Штучні супутники Землі. Розвиток космонавтики

1. Поняття штучного супутника Землі

Цікавим і важливим випадком руху тіла під дією сили тяжіння є рух штучних супутників Землі. І.Ньютон писав в одній із своїх праць: «Уявимо собі, що на дуже високій горі встановили величезну гармату і стріляють з неї в горизонтального напрямі. Чим більше швидкість снаряда, тим далі він полетить. І якщо швидкість снаряда буде достатньо великою, то він облетить всю Землю по коловій орбіті, тобто стане штучним супутником Землі». Дійсно, така ситуація можлива, якщо тіло, кинуте горизонтально, буде падати на Землю, а Земля нібито «відходитиме» з-під тіла на таку саму відстань. У результаті тіло буде рухатися на висоті h над поверхнею Землі.

Штучний супутник Землі – це тіло, яке рухається на певній висоті над поверхнею Землі по коловій орбіті.

Існує декілька видів штучних супутників:

1. Астрономічні супутники

2. Біосупутники

3. Метеорологічні супутники

4. Мініатюрні супутники

5. Навігаційні супутники

6. Орбітальні станції

7. Супутники зв'язку

8. Супутники спостереження за Землею

9. Супутники-шпіони

Найбільш поширені:

Метеорологічний супутник — штучний супутник Землі, в програму роботи якого входить фотографування хмарності і інші спостереження за станом нижнього шару атмосфери.

Навігаційний супутник — штучний супутник Землі, призначений для забезпечення навігації у просторі.

За допомогою навігаційної радіотехнічної апаратури в декількох точках орбіти вимірюються дальність і швидкість відносно судна, літака, автомобіля чи іншого пристрою обладнаного приймальним обладнанням.

Орбітальна станція (ОС) — космічний апарат, призначений для довгострокового перебування людей на навколоземної орбіті з метою проведення наукових досліджень в умовах космічного простору, розвідки, спостережень за поверхнею й атмосферою планети, астрономічних спостережень, тощо

Від штучних супутників Землі відрізняється наявністю екіпажа, що періодично змінюється за допомогою транспортних кораблів, що доставляють на ОС зміну екіпажа, запаси палива й матеріалів для функціонування технічних систем станції, засобу життєзабезпечення екіпажа, особисту кореспонденцію його членів, запасні частини для ремонту й модернізації самої станції, блоки встаткування для розширення її функцій, матеріали для проведення нових досліджень тощо Спускаючий апарат транспортного корабля доставляє на Землю змінених членів екіпажа й результати проведених досліджень і спостережень.

Супутниковий зв'язок — один з видів радіозв'язку, заснований на використанні штучних супутників Землі на яких змонтовані ретранслятори. Супутниковий зв'язок здійснюється між земними станціями, які можуть бути як стаціонарними, так і мобільними.

3. Перша космічна швидкість

Швидкість, за якою тіло, що кинуте горизонтально, починає обертатися по колу навколо Землі поблизу її поверхні, називається першою космічною швидкістю.

Обчислимо першу космічну швидкість для супутника, який обертається навколо Землі по коловій орбіті на невеликій висоті h (h<<R). У цьому випадку доцентрове прискорення супутника дорівнює прискоренню вільного падіння: a=g. Але доцентрове прискорення а= , де R – радіус Землі, =g, v=.

Якщо підставити в цю формулу g=9,8 м/с2 і R= 6,37·106м, то v≈7,9·103м/с.

Надати такої швидкості тілу не просто. Тільки 4 жовтня 1957 р. вперше в історії людства вченим і інженерам колишнього СРСР вдалося за допомогою потужної ракети надати першої космічної швидкості тілу масою 83 кг, яке й стало першим штучним супутником Землі.

Для того щоб це зробити, супутник за допомогою ракети-носія виводять у верхні шари атмосфери, а потім одночасно розганяють до першої космічної швидкості і піднімають до обчисленої висоти. При цьому на цій висоті вектор швидкості напрямлений перпендикулярно до радіуса кола, по якому супутник рухається.

