, для выхода на орбиту должен был бы подняться более чем в 20 раз. На низкой околоземной орбите находятся искусственные спутники и Международная космическая станция, там же осуществлялись все пилотируемые космические полеты (за исключением программы полетов на Луну).
Современное представление об орбите прозвучало из уст польского астронома Николая Коперника в XVI веке, который отметил, что Земля — такая же планета, как и Венера или Сатурн, и все они по орбитам вращаются вокруг Солнца. В последующий век ученые активно развивали эту теорию, вычисляли периоды вращения планет и находили спутники на орбитах некоторых из них, пока наконец античная идея о Земле как центре Вселенной не отошла в историю.
Наука объяснила, что небесные тела держатся вместе, создавая устойчивую систему из звезды в центре и планет, которые вращаются вокруг нее. А в конце XVII века англичанин Исаак Ньютон дал имя силе, что движет материей, открыв гравитацию.
Если ученые тех времен только стремились к познанию природы, то в веке XIX исследователи желали попасть за пределы привычного мира. Тогда знаменитый писатель-фантаст Жюль Верн впервые научно описал полет с Земли на Луну. В то же время ученые выдвигали теории ракетных полетов для выхода в космос, и после Второй мировой войны США, СССР и другие страны мира начали активно развивать эту технологию, в частности для военных целей.
К примеру, первый искусственный спутник Земли — советский “Спутник-1” в 1957 году — был доставлен на орбиту именно межконтитальной баллистической ракетой. Этот аппарат имел прорывное научное значение: благодаря устройству стало возможным изучение верхних слоев атмосферы, что было невозможным раньше. Последующие спутники продолжили приносить пользу науке — так, благодаря американскому “Эксплорер-1”, запущенному уже в 1958 году, был открыт радиационный пояс.
Как устроена орбита
Орбита вокруг Земли — явление неоднородное, и астрономия разделяет ее по высоте.
На расстоянии 35 тыс. км находится геостационарная орбита, на которой аппараты вращаются одновременно с Землей, “зависая” на одной долготе.
Эта орбита критически важна для мониторинга погоды, поскольку спутники на ней способны с большой высоты всегда следить за одним и тем же участком планеты.
Как это работает? Пользователь заходит на сайт, чтобы проверить прогноз погоды и смотрит на спутниковые изображения своего населенного пункта. На сайт снимки попали с геостационарной орбиты, на которой находятся специальные спутники. Они каждые пару минут обновляют и отправляют информацию об облаках, водяном паре, ветре, чтобы спрогнозировать погоду в населенном пункте.
Существуют еще несколько видов орбит. Например, “Молния”, имеющая вытянутую эллиптическую форму, где один конец ближе к Земле, чем другой. Вся совокупность орбит хорошо изложена в каталоге NASA.
Наиболее близкая к поверхности — низкая околоземная орбита, расположенная на высоте от 160 до 2 тыс. км. На ней находились все космические станции, а также большая часть спутников — почти 2000.
На этой орбите человек не может выжить без системы жизнеобеспечения, которую используют космонавты для выхода в открытый космос.
Пространство на низкой околоземной орбите не пустое — туда проникают атмосферные газы, которые оказывают на орбитальные объекты хоть и небольшое, но все же влияние, примерно как поток воздуха на пулю, выпущенную из винтовки, разве что в разы слабее. Температура в этом пространстве в среднем составляет около 10 градусов Цельсия. Низкая околоземная орбита — это в принципе не очень далеко от поверхности планеты, так что некоторая схожесть условий не должна вызывать удивления.
На орбитах находятся спутники, работающие во благо человечества. Некоторые спутники работают в течение 15 лет.
Неработающие объекты — это космический мусор. Его устранением занимаются космические компании по всему миру, потому что они представляют опасность для работающих спутников: могут наносить повреждения, которые потом необходимо устранять, либо влиять на точность данных со спутников.
В чем польза орбиты для человечества
Сейчас, когда вокруг Земли уже вращаются тысячи рукотворных объектов, освоение космоса идет рука об руку с экономическим развитием человечества. По данным NASA, освоение космоса приносит не только технологическую и культурную пользу, но и регулярно дает новые взгляды на решение старых земных проблем. Улучшенные солнечные панели, которые превращают энергию солнца в электричество, многие медицинские технологии, сверхлегкие сплавы металлов, системы очистки воды, продвинутая электроника и многое другое. Без всего этого невозможно представить современную жизнь, которую человечество получило благодаря выходу цивилизации в космос.
