SZTUCZNE SATELITY: DO CZEGO SŁUŻĄ, JAK DZIAŁAJĄ, TYPY, WAŻNE - ARTE - 2026

Te satelity są pojazdy lub urządzenia zbudowane, aby mogły być uwalniane do przestrzeni bez załogi, w celu orbicie wokół Ziemi lub innego ciała niebieskiego.

Pierwsze pomysły na budowę sztucznych satelitów wyszły od autorów science fiction, na przykład Julesa Verne'a i Arthura C. Clarka. Ten ostatni był oficerem radarowym w Królewskich Siłach Powietrznych i pod koniec II wojny światowej wpadł na pomysł wykorzystania trzech satelitów na orbicie wokół Ziemi do utrzymania sieci telekomunikacyjnej.

Rysunek 1. Sztuczny satelita krążący wokół Ziemi. Źródło: Wikimedia Commons.

W tym czasie nie były jeszcze dostępne środki do umieszczenia satelity na orbicie. Kilka lat zajęło wojsku Stanów Zjednoczonych wyprodukowanie pierwszej łączności satelitarnej na początku lat pięćdziesiątych.

Wyścig kosmiczny między Stanami Zjednoczonymi a Związkiem Radzieckim wzmocnił przemysł sztucznych satelitów. Pierwszym pomyślnie umieszczonym na orbicie był radziecki satelita Sputnik w 1957 roku, który emitował sygnały w zakresie 20-40 MHz.

Po tym nastąpiło uruchomienie Echo I przez Stany Zjednoczone w celach komunikacyjnych. Od tego czasu obie potęgi zastąpiły liczne starty na orbitę, a następnie wiele krajów przystąpiło do nowej technologii.

Do czego służą sztuczne satelity?

-W telekomunikacji do retransmisji wiadomości radiowych, telewizyjnych i telefonii komórkowej.

-W badaniach naukowych i meteorologicznych, w tym w kartografii i obserwacjach astronomicznych.

-Dla celów wywiadu wojskowego.

-Do nawigacji i zastosowań lokalizacyjnych, będąc jednym z najbardziej znanych GPS (Global Positioning System).

-Aby monitorować powierzchnię terenu.

-W stacjach kosmicznych, zaprojektowanych do doświadczania życia poza Ziemią.

Jak oni pracują?

W swoich Principia Izaak Newton (1643-1727) ustalił, co było konieczne do umieszczenia satelity na orbicie, chociaż zamiast satelity posłużył się przykładem kuli armatniej wystrzelonej ze szczytu wzgórza.

Wystrzelony z określoną prędkością poziomą, pocisk podąża po zwykłej parabolicznej trajektorii. Zwiększając prędkość, zasięg poziomy staje się coraz większy, coś, co było jasne. Ale czy pewna prędkość spowoduje, że pocisk wejdzie na orbitę wokół Ziemi?

Ziemia zakrzywia się od linii stycznej do powierzchni z prędkością 4,9 m na każde 8 km. Każdy obiekt uwolniony z pozycji spoczynku spadnie o 4,9 m w ciągu pierwszej sekundy. Dlatego też, strzelając poziomo pociskiem ze szczytu z prędkością 8 km / s, w pierwszej sekundzie spadnie 4,9 m.

Ale Ziemia również opadnie w tym czasie 4,9 m, skręcając pod kulą armatnią. To nadal przesuwa się poziomo, pokrywając 8 km i pozostanie na tej samej wysokości w stosunku do Ziemi przez tę sekundę.

Oczywiście to samo dzieje się po następnej sekundzie i we wszystkich kolejnych sekundach, zamieniając pocisk w sztucznego satelitę, bez dodatkowego napędu, o ile nie ma tarcia.

Jednak tarcie spowodowane oporem powietrza jest nieuniknione, dlatego niezbędna jest rakieta wspomagająca.

Rakieta podnosi satelitę na dużą wysokość, gdzie cieńsza atmosfera stwarza mniejszy opór i zapewnia mu wymaganą prędkość poziomą.

Taka prędkość musi być większa niż 8 km / s i mniejsza niż 11 km / s. Ta ostatnia to prędkość ucieczki. Rzutowany z taką prędkością satelita porzuciłby grawitacyjny wpływ Ziemi, lecąc w kosmos.