Мінімальна швидкість, яка необхідна для того, аби супутник вийшов зі сфери земного тяжіння і став штучним супутником Землі і супутником Сонця, називається другою космічною швидкістю. Вона дорівнює v=11,2·103м/с. Вперше друга космічна швидкість була досягнута в СРСР 2 січня 1959 р.

Мінімальна швидкість, яка необхідна для того, аби космічний корабель подолав притягання Сонця і віддалився в просторі Галактики, називається третьою космічною швидкістю. Її величина залежить від напряму запуску космічного корабля. Якщо запускати у напрямі орбітального руху Землі навколо Сонця, тоді вона дорівнюватиме 17 км/с. Якщо ж запускати корабель в бік, протилежний руху Землі, то третя космічна швидкість зростає до 73км/с.

Перша і друга космічні швидкості. Розрахунок орбітальної швидкості супутників

Розглянемо фізичне обґрунтування космічних польотів.

Якщо тіло масою m підняти на висоту h над Землею і надати йому горизонтальної швидкості , то воно при цьому полетить по параболі.

Зі збільшенням швидкості тіла дальність його польоту збільшується прямо пропорційно (рис. 1). За деякої граничної швидкості тіло не зможе впасти на Землю, а буде обертатись навколо неї по коловій орбіті радіусом (R + h), перетворившись на штучний супутник Землі.

Рис. 1



Швидкість, яку потрібно надати тілу для того, щоб воно стало штучним супутником Землі, називають першою космічною швидкістю. Розраховують її так. На тіло діють сила притягання Землі, яка напрямлена до центра планети і, згідно з третім законом Ньютона, сила реакції опори, яка напрямлена від центра обертання. Знайдемо швидкість руху тіла, за якої значення доцентрового прискорення має бути таким, щоб тіло утримувалось на коловій орбіті:

За формулою (1) визначають значення першої космічної швидкості на висоті h над поверхнею Землі. На поверхні Землі h = 0, отже, . Підставивши останній вираз в (1), знаходимо . Якщо g = 9,8 м/с2 i R = 6,4·106 м, то біля поверхні Землі 1 = 7,9 км/с.

Таким чином, тіло, швидкість якого дорівнює 7,9 км/с і напрямлена горизонтально відносно поверхні Землі, стає штучним супутником, що рухається по коловій орбіті.

Швидкість, якої потрібно надати тілу, щоб воно, подолавши притягання планети, перетворилося в супутник Сонця, називають другою космічною. Для Землі друга космічна швидкість . Якщо значення швидкості більше 7,9 км/с, але менше 11,2 км/с, орбіта супутника Землі є еліптичною. Розвинувши швидкість 11,2 км/с, тіло почне рухатися по параболі і більше не повернеться до Землі.