Перечислим основные достижения выхода на орбиту:
Использование околоземной орбиты раскрывает новые возможности и для бизнеса — например, в NASA считают, что коммерческие программы могут в перспективе создать самостоятельную, устойчивую и быстро развивающуюся орбитальную экономику, где ведущая роль отведена частным предприятиям.
Тем временем уже сегодня затраты на вывод одного спутника на орбиту сократились почти вчетверо. Несложно представить, сколько возможностей для экономики и науки в обозримом будущем даст нам околоземная орбита. Компании начнут соревноваться за право отправить в космос ракету. У человечества есть все необходимое, чтобы реализовать этот потенциал. Главное — продолжать идти по намеченному пути и достигать новых целей, чтобы улучшать жизнь на Земле.
НОО — низкая опорная орбита
Низкая околоземная орбита
НОО – низкая опорная орбита или (низкая околоземная орбита, официальный международный термин LEO.), орбита для космических аппаратов околоземного пространства. Орбита так называется «опорная» если предполагаемый космический аппарат может изменить свою высоту. На низкой околоземной орбите присутствует большее количество спутников, но и космический мусор в большом количестве. Считается, что космический аппарат, расположенный на низкой околоземной орбите может двигаться с первой космической скоростью по круговой или эллиптической траектории. Минимальное нахождение на самой низкой опорной орбите не менее одного витка вокруг Земли. Примером может служить транспортный космический пилотируемый аппарат «Союз-ТМА».
Низкая опорная орбита вошла в международные термины с первыми запусками четырёх ступенчатой ракеты 8К78 «Молния». После трех или четырех оборотов вокруг Земли, четвертая ступень запускалась для отправки межпланетных автоматических станций.
Параметры Низкой околоземной орбиты
Минимальная высота (перигее) – 193 км.
Максимальная высота (апогее) – 220 км.
Наклон – 51,6 градусов.
Оборот вокруг Земли с первой космической скоростью – около 88,3 минуты.
При вычислении траектории и высоты космического аппарата, Российские и Американские баллисты пользуются разными методами. Российские указывают высоту над эллипсоидом, в то время как американские баллисты над сферой. Таким образом, получается небольшая разница в показаниях, примерное смещение апогея и перигея на 20 км.
Благодаря земному вращению, космические ракеты могут выводить большее количество грузов, затрачивая меньшее количество энергии. Грузоподъёмность зависит от наклона к околоземной орбите и плоскости экватора. Наиболее благоприятные условия для грузового ракетоносителя считается, если предполагаемая для космического аппарата низкая околоземная орбита наклонена ближе к экватору. Космодром, который совпадает с такой широтой, наиболее энергоемкий для таких запусков. Космодромам, которые находятся дальше от экваториальной зоны, не выгодно запускать свои ракеты-носители в связи с большими энегрозатратами. Пример такому расположению стал Российский космодром Байконур в Казахстане с широтой в 46 градусов из-за ограничения в 48,5 градусов для НОО и падения останков частей ракеты-носителей. Космодром Байконур в основном использует для запусков наклонение в 51,6 градуса.
Вывод космического аппарата на НОО
Считается, что чем ниже опорная орбита, тем больший груз можно вывести на нее при прочих разных условиях. Так и поступают многие космические агентства мира для вывода в космос пилотируемых и непилотируемых космических аппаратов. В мировой практике, время полета до вхождения в плотные слои атмосферы до одних суток, не используется т.к. могут возникнуть проблемы при отказах аппаратуры. Проблемы могут возникнуть в погрешностях аппаратуры на КА и ошибках вычисления околоземной орбиты. Такие космические аппараты могут раньше сойти с орбиты и сгореть в атмосфере, чем принять орбитальный маневр для подъема выше. Тем не менее, были случаи вывода КА на орбиту с обращением менее 88 минут и перигеем 120-150 км. Над уровнем моря. Пример: автоматическая космическая станция Луна 7 (129 км), спутники семейства KH-7 Gambit.
Как используется низкая околоземная орбита
Данный тип орбиты используется не только как опорная для КА, но и как рабочая. Околоземная орбита считается с апогеем до 2000 км. Особая орбита считается солнечно-синхронная орбита для запуска спутников дистанционного зондирования земного пространства.
После окончания программы «Аполлон» в 1972 году, все пилотируемые полеты в космосе происходят на НОО. Примером тому стоит МКС, но в связи с интенсивным использованием всеми странами экономически выгодной НОО, на ней собралось большое количество космического мусора, тем самым он затрудняет эксплуатацию МКС на околоземной орбите.
В американском центре (JSpOC) следят за 8 500 объектами размером более 10 см. Но даже объект размером в несколько миллиметров, может двигаться со скоростью более 8 км в секунду. Такие мельчайшие песчинки могут устроить катастрофу даже на МКС.
