¿Por qué los satélites en órbita son tan inestables? (8 fotos). ¿Por qué los satélites geoestacionarios no caen a la Tierra? Los satélites de la Tierra pueden moverse a una distancia máxima

Como saben, los satélites geoestacionarios cuelgan inmóviles sobre la Tierra en el mismo punto. ¿Por qué no caen? ¿A esa altura no hay fuerza de gravedad?

Respuesta

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

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

Del hecho de que un satélite geoestacionario se cierne constantemente sobre el mismo punto de la superficie de la Tierra, algunos sacan la conclusión incorrecta de que el satélite geoestacionario no se ve afectado por la fuerza de gravedad hacia la Tierra, que la fuerza de gravedad desaparece a una cierta distancia de la Tierra, es decir, refutan al mismísimo Newton. Por supuesto que esto no es cierto. El lanzamiento de satélites a órbita geoestacionaria se calcula con precisión según la ley. gravedad universal Newton.

Los satélites geoestacionarios, como todos los demás satélites, en realidad caen a la Tierra, pero no llegan a su superficie. Se ven afectados por la fuerza de gravedad hacia la Tierra ( fuerza gravitacional), dirigido hacia su centro, y en direccion contraria El satélite está sujeto a una fuerza centrífuga (fuerza de inercia) que se aleja de la Tierra y que se equilibra entre sí: el satélite no se aleja de la Tierra ni cae sobre ella como un cubo desenrollado de una cuerda. permanece en su órbita.

Si el satélite no se moviera en absoluto, caería a la Tierra bajo la influencia de la gravedad 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 en satélites en órbitas inferiores velocidad angular más, es decir por día logran hacer varias revoluciones alrededor de la Tierra). La velocidad lineal impartida al satélite paralelo a la superficie de la Tierra durante la inserción directa en órbita es relativamente grande (en la órbita terrestre baja, 8 kilómetros por segundo, en la órbita geoestacionaria, 3 kilómetros por segundo). Si no existiera la Tierra, entonces el satélite volaría a esa velocidad en línea recta, pero la presencia de la Tierra obliga al satélite a caer 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. A medida que el satélite se acerca a la superficie de la Tierra, la superficie de la Tierra se aleja de 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 cae todo el tiempo, pero no puede caer.

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

Así como los asientos en un teatro brindan diferentes perspectivas sobre una representación, las diferentes órbitas de los satélites brindan perspectivas, 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 rodean nuestro planeta y pasan sobre muchos lugares en un día.

Tipos de órbitas

¿A qué altitud vuelan los satélites? Hay 3 tipos de órbitas cercanas a la Tierra: alta, media y baja. En el nivel más alto, más alejado de la superficie, se encuentran, por regla general, muchos satélites meteorológicos y algunos de comunicaciones. Los satélites que giran en la órbita terrestre media incluyen satélites de navegación y satélites especiales diseñados para monitorear una región específica. 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 de su movimiento depende de la altitud a la que vuelan los satélites. A medida que te acercas 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 orbitar nuestro planeta a una altitud de unos 705 km, mientras que un aparato meteorológico situado 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 revolución en 28 días.

Paradoja aerodinámica

Cambiar la altitud del satélite también cambia su velocidad orbital. Aquí hay una paradoja. Si un operador de satélite quiere aumentar su velocidad, no puede simplemente encender los motores para acelerarla. Esto aumentará la órbita (y la altitud), lo que resultará en una disminución de la velocidad. En cambio, los motores deberían dispararse en la dirección opuesta al movimiento del satélite, una acción que ralentizaría un vehículo en movimiento en la Tierra. Esta acción lo moverá hacia abajo, lo que permitirá aumentar 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 baja excentricidad se mueve a lo largo de una trayectoria cercana a la circular. Una órbita excéntrica tiene forma de 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 una nave espacial pasa sobre los polos norte y sur (geográficos, no magnéticos), su inclinación 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.

Alta cerca de la Tierra

Cuando el satélite alcanza exactamente 42.164 km del centro de la Tierra (a unos 36.000 km de la superficie), entra en una zona donde su órbita coincide con la rotación de nuestro planeta. Dado que la nave se mueve a la misma velocidad que la Tierra, es decir, su período orbital es de 24 horas, parece permanecer estacionaria en una sola longitud, aunque puede derivar de norte a sur. Esta órbita alta especial se llama geosincrónica.