Розвиток космонавтики

Можливо, вже багато тисяч років тому, дивлячись на нічне небо, людина мріяла про політ до зірок. Міріади мерехтливих нічних світил будили уяву, спонукали замислюватися над таємницями всесвіту. Минали століття, людина набувала дедалі більшої влади над природою, але мрія про політ до зірок залишалася так само нездійсненною, як і тисячі років тому. Легенди і міфи всіх народів сповнені розповідей про політ до Місяця, Сонця і зірок. Засоби для таких польотів, що пропонувалися народною фантазією, були примітивні: колісниця, запряжена орлами, крила, прикріплені до рук людини. У XVII столітті з’явилося фантастичне оповідання французького письменника Сірано де Бержерака про політ на Місяць. Герой цього оповідання дістався Місяця в залізній смужці, над якою він весь час підкидав сильний магніт. Притягаючись до нього, смужка дедалі вище піднімалася над Землею, поки не досягла Місяця. «З гармати на Місяць» вирушили герої Жуля Верна. Відомий англійський письменник Герберт Уельс описав фантастичну подорож на Місяць у снаряді, корпус якого був зроблений з матеріалу, не схильному піддаватися дії сили тяжіння. Пропонувалися різні засоби для здійснення космічного польоту. Письменники-фантасти згадували і ракети. Проте ці ракети були технічно необґрунтованою мрією. Учені за багато століть не назвали жодного засобу, за допомогою якого можна подолати могутню силу земного тяжіння і полинути в міжпланетний простір. Велика честь відкрити людям дорогу до інших світів випала на долю К. Е. Ціолковського. Реактивним принципом руху він почав цікавитися дуже рано. Вже в 1883 р. він дав опис корабля з реактивним двигуном. Вже 1903 року Ціолковський вперше у світі запропонував конструювати схему рідинної ракети. Ідеї Ціолковського здобули загального визнання ще в 1920-ті роки. І блискучий продовжувач його справи С. П. Корольов за місяць до запуску першого штучного супутника Землі говорив, що ідеї та праці Костянтина Едуардовича будуть дедалі більше привертати до себе увагу в міру розвитку ракетної техніки, у чому мав цілковиту рацію! Ще 1911 року Ціолковський виголосив: «Людство не залишиться вічно на Землі, але, в гонитві за світлом і простором, спочатку боязко проникне за межі атмосфери, а потім завоює собі весь навколосонячний простір».

Перші кроки

Основоположником сучасної космонавтики по праву вважається великий російський вчений-самоучка К. Е. Ціолковський, який ще наприкінці XIX століття висунув ідею про можливість і необхідність освоєння людиною космічного простору. Спочатку ці думки були подані ним у вигляді науково-фантастичних повістей, а потім у 1903 р. вийшла друком знаменита робота «Дослідження світових просторів реактивними приладами», у якій він описав можливість досягнення космічних швидкостей та інших небесних тіл за допомогою ракети на рідкому паливі. Згодом він опублікував ще низку робіт, присвячених ракетній техніці і освоєнню космосу. У Ціолковського з’явилися послідовники і популяризатори як у Росії, так і в інших державах. В Америці — професор Годдард, який 1926 р. побудував і випробував у польоті першу у світі ракету на рідкому паливі. У Німеччині — Оберт і Зенгер. У Росії популяризатором ідей Ціолковського став, зокрема, Я. І. Перельман (автор книги « Цікава фізика»). Деякі інженери та вчені взялися розвивати його ідеї. У 1918 р. в Новосибірську вийшла книга Ю. В. Кондратюка «Тим, хто буде читати, щоб будувати», у якій автор дає оригінальний висновок формули Ціолковського, пропонує схему триступінчатої киснево-водневої ракети, орбітального космічного корабля, схему польоту на Місяць (саме її використали американці, оскільки вона виявилася оптимальною). Шкода, що цей талановитий інженер не зміг взяти участь у створенні ракетної техніки — у 30-х його посадили до в’язниці «за шкідництво» (він саме працював над будівництвом елеваторів), потім випустили, але він загинув під час війни. У 1924 р. інший інженер, захоплений ідеєю міжпланетних подорожей, Ф. А. Цандер у своєї книзі «Польоти на інші планети» запропонував комбінацію літака з ракетою.

Значний внесок у розробку космічних апаратів зробили вчені С. П. Корольов, М. К. Янгель, В. Браун та ін. Завдяки їхній натхненній праці 4 жовтня 1957 р. у СРСР було запущено перший штучний супутник Землі. 12 квітня 1961 р. радянський громадянин Юрій Гагарін став першим в історії людства пілотом космічного корабля «Восток».

Одним із визначних досягнень космічної програми США став політ космічного корабля «Аполлон», який дав можливість астронавту Нілу Армстронгу в 1969 р. здійснити першу прогулянку поверхнею Місяця.

