Еще много веков тому назад известный древнегреческий философ Сократ в своих заметках отметил, что «человек должен подняться высоко над Землей и за ее пределы — только так он сможет понять мир, в котором живет». Конечно же, в 5 веке до нашей эры никто и представления не имел о том, как выглядит наша планета из космоса и тем более совершенно не имел представления, как можно достичь таких высот. Прошли сотни лет, и только в 1729 году физик Исаак Ньютон, чье имя навсегда вошло в мировую историю, опубликовал знаменитый мысленный эксперимент с пушечным ядром. Суть записей Ньютона можно передать следующим образом: «Представьте, что вы поместили пушку на вершину горы и выстрелили из нее горизонтально. Пушечное ядро будет путешествовать параллельно поверхности Земли некоторое время, но, в конечном счете, уступит силе тяжести и упадет на Землю. Теперь представьте, что вы продолжаете добавлять порох в пушку. Получая дополнительное ускорение, ядро будет путешествовать дальше и дальше, пока не упадет. Добавьте нужное количество пороха и придайте ядру правильное ускорение, и оно будет постоянно лететь вокруг планеты, всегда падая в гравитационном поле, но никогда не достигая земли».
И вот, 4 октября 1957 года советские инженеры, наконец, подтвердили догадку Ньютона, запустив первый искусственный спутник на орбите Земли — «Спутник-1». Этот день стал точкой отсчета космической гонки, за которой последовали многочисленные запуски объектов, которым предназначалось летать не только вокруг Земли, но и стать спутниками других планет Солнечной системы. С момента запуски «Спутника-1» и по сегодняшний день в космос было запущено свыше 5000 спутников. По большей части они принадлежали США, России и Китаю. Спутники имеют самые разные размеры — от мелких, размером со стиральную машину, до больших, даже рассчитанных на обитание на них людей. Самым известным из них сейчас является Международная космическая станция (МКС). Сегодня благодаря спутникам мы получаем прогнозы погоды, смотрим тысячи разных телевизионных каналов, пользуемся интернетом и звоним по телефону. Ну и как в современном мире без стратегических космических объектов, таких как военные спутники.
В целом же, на сегодняшний день в космическом пространстве находится порядка 1000 рабочих спутников. Земная орбита выглядит оживленнее, чем проспект крупного города в час пик. Тем более, что помимо полезного оборудования там можно встретить старые заброшенные и нерабочие спутники, отслужившее свой срок оборудование, части аппаратного обеспечения и ракет-носителей, выводивших спутники на орбиты, фрагменты от взрывов или столкновений спутников с метеоритами. Этот, в прямом смысле слова, орбитальный мусор накапливался на протяжении многих лет, и представляет серьезную угрозу для действующих спутников, а также для будущих пилотируемых и непилотируемых запусков.
Так что же собой представляют спутники? Согласно обычной трактовке, спутник — это любой объект, который движется по кривой вокруг планеты. Например, Луна — это естественный спутник Земли и ближайшее к нам небесное тело. Она находится от нас на расстоянии примерно 350 тысяч километров. Но также рядом с поверхностью Земли находится множество спутников, сделанных руками человека, искусственных. Сразу же немного отвлечемся. Одна из версий возникновения Луны предполагает, что это тоже искусственный спутник, созданный высшей цивилизацией. Уфологи считают, что это мог быть замысел древнего населения земли, обладающего ошеломляющими технологиями, — породить объект, снабжающий людей ночью светом, либо использовать как научную лабораторию, либо как техническую платформу для космического транспорта, либо как военную базу. Теперь, о серьезном. Путь, по которому следует спутник, называется орбитой. Она, как правило, принимает форму окружности, но бывает и эллиптической. Чтобы понять, как движутся искусственные спутники, нужно вновь обратиться к изучениям Ньютона. Он предположил, что сила гравитации существует между двумя любыми объектами во Вселенной. Если бы этой силы не было, то спутники, пролетающие вблизи планеты, продолжали свое движение с одной скоростью и в одном направлении — по прямой. Эта прямая называется инерционным путем спутника, который, однако, уравновешивается сильным гравитационным притяжением, направленным к центру планеты. Когда орбита спутника выглядит как эллипс, она проходит вокруг двух точек, известных как фокусы. В этом случае работают все те же законы движения, разве что планеты расположены в одном из фокусов. В результате, чистая сила, приложенная к спутнику, не проходит равномерно по всему его пути, и скорость спутника постоянно меняется. Он движется быстро, когда находится ближе всего к планете (в точке перигея), и медленнее, когда находится дальше от планеты (в точке апогея).