El satélite se mueve en una órbita circular directamente sobre el ecuador (la excentricidad y la inclinación son cero) y permanece estacionario con respecto a la Tierra. Siempre se encuentra encima del 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 el extremo norte o regiones del sur. Esta órbita es bastante excéntrica: la nave espacial se mueve en una elipse alargada con la Tierra situada cerca de un borde. Debido a que el satélite es acelerado por la gravedad, se mueve muy rápidamente cuando está cerca de nuestro planeta. A medida que se aleja, su velocidad disminuye, por lo que pasa más tiempo en la cima de su órbita, en el borde más alejado de la Tierra, cuya distancia puede alcanzar los 40 mil kilómetros. El período orbital es de 12 horas, pero el satélite pasa aproximadamente dos tercios de este tiempo sobre un hemisferio. Como en una órbita semisincrónica, el satélite sigue la misma trayectoria cada 24 horas y se utiliza para la comunicación en el extremo norte o sur.

Baja cerca de la Tierra

La mayoría de los satélites científicos, muchos satélites meteorológicos y la estación espacial se encuentran en una órbita terrestre baja casi circular. Su inclinación depende de lo que estén monitoreando. TRMM se lanzó para monitorear las precipitaciones en los trópicos, por lo que tiene una inclinación relativamente baja (35°), permaneciendo cerca del ecuador.

Muchos de los satélites del sistema de observación de la NASA tienen una órbita casi polar de alta inclinación. La nave espacial recorre la Tierra de polo a polo en un período de 99 minutos. La mitad del tiempo pasa por el lado diurno de nuestro planeta y en el polo gira hacia el lado nocturno.

A medida que el satélite se mueve, la Tierra gira debajo de él. Cuando el vehículo se desplaza hacia la zona iluminada, se encuentra sobre la zona adyacente a la zona de su última órbita. En un período de 24 horas, los satélites polares cubren la mayor parte de la Tierra dos veces: una vez durante el día y otra durante la noche.

Órbita heliosincrónica

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

Una órbita heliosincrónica es esencial para la ciencia porque permite luz de sol a la superficie terrestre, aunque variará según la estación. Esta coherencia significa que los científicos pueden comparar imágenes de nuestro planeta de la misma estación durante varios años sin preocuparse por saltos de luz demasiado grandes, que podrían crear la ilusión de cambio. Sin una órbita heliosincrónica, sería difícil rastrearlos a lo largo del tiempo y recopilar la información necesaria para estudiar el cambio climático.

La trayectoria del satélite aquí es muy limitada. Si está a una altitud de 100 km, la órbita debería tener una inclinación de 96°. Cualquier desviación será inaceptable. Debido a que la resistencia atmosférica y la fuerza gravitacional del Sol y la Luna cambian la órbita de la nave espacial, ésta debe ajustarse periódicamente.

Inyección en órbita: lanzamiento

El lanzamiento de un satélite requiere energía, cuya cantidad depende de la ubicación del lugar de lanzamiento, la altura y la inclinación de la trayectoria futura de su movimiento. Llegar a una órbita distante requiere más energía. Los satélites con una inclinación significativa (por ejemplo, los polares) consumen más energía que los que giran alrededor del ecuador. La inserción en una órbita de baja inclinación se ve favorecida por la rotación de la Tierra. se mueve en un ángulo de 51,6397°. Esto es necesario para facilitar el acceso de los transbordadores espaciales y los cohetes rusos. La altura de la ISS es de 337 a 430 km. Los satélites polares, por el contrario, no reciben ninguna ayuda del impulso de la Tierra, por lo que necesitan más energía para elevarse la misma distancia.

Ajustamiento

Una vez que se lanza un satélite, se deben hacer esfuerzos para mantenerlo en una órbita determinada. Como la Tierra no es una esfera perfecta, su gravedad es más fuerte en algunos lugares. Este desnivel, junto con la atracción gravitacional del Sol, la Luna y Júpiter (el planeta más masivo sistema solar), cambia la inclinación de la órbita. A lo largo de su vida, los satélites GOES han sido ajustados tres o cuatro veces. Los vehículos de órbita baja 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, ejercen una resistencia lo suficientemente fuerte como para acercarlas a la Tierra. La acción de la gravedad provoca la aceleración de los satélites. Con el tiempo, se queman y caen en espirales más bajas y más rápidas hacia la atmósfera, o caen a la Tierra.