Sztuczna struktura satelity

Sztuczne satelity zawierają różne złożone mechanizmy do wykonywania swoich funkcji, które obejmują odbiór, przetwarzanie i wysyłanie różnego rodzaju sygnałów. Muszą być również lekkie i mieć autonomię działania.

Główne struktury są wspólne dla wszystkich sztucznych satelitów, które z kolei mają kilka podsystemów zgodnie z przeznaczeniem. Montowane są w obudowie wykonanej z metalu lub innych lekkich mieszanek, która służy jako podpora i nazywana jest autobusem.

W autobusie można znaleźć:

- Centralny moduł sterujący, który zawiera komputer, za pomocą którego dane są przetwarzane.

- Anteny odbiorcze i nadawcze do komunikacji i transmisji danych za pomocą fal radiowych, a także teleskopy, kamery i radary.

- System paneli słonecznych na skrzydłach, aby uzyskać niezbędną energię i akumulatory, gdy satelita jest w cieniu. W zależności od orbity satelity potrzebują około 60 minut światła słonecznego, aby naładować swoje baterie, jeśli znajdują się na niskiej orbicie. Bardziej odległe satelity spędzają znacznie więcej czasu na promieniowaniu słonecznym.

Ponieważ satelity są narażone na to promieniowanie przez długi czas, wymagany jest system ochrony, aby uniknąć uszkodzenia innych systemów.

Odsłonięte części bardzo się nagrzewają, podczas gdy w cieniu osiągają ekstremalnie niskie temperatury, ponieważ nie ma wystarczającej atmosfery, aby regulować zmiany. Z tego powodu grzejniki muszą eliminować ciepło i osłony aluminiowe, aby oszczędzać ciepło, gdy jest to konieczne.

Rodzaje sztucznych satelitów

W zależności od trajektorii, sztuczne satelity mogą być eliptyczne lub kołowe. Oczywiście, każdy satelita ma przypisaną orbitę, która jest generalnie w tym samym kierunku, w którym obraca się Ziemia, zwana orbitą asynchroniczną. Jeśli z jakiegoś powodu satelita porusza się w przeciwnym kierunku, to ma orbitę wsteczną.

Pod wpływem grawitacji obiekty poruszają się po eliptycznych torach zgodnie z prawami Keplera. Sztuczne satelity nie unikają tego, jednak niektóre eliptyczne orbity mają tak małą mimośrodowość, że można je uznać za okrągłe.

Orbity mogą być również nachylone względem równika Ziemi. Przy nachyleniu 0 ° są to orbity równikowe, jeśli są ustawione pod kątem 90 °, są to orbity biegunowe.

Wysokość satelity jest również ważnym parametrem, ponieważ na wysokości 1500-3000 km znajduje się pierwszy pas Van Allena, region, którego należy unikać ze względu na wysoki poziom promieniowania.

Rysunek 2. Orbity, wysokości i prędkości sztucznych satelitów. Nieużywane satelity przechodzą na orbitę cmentarną, chociaż na wszystkich orbitach znajdują się pozostałości. Źródło: Wikimedia Commons.

Orbity satelity

Orbita satelity jest wybierana zgodnie z jego misją, ponieważ istnieją mniej lub bardziej korzystne wysokości dla różnych operacji. Według tego kryterium satelity są klasyfikowane jako:

- LEO (Low Earth Orbit) , mają wysokość od 500 do 900 km i opisują okrężną ścieżkę, z okresami około półtorej godziny i nachyleniem 90º. Są używane w telefonach komórkowych, faksach, pagerach osobistych, w pojazdach i na łodziach.

- MEO (Medium Earth Orbit) , znajdują się na wysokości pomiędzy 5000-12000 km, nachyleniem 50º i okresem około 6 godzin. Są również wykorzystywane w telefonach komórkowych.

- GEO (Geosynchronous Earth Orbit) , czyli orbita geostacjonarna, chociaż istnieje niewielka różnica między tymi dwoma terminami. Te pierwsze mogą mieć zmienne nachylenie, podczas gdy te drugie mają zawsze 0º.