Какие бывают спутники?
Спутники бывают самых разных форм и размеров и, как мы уже отмечали, выполняют самые разнообразные задачи. Наиболее типичными из них являются:
— Метеорологические спутники. Они помогают метеорологам прогнозировать погоду или видеть, что происходит с ней в данный момент. Эти спутники обычно используют камеры, которые фиксируют изображение атмосферы и передают их на землю.
— Спутники связи. Они позволяют телефонным разговорам ретранслироваться через спутник. Наиболее важной особенностью такого спутника является транспондер — устройство, принимающее, усиливающее и передающее далее сигнал на другой частоте. Так называемое своеобразное радио, которое получает разговор на одной частоте, а после усиливает его и передает обратно на Землю на другой частоте. Спутник обычно содержит сотни и даже тысячи транспондеров.
— Телевизионные спутники. Они работают по аналогии со спутниками связи, но передают телевизионные сигналы с одной точки Земли на другую.
— Бывают также научные спутники, они выполняют различные научные миссии. К ним можно отнести, например, космический телескоп Hubble. Этот спутник помогает вести наблюдения за объектами, которые земные телескопы не в состоянии увидеть, в основном, из-за преграды в виде атмосферы. Кроме того, Hubble может вести наблюдения круглые сутки, а не только в ночное время, как это обычно бывает в земных обсерваториях. В эту же категорию в последнее время относят спутники, снимающие фото- и видеоматериалы земной поверхности для картографических сервисов, но к этому мы еще вернемся.
— Навигационные спутники. Изначально они предназначались для применения в гражданской авиации и морских перевозках для определения местоположения объектов. Яркие представители — системы GPS и ГЛОНАСС. Сегодня используются очень широко в быту. Практически любой смартфон оборудован GPS-модулем, а встроенная навигация в автомобилях становится стандартной опцией.
— Есть также разновидность спутников наблюдения, которые проводят измерения поверхности Земли. Они фиксируют такие данные, как изменения температуры в разных частях света и состояние ледяных шапок гор. Наиболее известны спутники наблюдения серии Landsat.
— Спасательные спутники, выпущенные на орбиту для реагирования на сигналы бедствия SOS и Mayday.
— Военные спутники также постоянно находятся на орбите, но большая часть их работы покрыта тайной. Они могут ретранслировать зашифрованные сообщения, осуществлять наблюдение за ядерным оружием, передвижениями противника, предупреждать о запусках ракет, прослушивать сухопутное радио, осуществлять радиолокационную съемку и картографирование и т.д.
До того, как впервые в космос был запущен автономный объект, стоить упомянуть заметки писателя-фантаста Артура Кларка, который в 1945 году предположил, что спутник может быть размещен на орбите так, что будет двигаться в том же направлении и с той же скоростью, что и Земля. Так называемые геостационарные спутники можно было бы использовать, например, для связи. Спустя только 12 лет СССР удалось успешно запустить на орбиту Земли первый искусственный спутник. Он имел 58 сантиметров в диаметре, весил 83 килограмма и был выполнен в форме шара. Хотя это было революционное на тот момент достижение, содержание «Спутника-1» было весьма скромным по сегодняшним меркам: термометр, батарея, радиопередатчик и газообразный азот, заключенный под давлением внутри спутника. На внешней стороне спутника были установлены четыре штыревые антенны, которые передавали сигналы на коротковолновой частоте 27 MHz. Станции слежения на Земле поймали радиосигнал и подтвердили, что крошечный спутник пережил запуск и успешно вышел на курс вокруг нашей планеты.
Месяц спустя (в ноябре 1957 года) Советский Союз запустил на орбиту второй спутник с капсулой, внутри которой находилась собака Лайка. Возвращение Лайки на Землю конструкцией космического аппарата не предусматривалось. Собака погибла во время полета — через 5 часов после старта от стресса и перегрева, хотя предполагалось, что она проживет около недели. Сам же спутник совершил 2370 витков вокруг Земли, и сгорел в атмосфере 14 апреля 1958 года. В декабре 1957 года, отчаянно пытаясь идти в ногу со своими противниками в «холодной войне», американские ученые попытались вывести спутник Vanguard на орбиту. Но ракета-носитель разбилась и сгорела еще на стадии взлета. Вскоре после этого, 31 января 1958 года, США все же повторили успех СССР, приняв план Вернера фон Брауна, который заключался в выводе спутника Explorer-1 с ракетой U.S. Redstone. Explorer-1 нес инструменты для обнаружения космических лучей. Оказалось, что их гораздо меньше, чем ожидалось.