La resistencia atmosférica es más fuerte cuando el Sol está activo. Al igual que el aire en globo aerostático se expande y asciende cuando se calienta, la atmósfera sube y se expande cuando el Sol le da energía adicional. Las capas delgadas de la atmósfera se elevan y las capas más densas toman su lugar. Por lo tanto, los satélites que orbitan la Tierra deben cambiar su posición aproximadamente 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 un cambio de órbita son los desechos espaciales. Uno de los satélites de comunicaciones de Iridium chocó con una nave espacial rusa que no funcionaba. Se estrellaron, creando una nube de escombros compuesta por más de 2.500 piezas. Cada elemento se añadió a la base de datos, que hoy incluye más de 18.000 objetos de origen humano.

La NASA vigila atentamente todo lo que pueda encontrarse en el camino de los satélites, ya que las órbitas ya han tenido que cambiarse varias veces debido a la basura espacial.

Los ingenieros monitorean la posición de los desechos espaciales y los satélites que podrían 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 altitud del satélite.

"El hombre debe elevarse por encima de la Tierra, hacia la atmósfera y más allá, porque sólo así comprenderá plenamente el mundo en el que vive".

Sócrates hizo esta observación siglos antes de que los humanos lanzaran con éxito un objeto a la órbita terrestre. Sin embargo, el antiguo filósofo griego parecía comprender lo valiosa que podía ser una vista desde el espacio, aunque no tenía idea de cómo lograrla.

Este concepto (de cómo lanzar un objeto “a la atmósfera y más allá”) tuvo que esperar hasta que Isaac Newton publicó su famoso experimento mental con una bala de cañón en 1729. Se parece a esto:

“Imagínate 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 durante un tiempo, pero eventualmente sucumbirá a la gravedad y caerá a la Tierra. Ahora imagina que sigues añadiendo pólvora a un cañón. Con explosiones adicionales, el núcleo viajará cada vez más hasta caer. Agregar cantidad requerida pólvora y darle a la bala de cañón la aceleración correcta, y volará constantemente alrededor del planeta, siempre cayendo en el campo gravitacional, pero nunca llegando al suelo".

En octubre de 1957 Unión Soviética Finalmente confirmó la suposición de Newton con el lanzamiento del Sputnik 1, el primer satélite artificial en órbita terrestre. Esto inició la carrera espacial y numerosos lanzamientos de objetos que debían volar alrededor de la Tierra y otros planetas del sistema solar. Desde el lanzamiento del Sputnik, varios países, principalmente Estados Unidos, Rusia y China, han lanzado más de 3.000 satélites al espacio. Algunos de estos objetos creados por el hombre, como la ISS, son grandes. Otros caben perfectamente en un cofre pequeño. Gracias a los satélites recibimos la previsión meteorológica, vemos la televisión, navegamos por Internet y hacemos llamadas telefónicas. Incluso aquellos satélites cuyo funcionamiento no sentimos ni vemos sirven de manera excelente para el beneficio de los militares.

Por supuesto, el lanzamiento y operación de satélites ha generado problemas. Hoy en día, con más de 1.000 satélites operativos en órbita terrestre, nuestra región espacial inmediata se ha vuelto más ocupada que Gran ciudad durante la hora pico. A esto se suman equipos inoperativos, 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 hablamos se han acumulado durante muchos años y suponen una grave amenaza para los satélites que actualmente orbitan la Tierra, así como para futuros lanzamientos tripulados y no tripulados.

En este artículo, nos subiremos a las entrañas de un satélite ordinario y miraremos sus ojos para ver vistas de nuestro planeta con las que Sócrates y Newton ni siquiera podían soñar. Pero primero, echemos un vistazo más de cerca a en qué se diferencia realmente un satélite de otros objetos celestes.

Es cualquier objeto que se mueve en una curva alrededor de un planeta. La Luna es un satélite natural de la Tierra, también hay muchos satélites cerca de la Tierra, hechos por manos humanas, por así decirlo, artificiales. El camino que sigue un satélite es una órbita, que en ocasiones adopta 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 gravedad existe entre dos objetos cualesquiera en el Universo. Si esta fuerza no existiera, los satélites que vuelan cerca del planeta continuarían moviéndose 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 gravitacional dirigida hacia el centro del planeta.

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

Los satélites son los que más diferentes formas y tamaños y realizar una amplia variedad de tareas.

• Los satélites meteorológicos ayudan a los meteorólogos a predecir el tiempo o ver lo que sucede en el tiempo. 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 transmitir conversaciones telefónicas vía satélite. La característica más importante de un satélite de comunicaciones es el transpondedor: una radio que recibe la conversación en una frecuencia, luego la amplifica y la transmite a la Tierra en otra frecuencia. Un satélite suele contener cientos o miles de transpondedores. Los satélites de comunicaciones suelen ser geosincrónicos (más sobre esto más adelante).
• Los satélites de televisión transmiten señales de televisión de un punto a otro (similar a los satélites de comunicaciones).
• Los satélites científicos, como alguna vez el telescopio espacial Hubble, llevan a cabo todo tipo de misiones científicas. Observan de todo, desde manchas solares hasta 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 registrando cambios desde las temperaturas hasta los casquetes polares. Las más famosas son la serie Landsat.