Космический мусор
Время существования спутников на низкой околоземной орбите
Жизнь и работа спутника на любой низкой орбите зависит от многих факторов. Наиболее сильное влияние зависит от Луны, а так же высоты апогея спутника. Например, неудачная эксплуатация американского спутника «Эксплорер-6» на орбите ИСЗ, которая менялась раз в три месяца в диапазоне от 160-250 км., что привело к уменьшению срока службы с 20 до 2 лет.
Другие факторы влияющие на работу спутников это, время суток. В полдень атмосфера разогревается на высоту до 300 км и становится плотнее, тем самым тормозит спутник, ускоряя его снижение высоты. Не маловажную роль в сроке жизни спутника играет его форма, а именно его площадь поперечного сечения (миделя). Спутники, предназначенные для работы на низких околоземных орбитах, имеют обтекаемую, а зачастую и стреловидную форму корпуса для хорошей аэродинамической обтекаемости.
Особенности расположения КА на низкой околоземной орбите
Космический аппарат, находящийся на низкой орбите, значительно быстрее обращается вокруг Земли. Находящийся спутник или КА должен иметь большую скорость для того, что бы сбалансировать силу гравитации и скорость. Средняя скорость КА на данной орбите, около 8 км в секунду с периодом обращения около 88-90 минут вокруг Земли.
Низкое расположение спутника уменьшает потерю качества телекоммуникационного сигнала связи по сравнению с другими, более высокими орбитами.
Космическая и солнечная радиация значительно меньше влияет на работу аппаратуры спутников на НОО из-за магнитного поля Земли.
Меньшая затрата при доставке спутников на низкие околоземные орбиты и большая их масса.
Какие спутники и КА в основном размещают на НОО
Международная Космическая Станция (МКС) в пределах от 320 км., и до 400 км., в апогее, околоземная орбита. Иногда МКС можно увидеть невооружённым глазом.
Какие бывают околоземные орбиты?
Во время наших прямых трансляций (а транслируем мы космические запуски) у людей часто возникают вопросы вида: «А что такое геостационарная орбита?», «А на какой высоте находится МКС?», «Орбита «Молния»? Это как!?». Мы решили перевести для вас замечательный каталог орбит NASA, а начнём как раз с околоземных орбит!
Когда спутник достигает высоты ровно в 42164 километров от центра Земли (около 36 000 километров от поверхности Земли), он попадает в своеобразное орбитально «яблочко», место, где скорость его вращения вокруг Земли совпадает со скоростью вращения Земли вокруг своей оси. Поскольку эти скорости одинаковы, аппарат «зависает» вдоль одной долготы, хотя и может дрейфовать с севера на юг. Такая высокая орбита называется геосинхронной.
Спутник на круговой геосинхронной орбите непосредственно над экватором (эксцентриситет и наклонение равны нулю) будет иметь геостационарную орбиту, которая не перемещается относительно Земли вообще. Он всегда находится прямо над одним и тем же местом на поверхности Земли.
Геостационарная орбита чрезвычайно важна для мониторинга погоды, поскольку спутники на этой орбите обеспечивают постоянное наблюдение одной и той же области планеты. Когда вы заходите на любимый сайт проверить погоду и смотрите на спутниковые снимки своего родного города, изображение, которое вы видите, пришло от спутника на геостационарной орбите. Каждые несколько минут геостационарные спутники, такие как аппараты Geostationary Operational Environmental Satellite (GOES), отправляют информацию об облаках, водяном паре и ветре, и этот почти постоянный поток информации служит основой для большинства метеорологических наблюдений и прогнозирования.
Спутники на геостационарной орбите вращаются непосредственно над экватором, постоянно находясь над одной и той же областью. Это положение позволяет спутникам наблюдать за погодой и другими явлениями, которые часто меняются. Credit: NASA/Marit Jentoft-Nilsen and Robert Simmon.
Поскольку геостационарные спутники всегда находятся в одном месте, они также могут быть полезны для телефонной, теле- и радиосвязи. Созданные и запущенные NASA и управляемые Национальным управлением океанических и атмосферных исследований (NOAA), спутники GOES обеспечивают связь с поисково-спасательными маяками, которые помогают находить суда и самолеты, терпящие крушение.
Наконец, многие спутники на высокой орбите контролируют солнечную активность. Спутники GOES несут на себе большой набор инструментов для исследования «космической погоды»: они получают изображения Солнца и отслеживают магнитные и радиационные уровни в космосе вокруг аппаратов.