W każdym razie znajdują się na dużej wysokości - mniej więcej 36 000 km -. Poruszają się po orbitach kołowych w okresach 1 dnia. Dzięki nim dostępny jest m.in. fax, telefonia międzymiastowa i telewizja satelitarna.

Rysunek 3. Schemat orbit sztucznych satelitów. 1) Ziemia. 2) LEO. 3) MEO, 4) Orbity geosynchroniczne. Źródło: Wikimedia Commons.

Satelity geostacjonarne

Na początku satelity komunikacyjne miały inne okresy niż rotacja Ziemi, ale utrudniało to ustawienie anten i utrata łączności. Rozwiązaniem było umieszczenie satelity na takiej wysokości, aby jego okres zbiegał się z okresem obrotu Ziemi.

W ten sposób satelita krąży razem z Ziemią i wydaje się być względem niej nieruchomy. Wysokość wymagana do umieszczenia satelity na orbicie geosynchronicznej wynosi 35786,04 km i jest znana jako pas Clarke'a.

Wysokość orbity można obliczyć, ustalając okres, używając następującego wyrażenia, wyprowadzonego z prawa powszechnego ciążenia Newtona i praw Keplera:

Gdzie P jest okresem, a jest długością półosi wielkiej orbity eliptycznej, G jest uniwersalną stałą grawitacji, a M masą Ziemi.

Ponieważ w ten sposób nie zmienia się orientacja satelity względem Ziemi, gwarantuje to, że zawsze będzie miał z nią kontakt.

Najważniejsze sztuczne satelity Ziemi

Sputnik

Rysunek 4. Replika Sputnika, pierwszego sztucznego satelity na orbicie w historii. Źródło: Wikimedia Commons.

Był to pierwszy sztuczny satelita w historii ludzkości, umieszczony na orbicie przez były Związek Radziecki w październiku 1957 r. Po tym satelicie pojawiły się 3 inne w ramach programu Sputnik.

Pierwszy Sputnik był dość mały i lekki: głównie 83 kg aluminium. Był w stanie emitować częstotliwości od 20 do 40 MHz, znajdował się na orbicie przez trzy tygodnie, po czym spadł na Ziemię.

Repliki Sputnika można dziś oglądać w wielu muzeach Federacji Rosyjskiej, Europy, a nawet Ameryki.

Prom kosmiczny

Inną dobrze znaną misją załogową był Space Transport System STS czyli Space Shuttle, który działał od 1981 do 2011 roku i uczestniczył między innymi w wystrzeleniu Teleskopu Kosmicznego Hubble'a i Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, oprócz misji naprawa innych satelitów.

Wahadłowiec kosmiczny miał asynchroniczną orbitę i był wielokrotnego użytku, ponieważ mógł przylatywać i lecieć na Ziemię. Spośród pięciu promów dwa zostały przypadkowo zniszczone wraz z załogą: Challenger i Columbia.

Satelity GPS

Globalny system pozycjonowania jest powszechnie znany z dokładnego lokalizowania ludzi i obiektów w dowolnym miejscu na świecie. Sieć GPS składa się z co najmniej 24 satelitów na dużych wysokościach, z których zawsze są widoczne 4 satelity z Ziemi.

Znajdują się na orbicie na wysokości 20 000 km, a ich czas trwania wynosi 12 godzin. GPS wykorzystuje matematyczną metodę podobną do triangulacji do oceny położenia obiektów, zwaną trilateracją.

GPS nie ogranicza się do lokalizowania ludzi lub pojazdów, jest również przydatny między innymi w kartografii, geodezji, geodezji, akcjach ratowniczych i praktykach sportowych.

Kosmiczny Teleskop Hubble'a

Jest to sztuczny satelita, który oferuje niezrównane, nigdy wcześniej nie widziane obrazy Układu Słonecznego, gwiazd, galaktyk i odległego Wszechświata, bez ziemskiej atmosfery lub zanieczyszczenia światłem blokującego lub zniekształcającego odległe światło.

Rysunek 5. Widok Kosmicznego Teleskopu Hubble'a. Źródło: NASA za pośrednictwem Wikimedia Commons.

Stąd jej uruchomienie w 1990 roku było najbardziej niezwykłym postępem astronomii ostatnich czasów. Ogromny 11-tonowy cylinder Hubble'a znajduje się na wysokości 340 mil (548 km) okrążając Ziemię ruchem okrężnym w okresie 96 minut.