También hay satélites militares en órbita, pero gran parte de su funcionamiento sigue siendo secreto. Pueden transmitir mensajes cifrados, monitorear armas nucleares, movimientos enemigos, advertir sobre lanzamientos de misiles, escuchar radio terrestre, realizar estudios de radar y mapeo.

¿Cuándo se inventaron los satélites?

Es posible que Newton haya lanzado satélites en sus fantasías, pero pasó mucho tiempo antes de que realmente lográramos esta hazaña. Uno de los primeros visionarios fue el escritor de ciencia ficción Arthur C. Clarke. En 1945, Clark propuso que se podría colocar un satélite en órbita de modo que se moviera en la misma dirección y a la misma velocidad que la Tierra. Para las comunicaciones se podrían utilizar los llamados satélites geoestacionarios.

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 terrestre. El Sputnik medía 58 centímetros de diámetro, pesaba 83 kilogramos y tenía forma de bola. Aunque fue un logro notable, el contenido del Sputnik era 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 superiores e inferiores al estándar actual (27 MHz). Las estaciones de seguimiento en la Tierra captaron la señal de radio y confirmaron que el pequeño satélite sobrevivió al lanzamiento y siguió con éxito su trayectoria 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, desesperados por seguir el ritmo de sus adversarios de la Guerra Fría, los científicos estadounidenses intentaron poner un satélite en órbita con el planeta Vanguard. Desafortunadamente, el cohete se estrelló y se quemó durante el despegue. Poco después, el 31 de enero de 1958, Estados Unidos repitió el éxito soviético al adoptar el plan de Wernher von Braun de lanzar el satélite Explorer 1 con un cohete estadounidense. Piedra roja. Explorer 1 llevaba instrumentos de detección. rayos cósmicos y descubrió en un experimento realizado por James Van Allen de la Universidad de Iowa que había muchos menos rayos cósmicos de los esperados. Esto llevó al descubrimiento de dos zonas toroidales (que finalmente recibieron el nombre de Van Allen) llenas de partículas cargadas atrapadas campo magnético Tierra.

Alentadas por estos éxitos, varias 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 implementó la idea de Clark: un satélite de comunicaciones colocado en la órbita de la Tierra de tal manera que pudiera hacer rebotar ondas de radio de un lugar a otro. En 1961, la NASA otorgó un contrato a Hughes para construir la serie de satélites Syncom (comunicaciones sincrónicas). En julio de 1963, Rosen y sus colegas vieron a Syncom-2 despegar hacia el espacio y entrar en una órbita geosincrónica irregular. El presidente Kennedy utilizó nuevo sistema para hablar con el Primer Ministro de Nigeria en África. Pronto despegó también Syncom-3, que en realidad podía 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 alrededor de un planeta o más pequeño. cuerpo celestial. Los astrónomos clasifican las lunas como satélites naturales y, a lo largo de los años, han compilado una lista de cientos de objetos de este tipo que orbitan alrededor de planetas y planetas enanos de nuestro sistema solar. Por ejemplo, contaron 67 lunas de Júpiter. Y todavía lo es.

Los objetos creados por el hombre como el Sputnik y el Explorer también pueden clasificarse como satélites porque, al igual que las lunas, orbitan alrededor de un planeta. Desafortunadamente, la actividad humana ha provocado una enorme cantidad de desechos en la órbita de la Tierra. Todos estos pedazos 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 generalmente consideran que los satélites son aquellos objetos que realizan una función útil. Los restos de metal y otros desechos entran en la categoría de desechos orbitales.

Los desechos orbitales provienen de muchas fuentes:

• La explosión de un cohete que produce la mayor cantidad de basura.
• El astronauta relajó su mano: si un astronauta está reparando algo en el espacio y se le pasa una 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 a un satélite, los resultados podrían 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 ha lanzado un satélite especial llamado LDEF para estudiar los efectos a largo plazo de las colisiones con desechos espaciales. Durante 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 del LDEF. Pero Japón ya cuenta con una red gigante para atrapar desechos espaciales.

¿Qué hay dentro de un satélite normal?

