Спутники обращаются вокруг Земли под действием гравитационных сил, не падая на поверхность планеты. Это происходит благодаря взаимодействию двух факторов - скорости спутника и гравитационного притяжения Земли.
Начальная скорость спутника
Чтобы спутник начал обращаться по орбите вокруг Земли, ему нужно придать определенную начальную скорость - первую космическую. Она зависит от высоты орбиты: чем дальше от Земли должен лететь спутник, тем больше ему нужно начальной скорости.
Например, для низкой орбиты на высоте около 200 км скорость спутника должна составлять примерно 7,8 км/с. А на геостационарной орбите, на высоте 36 000 км, - около 3,1 км/с.
Гравитационное притяжение Земли
Кроме начальной скорости, на спутник действует гравитационное поле Земли. Оно притягивает спутник к поверхности планеты.
Но благодаря достаточной начальной скорости спутник не падает на Землю, а продолжает двигаться по орбите. При этом гравитация изгибает траекторию спутника, заставляя его двигаться по кривой, а не прямой.
Таким образом, спутник как бы постоянно "падает" на Землю под действием гравитации, но благодаря большой скорости этого "падения" хватает, чтобы облететь планету.
Факторы, влияющие на орбиту
На то, как будет двигаться спутник по орбите, влияют несколько факторов:
- Масса и размеры спутника
- Начальная скорость и направление запуска
- Высота орбиты
- Неравномерность гравитационного поля Земли
- Атмосферное сопротивление
Учитывая эти параметры, инженеры могут рассчитать нужную траекторию и скорость для выведения спутника на требуемую орбиту.
Использование орбит спутников
Понимание принципов движения спутников позволяет эффективно использовать их на практике. Различают несколько типов орбит в зависимости от высоты и наклона.
| Тип орбиты | Высота | Наклонение | Применение |
| Низкая околоземная орбита (LEO) | 200-2000 км | Разное | Наблюдение Земли, связь |
| Средняя околоземная орбита (MEO) | 2000-35 786 км | Разное | Навигация, связь |
| Геостационарная (GEO) | 35 786 км | 0° | Спутниковое ТВ, связь |
Таким образом, выбор орбиты определяется задачами, которые должен решать спутник.
Влияние возмущений на орбиту
Хотя орбиты спутников рассчитываются очень точно, на них влияют возмущения, которые со временем меняют параметры орбиты.
Основные возмущающие факторы:
- Нешарообразность Земли
- Притяжение Луны и Солнца
- Сопротивление атмосферы
- Давление солнечного света
Чтобы компенсировать эти возмущения, спутники оснащают двигательными установками, позволяющими периодически корректировать орбиту.
Без такой коррекции орбиты со временем начинают деградировать, и в конце концов спутник может потерять высоту и сгореть в плотных слоях атмосферы.
Траектория движения спутника
Траектория движения спутника представляет собой замкнутую кривую - орбиту вокруг Земли. Она определяется балансом между скоростью спутника и гравитационным притяжением планеты. Почему спутник, обращаясь вокруг Земли, не падает на ее поверхность?
С одной стороны, гравитация Земли постоянно стремится "стянуть" спутник к поверхности. Но скорость спутника такова, что позволяет ему постоянно "убегать" от падения на Землю. Поэтому спутник, обращаясь вокруг Земли, не падает на ее поверхность, а движется по орбите.
Форма орбиты
Под действием гравитации Земли орбита спутника имеет форму эллипса. При этом Земля находится в одном из фокусов эллипса, а не в центре.
Чем выше скорость спутника, тем менее вытянутым становится эллипс орбиты. При определенной скорости орбита превращается в окружность с центром, совпадающим с центром Земли.
Стабильность орбиты
Орбита спутника со временем может меняться под действием возмущающих факторов. Например, из-за несферичности Земли и неравномерности ее гравитационного поля.
Чтобы орбита оставалась стабильной, спутники оснащают двигателями малой тяги. Они периодически корректируют орбиту, не давая спутнику сойти с заданной траектории или упасть на Землю.
Переход на другую орбиту
Для перевода спутника с одной орбиты на другую используются маневры перехода. Например, чтобы подняться на более высокую орбиту, спутнику придается дополнительная скорость в направлении движения.
Такие маневры требуют затрат топлива и точных расчетов, чтобы вывести спутник именно на нужную орбиту. Иначе он может уйти совсем в другом направлении и не возвратиться обратно.
Сход с орбиты
Когда срок службы спутника подходит к концу, его орбита может быть снижена для сведения спутника с орбиты. Это делается, чтобы избежать образования космического мусора.
Спутник затем сгорает в плотных слоях атмосферы. Таким образом завершается его полет по орбите вокруг Земли, который мог продолжаться месяцы и годы.
Формы орбит спутников
Орбиты спутников могут иметь различные формы в зависимости от высоты и наклона:
- Круговые орбиты лежат в плоскости экватора.
- Эллиптические орбиты могут быть наклонены к экватору.
- Геосинхронные орбиты проходят над одной точкой экватора.
Но почему спутник, обращаясь вокруг Земли по любой из этих орбит, не падает на ее поверхность?
Все дело в соотношении между скоростью спутника и силой гравитации Земли. Почему спутник, обращаясь вокруг Земли, не падает на ее поверхность? Потому что центростремительная сила инерции уравновешивает притяжение гравитации.
Коррекция орбиты спутника
Со временем на орбиту спутника воздействуют возмущения, и она начинает меняться. Чтобы удержать спутник на нужной орбите, проводят ее коррекцию.
Для этого на борту спутника устанавливают двигатели малой тяги. Периодические включения двигателей позволяют вернуть параметры орбиты к расчетным значениям.
Благодаря коррекции орбиты спутник продолжает устойчиво обращаться вокруг Земли и выполнять свои задачи. Иначе из-за возмущений он мог бы сойти с орбиты и упасть на поверхность планеты.
Перевод спутника на другую орбиту
Иногда требуется перевести действующий спутник на более высокую или низкую орбиту.
Для этого используются специальные маневры с включением маршевых двигателей. Они дают приращение скорости, необходимое для перехода на новую орбиту.
Расчеты и выполнение таких маневров - сложная задача управления полетом. Но она позволяет эффективно использовать спутники на разных орбитах в течение срока службы.