Oczekuje się, że zostanie dezaktywowany między 2020 a 2025 rokiem, a zastąpi go teleskop kosmiczny Jamesa Webba.

Międzynarodowa Stacja Kosmiczna

Znane jako ISS (Międzynarodowa Stacja Kosmiczna), jest to orbitujące laboratorium badawcze, zarządzane przez pięć agencji kosmicznych na całym świecie. Jak dotąd jest to największy istniejący sztuczny satelita.

W przeciwieństwie do pozostałych satelitów, na pokładzie Stacji Kosmicznej znajdują się ludzie. Oprócz stałej załogi co najmniej dwóch astronautów stacja była nawet odwiedzana przez turystów.

Zadanie stacji ma przede wszystkim charakter naukowy. Posiada 4 laboratoria, w których bada się skutki zerowej grawitacji, prowadzi się obserwacje astronomiczne, kosmologiczne i klimatyczne, a także różne eksperymenty z zakresu biologii, chemii i wpływu promieniowania na różne układy.

Chandra

Ten sztuczny satelita jest obserwatorium wykrywającym promienie rentgenowskie, które są pochłaniane przez atmosferę ziemską i dlatego nie mogą być badane z powierzchni. NASA umieściła go na orbicie w 1999 roku za pośrednictwem promu kosmicznego Columbia.

Satelity komunikacyjne Iridium

Tworzą sieć 66 satelitów na wysokości 780 km na orbitach typu LEO, z okresem 100 minut. Zostały zaprojektowane przez firmę telefoniczną Motorola, aby zapewnić komunikację telefoniczną w niedostępnych miejscach. Jest to jednak usługa bardzo kosztowna.

System satelitarny Galileo

Jest to system pozycjonowania opracowany przez Unię Europejską, odpowiednik GPS i do użytku cywilnego. Obecnie działa na niej 22 satelity, ale wciąż jest w budowie. W wersji otwartej jest w stanie zlokalizować osobę lub obiekt z dokładnością do 1 metra i współpracuje z satelitami systemu GPS.

Seria Landsat

Są to satelity zaprojektowane specjalnie do obserwacji powierzchni Ziemi. Swoją pracę rozpoczęli w 1972 roku. Zajmują się m.in. mapowaniem terenu, rejestrowaniem informacji o ruchu lodu na biegunach i zasięgu lasów, a także poszukiwaniami górniczymi.

System Glonass

Jest to system geolokalizacji Federacji Rosyjskiej, odpowiednik GPS i sieci Galileo.

Obserwacja sztucznych satelitów

Sztuczne satelity mogą być widziane z Ziemi przez amatorów, ponieważ odbijają światło słoneczne i mogą być postrzegane jako punkty świetlne, nawet jeśli Słońce zaszło.

Aby je zlokalizować, zaleca się zainstalowanie w telefonie jednej z aplikacji do wyszukiwania satelitów lub skorzystanie z witryn internetowych śledzących satelity.

Na przykład Kosmiczny Teleskop Hubble'a może być widoczny gołym okiem lub, jeszcze lepiej, przez dobrą lornetkę, jeśli wiesz, gdzie patrzeć.

Przygotowania do obserwacji satelitów są takie same, jak do obserwacji rojów meteorytów. Najlepsze rezultaty uzyskuje się w bardzo ciemne i pogodne noce, bez chmur i bez księżyca lub gdy księżyc znajduje się nisko nad horyzontem. Im dalej od zanieczyszczenia światłem, tym lepiej, trzeba też zabrać ze sobą ciepłe ubrania i gorące napoje.

Bibliografia

1. Europejska Agencja Kosmiczna. Satelity. Odzyskany z: esa.int.
2. Giancoli, D. 2006. Fizyka: Zasady z zastosowaniami. 6th. Ed Prentice Hall.
3. Maran, S. Astronomy for Dummies.
4. GARNEK. O Kosmicznym Teleskopie Hubble'a. Odzyskany z: nasa.gov.
5. Co to są sztuczne satelity i jak działają? Odzyskany z: youbioit.com
6. Wikiversity. Sztuczne satelity. Odzyskane z: es.wikiversity.org.