Los satélites vienen en diferentes formas y tamaños y realizan muchas funciones diferentes, pero todos son fundamentalmente similares. Todos ellos tienen una estructura y una carrocería de metal o compuestos, 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 (normalmente paneles solares) y baterías. Los paneles solares permiten cargar las baterías. Los satélites más nuevos también incluyen pilas de combustible. La energía satelital es muy cara y extremadamente limitada. Las células de energía nuclear se utilizan habitualmente para enviar sondas espaciales a otros planetas.

Todos los satélites tienen una computadora a bordo para controlar y monitorear varios sistemas. Todo el mundo tiene una radio y una antena. Como mínimo, la mayoría de los satélites tienen un transmisor de radio 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 es de esperar, montar todos estos sistemas no es una tarea fácil. Se necesitan años. Todo comienza con la definición del objetivo de la misión. La determinación de sus parámetros permite a los ingenieros ensamblar herramientas necesarias e instálelos en el orden correcto. Una vez aprobadas las especificaciones (y el presupuesto), comienza el montaje del satélite. Se lleva a cabo en una sala limpia, un ambiente estéril que mantiene la temperatura y humedad deseadas y protege el satélite durante el desarrollo y montaje.

Los satélites artificiales suelen fabricarse por encargo. Algunas empresas han desarrollado satélites modulares, es decir, estructuras cuyo ensamblaje permite instalar elementos adicionales según especificaciones. 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 estantes alveolares para guardar equipos. Esta modularidad permite a los ingenieros ensamblar satélites a partir de espacios en blanco en lugar de hacerlo 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 lanza hacia arriba, lo que le permite moverse más rápido a través de la espesa atmósfera y minimizar el consumo de combustible. Después de que el cohete despega, el mecanismo de control del cohete utiliza el sistema de guía inercial para calcular los ajustes necesarios en la boquilla del cohete para lograr el paso deseado.

Después de que el cohete sale al aire, a una altitud de unos 193 kilómetros, el sistema de navegación libera pequeños cohetes, que son suficientes para girar el cohete a una posición horizontal. Después de esto, se libera el satélite. Se vuelven a disparar pequeños cohetes que proporcionan una diferencia de distancia entre el cohete y el satélite.

Velocidad orbital y altitud.

El cohete debe alcanzar una velocidad de 40.320 kilómetros por hora para escapar completamente de la gravedad de la Tierra y volar al espacio. La velocidad espacial es mucho mayor de la que necesita un satélite en órbita. No escapan a la gravedad terrestre, pero se encuentran en un estado de equilibrio. La velocidad orbital es la velocidad necesaria para mantener el equilibrio entre la atracción gravitacional y el movimiento inercial 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 gravedad, si un satélite se mueve demasiado rápido, será arrastrado al espacio. Si el satélite se mueve demasiado lento, la gravedad lo empujará hacia la Tierra.

La velocidad orbital de un satélite depende de su altitud sobre la Tierra. Cuanto más cerca de la Tierra, mayor es la 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 viajar a una velocidad de 11.300 kilómetros por hora. Esta velocidad orbital permite al satélite realizar un sobrevuelo cada 24 horas. Dado que la Tierra también gira las 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 sea la órbita, más tiempo podrá permanecer allí el satélite. A baja altitud, el satélite se encuentra en la atmósfera terrestre, lo que genera resistencia. A gran altura prácticamente no hay resistencia y el satélite, al igual que la Luna, puede permanecer en órbita durante siglos.

Tipos de satélites

En la Tierra, todos los satélites tienen un aspecto similar: cajas o cilindros brillantes adornados con alas hechas de paneles solares. Pero en el espacio, estas pesadas máquinas se comportan de manera muy diferente dependiendo de su trayectoria de vuelo, altitud y orientación. Como resultado, la clasificación de satélites se convierte en un asunto complejo. Un enfoque consiste en determinar la órbita de la nave en relación con un planeta (normalmente 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 siguen una trayectoria elíptica conocida como órbita de Molniya. Estos objetos normalmente giran de norte a sur a través de los polos de la Tierra y completan un sobrevuelo completo en 12 horas.

Los satélites en órbita polar también pasan por los polos en 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 bajo el satélite en una órbita polar. Debido a que las órbitas polares brindan una excelente cobertura del planeta, se utilizan para mapeo y fotografía. Los meteorólogos también dependen de una red global de satélites polares que dan vueltas alrededor de nuestro planeta cada 12 horas.