Есть и другие орбитальные «яблочки», расположенные непосредственно за пределами высокой околоземной орбиты — это точки Лагранжа. В точках Лагранжа земное притяжение компенсирует притяжение Солнца. Все, что находится в этих точках, притягивается к Земле и к Солнцу с одинаковой силой. Это такой баланс, в котором нам не нужно тратить топливо, чтобы удерживать орбиту аппарата постоянной.
Из пяти точек Лагранжа в системе Солнце-Земля только последние две, называемые L4 и L5, являются стабильными. Спутник в трех других точках подобен шару, оставленному на вершине крутого холма: любое небольшое возмущение выталкивает спутник из точки Лагранжа, словно мяч, который при малейшем взаимодействии скатится по холму вниз. Спутники в этих трех точках нуждаются в постоянной корректировке, чтобы оставаться сбалансированными. Аппараты в последних двух точках Лагранжа больше похожи на шар в глубокой тарелке: даже если их немного подтолкнуть, они вернутся в точку Лагранжа (в центр тарелки в нашей аналогии).
Точки Лагранжа — это специальные места, где спутник останется неподвижным относительно Земли, пока и спутник и Земля вращаются вокруг Солнца. L1 и L2 расположены выше дневных и ночных сторон Земли соответственно. L3 находится по обратную сторону Солнца, напротив Земли. L4 и L5 — в 60° впереди и позади Земли на одной орбите. Credit: NASA/Robert Simmon.
Ближайшие к Земле точки Лагранжа находятся примерно в 5 раз дальше, чем Луна. L1 находится между Солнцем и Землей и всегда обращена к дневной стороне Земли. L2 находится напротив солнца, всегда на ночной стороне. Credit: NASA/Robert Simmon.
Первая точка Лагранжа расположена между Землей и Солнцем, что позволяет спутникам в этой точке постоянного наблюдать за нашей звездой. Солнечная и гелиосферная обсерватория (SOHO), спутник НАСА и Европейского космического агентства, которому поручено контролировать Солнце, обращается вокруг первой точки Лагранжа примерно в 1,5 миллионах километров от Земли.
Вторая точка Лагранжа находится примерно на том же расстоянии от Земли, но расположена за Землей относительно Солнца — Земля всегда находится между второй точкой Лагранжа и звездой. Поскольку Солнце и Земля находятся на одной линии, спутники в этом месте нуждаются только в одном тепловом щите, который будет блокировать тепло и свет, исходящие от Солнца и Земли. Это хорошее место для космических телескопов, в том числе для будущего космического телескопа им. Джеймса Уэбба (запуск ожидается в 2021 году). В этой же точке, например, работал зонд WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), исследовавший реликтовое излучение Вселенной с 2001 по 2009 год — именно его наблюдения помогли значительно продвинуться в теории тёмной материи и тёмной энергии.
Третья точка Лагранжа находится по другую сторону Солнца от Земли, так что Солнце всегда находится между ней и Землей. Без специальных ретрансляторов спутник в таком положении не сможет общаться с Землей — Солнце заблокирует прямые сигналы.
Крайне стабильные четвертая и пятая точки Лагранжа находятся на орбите Земли вокруг Солнца, на 60 градусов впереди и позади нашей планеты. Двойная солнечная обсерватория (STEREO) на своём пути к противоположным сторонам Солнца проходили именно четвертую и пятую точки Лагранжа — это позволяет создавать стереоскопические изображения звезды.
5 июля 2009 года два аппарата Двойной солнечной обсерватории (STEREO) на пути к точкам L4 и L5 сделали эти снимки солнечного пятна 1024. Виды Солнца в 60 градусов позади (на изображении — слева) и впереди (справа) от орбиты Земли показывают области поверхности Солнца, которые иначе были бы скрыты от зрения. Credit: NASA/STEREO.
Ближе к Земле спутники начинают вращаться быстрее. Стоит отметить две средние околоземные орбиты: полусинхронная орбита и Молния.
Полусинхронная орбита представляет собой околокруговую орбиту (с низким эксцентриситетом) на высоте 26 560 километров от центра Земли (около 20 200 км над поверхностью). Один полный оборот вокруг планеты на такой орбите происходит за 12 часов. Однако пока полусинхронный спутник вращается, Земля под ним тоже движется вокруг своей оси. Ежедневно такой аппарат пролетает над одними и теми же двумя точками на экваторе. Эта орбита является постоянной и очень предсказуемой. Именно она используется спутниками глобальной системы позиционирования (GPS).