Воодушевленные этими успехами разрабатывать и запускать спутники начали и частные компании. Особенный бум пришелся на 60-е годы прошлого столетия. Одной из компаний-пионеров была Hughes Aircraft, которой руководил Гарольд Розен. Розен возглавил команду, которая воплотила идею Кларка — спутник связи, размещенный на орбите Земли таким образом, что мог отражать радиоволны из одного места в другое. В 1961 году американское космическое агентство NASA заключило контракт с компанией Hughes на строительство серии спутников Syncom для синхронной связи с Землей. В июле 1963 года Розен и его коллеги увидели, как Syncom-2 взлетел в космос и вышел на грубую геосинхронную орбиту. Президент Кеннеди тогда использовал новую систему, чтобы поговорить с премьер-министром Нигерии. Вскоре взлетел и Syncom-3, который мог транслировать телевизионный сигнал.
Это десятилетие можно назвать эпохой зарождения спутников, как неотъемлемой части дальнейшего развития технологий связи. Но, к сожалению, человеческая беспечность, допускаемые порой ошибки и ряд просчетов привели к тому, что на орбите Земли оказалось огромное количество «мусора». Неудачно запущенные или неконтролируемые спутники, результаты взрыва ракет, их остатки и обломки так и не упали на поверхность Земли. Этот «мусор» вращается вокруг планеты на огромной скорости (около 10 километров в секунду), и если он попадет в человека или в спутник, то результаты могут быть катастрофическими, тем более, что крупные объекты, вроде МКС, представляют собой большие мишени для космического мусора. NASA даже вывело на орбиту специальный спутник под названием LDEF для изучения долгосрочных эффектов от столкновения с космическим мусором. Только за 6 лет датчики спутника зарегистрировали около 20000 столкновений, некоторые из которых были вызваны микрометеоритами, а другие — орбитальным мусором. И ученые продолжают собирать информацию, чтобы выработать стратегию борьбы с таким явлением. Да, кстати, в Японии уже планируют развернуть гигантскую сеть для отлова космического мусора.
Спутники бывают разных форм и размеров и выполняют множество различных функций, однако все они, в принципе, похожи. Имеют металлический или композитный каркас и тело, а также космическую платформу. У всех спутников есть источник питания. Как правило — это солнечные батареи, массивы которых позволяют заряжать аккумуляторы. Новейшие спутники включают и топливные радиоактивные элементы. Такая энергия очень дорога и крайне ограничена. Ядерные элементы питания обычно используются для отправки космических зондов к другим планетам. Спутники также оснащены бортовыми компьютерами для контроля и мониторинга различных систем. Благодаря радиопередатчику и радиоприемнику имеется возможность запросить с Земли информацию о состоянии спутника и наблюдать за ним, благодаря чему персонал в центрах управления полетами может вносить самые разные корректировки в работу бортового компьютера: от изменения орбиты до полного перепрограммирования.
Орбиты спутников
Сегодня все спутники выводятся на орбиту на ракете-носителе, которая должна набрать скорость порядка 40000 км/ч, чтобы полностью преодолеть земную гравитацию и улететь в космос. После выхода в открытое космическое пространство спутник должен двигаться с так называемой первой космической скоростью — около 8 километров в секунду (примерно 28000 км/ч). При этом его высота должна быть порядка 240 километров над Землей. Если спутник будет двигаться слишком быстро и наберет вторую космическую скорость (11,2 км/c), его унесет далеко за пределы околоземной орбиты вглубь Солнечной системы, а если спутник будет двигаться слишком медленно, то гравитация притянет его обратно к Земле. Скорость спутника постоянно поддерживается таким образом, чтобы он совершал полный оборот вокруг Земли за 24 часа. А поскольку полный оборот Земли также осуществляется за 24 часа, то спутник находится фиксированной позиции относительно ее поверхности. Эта позиция называется геостационарной. Всего же позиции спутников по отношению к Земле имеют четыре классификации:
1. Геостационарная орбита. Геостационарные спутники двигаются вокруг Земли на высоте, превышающей 36000 км и с той же скоростью вращения, что и сама планета. Поэтому спутники на этой орбите всегда позиционируются к одному и тому же месту на Земле. Многие геостационарные спутники летают по экватору, что породило множество «пробок» в этом сегменте космоса. Сотни телевизионных, коммуникационных и погодных спутников используют геостационарную орбиту.