También puedes clasificar los satélites por su altura sobre la superficie terrestre. Según este esquema, existen 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 orbitan cerca de la superficie de la Tierra son ideales para observación, fines militares y recopilación de información meteorológica.
• Órbita terrestre media (MEO): estos satélites vuelan entre 2.000 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 (geosincrónica): los satélites geoestacionarios orbitan la Tierra a una altitud superior a 36.000 km y a la misma velocidad de rotación que el planeta. Por tanto, los satélites en esta órbita siempre están posicionados hacia el mismo lugar de la Tierra. Muchos satélites geoestacionarios vuelan a lo largo del ecuador, lo que ha creado muchos atascos en esta región del espacio. Varios centenares de satélites de televisión, comunicaciones y meteorología utilizan la órbita geoestacionaria.

Finalmente, podemos pensar en los satélites en el sentido de dónde "buscan". La mayoría de los objetos enviados al espacio en las últimas décadas miran a la Tierra. Estos satélites cuentan con cámaras y equipos que pueden ver nuestro mundo en diferentes longitudes de onda de luz, lo que nos permite disfrutar de vistas espectaculares de los tonos ultravioleta e infrarrojos de nuestro planeta. Cada vez menos satélites dirigen su mirada al espacio, donde observan estrellas, planetas y galaxias, y buscan objetos como asteroides y cometas que podrían colisionar con la Tierra.

Satélites conocidos

Hasta hace poco, los satélites seguían siendo instrumentos exóticos y ultrasecretos, utilizados principalmente con fines militares, de navegación y de espionaje. Ahora se han convertido en una parte integral de nuestra La vida cotidiana. Gracias a ellos conocemos la previsión meteorológica (aunque los meteorólogos muchas veces se equivocan). Vemos la televisión y accedemos a Internet también gracias a los satélites. El GPS en nuestros automóviles y teléfonos inteligentes nos ayuda a llegar a donde necesitamos ir. ¿Vale la pena hablar de la inestimable contribución del telescopio Hubble y del trabajo de los astronautas en la ISS?

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

1. Los satélites Landsat han estado fotografiando la Tierra desde principios de la década de 1970 y ostentan el récord de observación de la superficie terrestre. Landsat-1, conocido alguna vez como ERTS (Satélite de Tecnología de Recursos Terrestres), 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 espectros verde, rojo y dos infrarrojos. El satélite produjo imágenes tan hermosas y fue considerado tan exitoso que le siguió una serie completa. La NASA lanzó el último Landsat-8 en febrero de 2013. Este vehículo llevaba dos sensores de observación de la Tierra, el Operational Land Imager y el Thermal Infrarrojo Sensor, que recopilaban imágenes multiespectrales de las regiones costeras. Hielo polar, islas y continentes.
2. Los satélites ambientales operativos geoestacionarios (GOES) giran alrededor de la Tierra en órbita geoestacionaria, cada uno responsable de una porción fija globo. Esto permite a los satélites monitorear de cerca la atmósfera y detectar cambios en las condiciones climáticas que pueden provocar tornados, huracanes, inundaciones y tormentas eléctricas. Los satélites también se utilizan para estimar las precipitaciones y la acumulación de nieve, medir la extensión de la capa de nieve y seguir el movimiento del hielo marino y lacustre. Desde 1974, se han puesto en órbita 15 satélites GOES, pero sólo dos satélites, GOES Oeste y GOES Este, monitorean el clima en un momento dado.
3. Jason-1 y Jason-2 jugaron 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/Poseidón, que había estado operando sobre la Tierra desde 1992. Durante casi trece años, Jason-1 midió los niveles del mar, la velocidad del viento y la altura de las olas en más del 95% de los océanos libres de hielo de la Tierra. La NASA retiró oficialmente Jason-1 el 3 de julio de 2013. Jason-2 entró en órbita en 2008. Llevaba instrumentos de alta precisión que permitían medir la distancia entre el satélite y la superficie del océano con una precisión de varios centímetros. Estos datos, además de su valor para los oceanógrafos, proporcionan una visión amplia del comportamiento de los patrones climáticos globales.

¿Cuánto cuestan los satélites?

Después del Sputnik y el Explorer, los satélites se hicieron más grandes y complejos. Tomemos, por ejemplo, TerreStar-1, un satélite comercial que se suponía proporcionaría transmisión de datos móviles a América del norte para teléfonos inteligentes y dispositivos similares. Lanzado en 2009, TerreStar-1 pesaba 6.910 kilogramos. Y cuando estaba completamente desplegado, reveló una antena de 18 metros y enormes paneles solares con una envergadura de 32 metros.