Вторая известная средняя орбита Земли — орбита Молнии. Впервые она была использована Советским Союзом, а её особенность помогает наблюдать за высокими широтами. Геостационарная орбита полезна и удобна для постоянного наблюдения, но спутники на геостационарной орбите «подвешены» над экватором, поэтому они плохо работают в отдаленных северных или южных районах, которые всегда находятся на краю обзора геостационарных аппаратов. Орбита Молния является удобной альтернативой.
Орбита Молния сочетает в себе высокое наклонение (63,4°) с высоким эксцентриситетом (0,722), чтобы максимизировать время наблюдений в высоких широтах. Каждый оборот длится 12 часов, поэтому медленная, высотная часть орбиты повторяется в одном и том же месте каждую день и ночь. В настоящее время этот тип орбиты используют российские спутники связи и аппараты Sirius (Адаптированное цитирование книги «Основы космических систем» Винсента Л. Писакана, 2005 г.)
У Молнии высокий эксцентриситет: спутник движется по очень вытянутому эллипсу, ближе к одному из краёв которого находится Земля. Поскольку такой аппарат ускоряется силой притяжения нашей планеты, спутник движется очень быстро, когда он приближается к Земле. Когда он отдаляется, его скорость замедляется, поэтому он проводит больше времени на вершине своей орбиты, наиболее удаленной от Земли. Один полный оборот на такой орбите занимает 12 часов, но две трети этого времени аппарат видит лишь одно полушарие. Как и в случае полусинхронной орбиты, аппарат на Молнии проходит один и тот же путь каждые 12 часов. Это может быть полезно для связи на крайнем севере или юге.
Низкая околоземная орбита
Большинство научных спутников и множество метеорологических спутников находятся на почти круговой низкой околоземной орбите. Наклонение спутника зависит от того, с какой целью он запускается. Спутник TRMM, например, был запущен в 1997 году для мониторинга осадков в тропиках. Поэтому он имел относительно низкое наклонение (35 градусов) и оставался вблизи экватора, исправно выполняя свою миссию вплоть до 2015 года.
Низкое наклонение орбиты TRMM (всего 35° от экватора) позволяло его инструментам концентрироваться на тропиках. На этом изображении показана половина наблюдений, которые TRMM производил за один день. Credit: NASA/TRMM.
Многие спутники программы NASA по наблюдению за Землёй имеют почти полярную орбиту. На этой сильно наклоненной орбите спутник перемещается вокруг Земли от полюса к полюсу, совершая один оборот примерно за 99 минут. На одной половине орбиты спутник наблюдает дневную сторону Земли. На полюсе он пересекает ночную сторону.
Пока спутники летят наверху, Земля под ними тоже поворачивается. К тому времени, когда спутник снова перейдет в «дневную» область, он уже будет находиться над районом, прилегающим к той области, которую он наблюдал во время прошлого оборота. В течение суток полярные орбитальные спутники успевают рассмотреть большую часть Земли дважды: один раз при дневном свете и один раз в темноте.
Аппараты на солнечной синхронной орбите пересекают экватор примерно в одно и то же местное время каждый день (и ночь). Эта орбита позволяет проводить последовательные научные наблюдения, при этом угол между Солнцем и поверхностью Земли остается относительно постоянным. На этих иллюстрациях показаны 3 последовательные оборота солнечно-синхронного спутника с экваториальным временем пересечения 13:30. Последняя орбита спутника обозначена темно-красной линией, а предыдущие — более светлыми. Credit: NASA/Robert Simmon.
В то время как «яблочко» геосинхронных спутников находится над экватором (это место позволяет им оставаться в одной и той же позиции над Землёй), у полярно-орбитальных спутников есть своё «яблочко», которое позволяет наблюдать одну и ту же область. Эта орбита синхронизирована по Солнцу, что означает, что всякий раз, когда спутник пересекает экватор, локальное солнечное время на земле всегда одно и то же. Например, для спутника Terra это всегда около 10:30 утра, в это время спутник пересекает экватор в Бразилии. Когда спутник сделает полный оборот вокруг Земли через 99 минут, он пересечёт экватор в Эквадоре или Колумбии, примерно в те же 10:30 по местному времени.
Солнечно-синхронная орбита крайне важна для науки, потому что она удерживает угол падения солнечного света на поверхность Земли более-менее постоянным, хотя угол и будет меняться вместе со сменой времён года. Это постоянство означает, что ученые в течение нескольких лет могут сравнивать изображения одной и той же области в одно и то же время года, не беспокоясь слишком сильно об изменениях углов теней и освещения, которые могли бы создавать иллюзии изменений. Без солнечно-синхронной орбиты было бы очень сложно отслеживать изменения с течением времени. Было бы просто невозможно собрать информацию, необходимую для изучения изменений климата.