2. Низкая околоземная орбита (НОО). Спутники на этой позиции занимают область пространства от 180 до 2000 километров над Землей. Они движутся близко к поверхности Земли и поэтому идеально подходят для проведения наблюдений в военных целях и для сбора информации о погоде.
3. Средняя околоземная орбита (СОО). Спутники летают на расстоянии от 2000 до 36000 км над поверхностью Земли. На этой высоте хорошо работают навигационные спутники GPS.
4. Высокоэллиптические (HEO — Highly Elliptical Orbit). Спутники с вытянутыми эллиптическими орбитами, имеющими радиус перигея в пределах 1000 км и радиус апогея в пределах от одного до несколько десятков тысяч километров. На таких орбитах можно эксплуатировать спутники разного назначения, так как одним из их главных преимуществ является возможность охвата больших территорий, например, сразу половины континента.
Задачи спутников связи
И хотя задача ряда спутников, запущенных на орбиту, — наблюдение за звездами, планетами и галактиками, а также сканирование объектов вроде астероидов и комет, которые могут столкнуться с Землей, большинство спутников, отправленных в космос за последние десятилетия, предназначены для наблюдения и организации связи между различными точками земного шара. Изначально возникновение спутниковой связи было продиктовано потребностями передачи больших объемов информации. Первой системой спутниковой связи стала Intelsat, а затем были созданы аналогичные региональные организации вроде Eutelsat, Arabsat и другие. С течением времени доля передачи речи в общем объеме магистрального трафика постоянно снижалась, уступая место передаче данных, но спрос на спутниковую связь все еще велик, так как большим преимуществом подобного рода связи остается ее мобильность. Достаточно установить небольшую приемную антенну VSAT (Very Small Aperture Terminal) и поймать сигнал на нужной частоте. Правда, маленькие VSAT-приемники становятся узким местом в системе приема сигнала, что напрямую отражается на качестве сигнала. Для того, чтобы мощность сигнала, достигающего приемника, была достаточной, применяют два подхода. Первый заключается в расположении спутников на геостационарной орбите с очень мощным передатчиком. Такое решение практикуется британской компанией Inmarsat, в распоряжении которой на сегодняшний день находится 11 телекоммуникационных спутников.
До недавнего времени основной специализацией компании Inmarsat являлось предоставление услуг связи морским судам, в том числе военным, благодаря тому, что их спутники покрывают не только сухопутные территории, но и все океаны. После того, как в авиационной индустрии встала задача предоставления услуг мобильной связи на борту самолетов, сотовые операторы по всему миру выбрали в качестве оптимального партнера этого спутникового провайдера (читайте нашу статью «Связь на борту авиалайнера» в апрельском номере за 2013 год). Геостационарные спутники всегда находятся под одним и тем же углом относительно Земли, поэтому достаточно лишь один раз навести приемники и антенны на требуемый угол спутника. Это позволяет организовать круглосуточную трансляцию телеканалов, а также обеспечить двухсторонний доступ в интернет через спутник.
Помимо угла над горизонтом, в спутниковой связи используется также различные диапазоны частот, обозначаемые латинскими буквами. Над территорией Европы и Ближнего востока спутники осуществляют трансляцию телепередач в диапазонах C и Ku. Диапазон С работает на более низкой частоте, и для работы с ним требуются антенны большего диаметра, а также дорогостоящие и крупногабаритные усилители. Однако данный диапазон обладает меньшей чувствительностью к капризам погоды. Диапазон Ku вещает на более высоких частотах, поэтому для работы с ним могут быть использованы «тарелки» меньшего диаметра и не такие громоздкие конвертеры. Однако данный диапазон имеет свойство немного «затухать» при прохождении через атмосферу. В Западном полушарии популярны диапазоны L- и S-частот. Последний диапазон широко применяется в США спутниковыми радиостанциями.