Construir una máquina tan compleja requiere una gran cantidad de recursos, por lo que históricamente sólo las agencias gubernamentales y corporaciones con mucho dinero podían ingresar al negocio de los satélites. La mayoría de El coste de un satélite reside en el equipamiento: transpondedores, ordenadores y cámaras. Un satélite meteorológico típico cuesta alrededor de 290 millones de dólares. Un satélite espía costaría 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 propietarios de teléfonos pagan por el servicio celular. Esto a veces cuesta más de 1,5 millones de dólares al año.

A otros factor importante es el costo inicial. Lanzar un satélite al espacio puede costar entre 10 y 400 millones de dólares, según el dispositivo. 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. El cohete Ariane 5G puede lanzar un satélite de 18.000 kilogramos a 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 en torno a ello. Por ejemplo, Boeing. La compañía entregó alrededor de 10 satélites al espacio en 2012 y recibió pedidos durante más de siete años, generando casi 32 mil millones de dólares en ingresos.

El futuro de los satélites

Casi cincuenta años después del lanzamiento del Sputnik, los satélites, al igual que los presupuestos, crecen y se fortalecen. Estados Unidos, por ejemplo, ha gastado casi 200 mil millones de dólares desde el inicio de su programa de satélites militares y ahora, a pesar de todo esto, tiene una flota de satélites obsoletos esperando 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 poner todo patas arriba siguen siendo las empresas privadas como SpaceX y otras que claramente no sufrirán un estancamiento burocrático, como la NASA, NRO y NOAA.

Otra solución es reducir el tamaño y la complejidad de los satélites. Los científicos de Caltech y de la Universidad de Stanford trabajan desde 1999 en un nuevo tipo de CubeSat, que se basa en bloques de construcción con un borde de 10 centímetros. Cada cubo contiene componentes ya preparados y se puede combinar con otros cubos para aumentar la eficiencia y reducir el estrés. Al estandarizar el diseño y reducir el costo de construir cada satélite desde cero, un solo CubeSat puede costar tan solo 100.000 dólares.

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

Ya sean grandes o pequeños, los futuros satélites deben poder comunicarse eficazmente con las estaciones terrestres. Históricamente, la NASA dependía de las comunicaciones por radiofrecuencia, pero la RF alcanzó su límite a medida que surgió la demanda de más energía. Para superar este obstáculo, los científicos de la NASA están desarrollando un sistema de comunicación bidireccional que utiliza láseres en lugar de ondas de radio. El 18 de octubre de 2013, los científicos dispararon por primera vez un rayo láser para transmitir datos desde la Luna a la Tierra (a una distancia de 384.633 kilómetros) y alcanzaron una velocidad de transmisión récord de 622 megabits por segundo.

Tierra, como cualquier cuerpo cósmico, tiene su propio campo gravitacional y órbitas cercanas en las que se pueden ubicar cuerpos y objetos de diferentes tamaños. La mayoría de las veces se refieren a la Luna y a la Estación Espacial Internacional. El primero camina en su propia órbita, y la ISS, en una órbita baja cercana a la Tierra. Hay varias órbitas que difieren en su distancia a la Tierra, su ubicación relativa con respecto al planeta y la dirección de rotación.

Órbitas de satélites terrestres artificiales.

Hoy en día, 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 se utilizan para proporcionar comunicaciones, pero también hay mucha basura espacial. Uno de los mas famosos satélites artificiales La Tierra es la Estación Espacial Internacional.

Los satélites 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 geosincrónica

El nombre de esta trayectoria se debe a que el cuerpo que la recorre tiene una velocidad igual al período sidéreo de rotación de la Tierra. La órbita geoestacionaria es caso especialÓrbita geosincrónica, que se encuentra en el mismo plano que el ecuador terrestre.

Con una inclinación distinta de cero y una excentricidad nula, el satélite, observado desde la Tierra, describe en el cielo una figura de ocho durante el día.

El primer satélite en órbita geosincrónica es el estadounidense Syncom-2, lanzado en 1963. Hoy en día, en algunos casos, los satélites se colocan en órbita geosincrónica porque el vehículo de lanzamiento no puede colocarlos en órbita geosincrónica.

Órbita geoestacionaria

Esta trayectoria recibe este nombre porque, a pesar del movimiento constante, el objeto ubicado en ella permanece estático en relación con la superficie terrestre. El lugar donde se encuentra el objeto se llama punto de parada.

Los satélites colocados en dicha órbita se utilizan a menudo para transmitir televisión por satélite, porque su naturaleza estática permite apuntar la antena hacia ellos una vez y permanecer conectados durante mucho tiempo.