Вторым системным подходом является расположение спутников на наклонных или полярных орбитах. При этом требуемая мощность передатчика может быть не так высока, да и стоимость вывода спутника на орбиту на порядок ниже. Однако такой подход требует не только наличия большого числа спутников на орбите, но и разветвленной сети наземных коммутаторов. Подобный метод сегодня используется американскими спутниковыми операторами Iridium и Globalstar, а в начале июня этого года и корпорация Google объявила, что планирует развернуть собственную систему спутников по такой же технологии, чтобы обеспечить интернетом отдаленные уголки планеты. В проект планируется вложить от 1 до 3 млрд. долларов.
Говоря о Google, нельзя не упомянуть и сервисы корпорации по предоставлению спутниковых изображений с Земли — Google Earth и Google Maps. Изначально можно подумать, что Google и другие картографические сервисы (Microsoft Live Maps, Nokia Maps, Яндекс.Карты и пр.) запустили для этих целей собственные спутники, но на самом деле изображения запрашиваются у таких компаний как GeoEye и DigitalGlobe. Именно они владеют спутниками с камерами на борту, позволяющими осуществлять высококачественную съемку поверхности Земли. Кстати, далеко не все снимки в Google Earth получены с помощью спутников. Многие из них осуществляются при помощи аэрофотосъемки, с самолетов со специальными фотокамерами высокого разрешения.
Досье Azerspace-1
7 февраля 2013 года с космодрома Куру во Французской Гвиане был запущен первый азербайджанский спутник связи Azerspace-1/Africasat-1a, построенный американской компанией Orbital Sciences Corporation. Он находится на геостационарной орбите на позиции 460 восточной долготы и охватывает регион Европы, Африки, Центральной Азии, стран Кавказа и Ближнего Востока. Спутник предназначен для оказания телерадиовещательных и телекоммуникационных услуг странам этого региона. Планируется, что срок эксплуатации спутника на орбите составит как минимум 15 лет. Работа спутника находится в ведении ОАО Azerсosmos с непосредственным подчинением Министерству связи и высоких технологий Азербайджана. Полезная нагрузка спутника Azerspace-1/Africasat-1a, построенного на платформе STAR-2, состоит из 36 транспондеров (24 транспондера диапазона C-частот и 12 транспондеров диапазона Ku-частот). Частотная полоса каждого транспондера — 36 MHz. Вес спутника составляет 3300 кг.
Очевидно, что запуск спутника и его последующая эксплуатация, контроль и поддержка является одной из самых трудоемких и затратных отраслей промышленности. Строительство сложного спутника, независимо от возложенных на него задач, требует массы ресурсов, поэтому только правительственные ведомства и корпорации с большим бюджетом могут войти в спутниковый клуб. Большая часть стоимости спутника заложена в оборудовании: транспондерах, компьютерах и камерах. Например, обычный метеорологический спутник стоит около 290 млн. долларов. Не следует забывать и о стоимости содержания и ремонта спутников. Компании-владельцы должны платить за пропускную полосу спутника так же, как, например, владельцы телефонов платят за сотовую связь. Обходится иногда это более чем в 1,5 млн. долларов в год. Другим важным фактором является стоимость запуска. Вывод спутника на орбиту может стоить от 10 до 400 млн. долларов, в зависимости от аппарата. Например, запуск национального спутника связи Azerspace-1/Africasat-1a обошелся в 233 млн. манатов. Из них 121,7 млн. долларов было затрачено непосредственно на изготовление спутника, 93,8 млн. долларов — на запуск, а расходы на сумму 17,5 млн. долларов закрыли такие статьи, как страхование запуска спутника, стоимость годовой эксплуатации и прочие затраты, связанные со страхованием. При этом, сумма в 121,7 млн. долларов была израсходована не только на производство спутника, но и на строительство необходимого наземного оборудования, подготовку кадров и др.
Несмотря на большие затраты и риски, связанные с постоем, запуском и эксплуатацией спутников и космических аппаратов в целом, данная индустрия продолжает развиваться. Ученые прекрасно осознают, что космос является самой неизведанной территорией, а зависимость человечества от возможностей, которые могут предоставить телекоммуникационные и другие типы спутников, в дальнейшем будет только расти.
Автор статьи: Анар Алиев