La altitud de los satélites en órbita geoestacionaria es de 35.786 kilómetros. Dado que todos están directamente encima del 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 orbital aproximado es de ~42.164 km, la longitud es de unos 265.000 km y la velocidad orbital es de aproximadamente 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 esas 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 la misma superficie total. Además, los sistemas VEO en latitudes altas son más capaces que los satélites geoestacionarios. Y poner un satélite en una órbita elíptica alta cuesta aproximadamente 1,8 veces menos.

Grandes ejemplos de sistemas que se ejecutan en VEO:

• 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 de satélites GPS.

Orbita terrestre baja

Se trata de una de las órbitas más bajas que, dependiendo de diversas circunstancias, puede tener una altitud de 160 a 2.000 km y un período orbital de 88 a 127 minutos, respectivamente. La única vez que LEO fue superado por tripulados. astronave- Este es 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 operaban en órbita terrestre baja. Por la misma razón, la mayor parte de los desechos espaciales se encuentran ahora en esta zona. La velocidad orbital óptima para los satélites ubicados en LEO es, en promedio, 7,8 km/s.

Ejemplos de satélites artificiales en LEO:

• Internacional Estación Espacial(400 kilómetros).
• Satélites de telecomunicaciones de una amplia variedad de sistemas y redes.
• Vehículos de reconocimiento y satélites sonda.

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

Órbita de referencia baja

La órbita del dispositivo se suele denominar referencia baja, que prevé un cambio de inclinación, altitud u otros cambios significativos. Si el dispositivo no tiene motor y no realiza maniobras, su órbita se denomina órbita terrestre baja.

Es interesante que los balísticos rusos y estadounidenses calculen 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 altura, sino también en la posición del perigeo y el apogeo.

Para lanzar un satélite a la órbita terrestre baja, es necesario darle una velocidad inicial igual a la primera velocidad de escape o ligeramente superior a este último. Esto no sucede inmediatamente, sino gradualmente. Satélite portador El cohete de varias etapas gana velocidad suavemente. Cuando su velocidad de 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 da y de su dirección: sus dimensiones y excentricidad.

Si no hubiera resistencia del medio ambiente y las perturbadoras atracciones 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 por diversos motivos.

La principal fuerza que cambia la órbita del satélite es la frenada, que se produce debido a la resistencia del medio enrarecido por el que vuela el satélite. Veamos cómo afecta su movimiento. Dado que la órbita del satélite suele ser elíptica, su distancia a la Tierra cambia periódicamente. Disminuye hacia el perigeo y alcanza una distancia máxima en el apogeo. Densidad atmósfera terrestre disminuye rápidamente a medida que aumenta la altitud y, por lo tanto, el satélite encuentra la mayor resistencia cerca del perigeo. Habiendo gastado parte de la energía cinética para superar esta resistencia, aunque pequeña, el satélite ya no puede elevarse a su altura anterior y su apogeo disminuye gradualmente. También se produce una disminución del perigeo, pero mucho más lentamente que una disminución del apogeo. Así, el tamaño de la órbita y su excentricidad disminuyen gradualmente: la órbita elíptica se acerca a una circular. El satélite se mueve alrededor de la Tierra en una espiral sinuosa y finalmente termina su existencia en capas densas la atmósfera terrestre, calentándose y evaporándose como un meteoroide. En tallas grandes puede llegar a la superficie de la Tierra.

Es interesante observar que frenar un satélite no reduce su velocidad, sino que, por el contrario, la aumenta. Hagamos algunos cálculos simples.

De la tercera ley de Kepler se deduce que

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

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

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

Entonces, a medida que disminuye el tamaño de la órbita a, la velocidad del satélite v aumenta: energía cinética el satélite crece debido a una 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, los flujos luminosos y corpusculares (viento solar). Esta fuerza prácticamente no tiene ningún efecto en los satélites pequeños, pero para satélites como Pageos es muy significativa. En el lanzamiento, Pageos tenía una órbita circular, pero 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 un campo magnético, deberían producirse cambios en la trayectoria.

Sin embargo, todas estas fuerzas son inquietantes. La principal fuerza que mantiene al satélite en su órbita es la fuerza de gravedad. Y aquí nos encontramos con algunas peculiaridades. Sabemos que como resultado de la rotación axial, la forma de la Tierra es diferente a la esférica y que la gravedad de la Tierra no se dirige exactamente hacia el centro de la Tierra. Esto no afecta a objetos muy distantes, pero un satélite situado cerca de la Tierra reacciona ante la presencia de “protuberancias 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 en las observaciones realizadas durante una semana. Todos estos cambios orbitales son de gran interés científico, por lo que se realizan observaciones sistemáticas del movimiento de los satélites artificiales.