У 1997 р. здійснив подорож у космос і громадянин незалежної України Леонід Каденюк, який провів серію наукових експериментів на космічному кораблі «Шатл».

Внесок українських вчених у розвиток космонавтики

Становлення космічної галузі України почалося 1937 року зі створення в Харківському авіаційному інституті Харківської реактивної групи під керівництвом Г. Проскури, що здійснила запуск великої стратосферної ракети під Харковом.

У 1951 р. за рішенням Радянського Уряду великий автомобільний завод, що будується в Дніпропетровську, був перетворений у завод № 586 для виробництва радянських ракет Р-1. Для реалізації проекту щодо розробки ракети Р-12 з новими бойовими якостями 1954 р. на території заводу було створене самостійне Особливе конструкторське бюро, головним конструктором якого був призначений Михайло Янгель. У 1966 р. завод № 586 був перейменований у Південний машинобудівний завод, а конструкторське бюро № 586 — у конструкторське бюро «Південне».

У 1957 р. на базі бойової ракети Р-12 була створена космічна ракета-носій «Космос», що була в експлуатації до 1977 року.

Українські підприємства й організації «Комунар», «Арсенал», «Моноліт», Євпаторійський космічний центр брали участь у підготовці запуску першого штучного супутника Землі, виведеного на орбіту 4 жовтня 1957 року.

З початку 60-х років підприємства України почали розробку і виробництво систем керування, бортової автоматики та інших систем і приладів для космічних об’єктів і комплексів.

12 квітня 1961 року російська модифікована міжконтинентальна балістична ракета Р-7, обладнана приладами підприємств «Комунар» і «Арсенал», вивела на навколоземну космічну орбіту першого в історії людства космонавта Юрія Гагаріна.

Діяльність конструкторського бюро «Південне» у сфері наукових досліджень почалася 1961 року з розробки космічних апаратів «Метеор» і «Стріла».

У 1962 р. ракета-носій «Космос» вивела на орбіту перший супутник дніпропетровської розробки ДС-2, а 1967 року ракетою-носієм «Космос» на орбіту був виведений орієнтований в атмосфері супутник «Космічна стріла».

З 1965 року в конструкторському бюро «Південне» почалися роботи зі створення серії малих уніфікованих супутників для проведення наукових досліджень.

У середині 60-х років завод і конструкторське бюро «Південне» почали розробку космічних ракет-носіїв «Циклон» на базі бойових міжконтинентальних ракет Р-36.

У 1969 р. з ініціативи конструкторського бюро «Південне» зі створення і реалізації міжнародної космічної програми «Інтер-космос» відбулося виведення на орбіту першого супутника — «Інтер-космос-1».

У рамках співробітництва з Французьким космічним центром протягом 1971-1982 рр. були здійснені запуски наукових супутників серії «Ореол», створених конструкторським бюро «Південне» і Южмашем.

На початку 70-х років конструкторське бюро «Південне» почало розробляти автоматичні універсальні орбітальні станції з орієнтацією на Землю і Сонце.

Фахівцями конструкторського бюро «Південне» була надана технічна допомога Індійської організації космічних досліджень під час розробки і запусків у 1975-1979 роках індійських супутників «Аріабхата» і «Бхаскара».

У 1976 р. у конструкторському бюро «Південне» під керівництвом Володимира Уткіна почалися роботи зі створення космічного ракетного комплексу «Зеніт», розробка й іспити якого продовжувалися протягом 10 років.

На початку 80-х років почалися роботи із запусків космічних апаратів серії «Океан» для дистанційного зондування і дослідження Світового океану.

Для реалізації космічної діяльності в незалежній Україні в 1992 році був створений спеціальний орган виконавчої влади — Національне космічне агентство України.

Через два роки була прийнята перша Державна космічна програма України на 1993-1997 роки.

За нових умов успішно почалися розвиток і розробка нових космічних проектів і програм.

У 1995 р. Державне конструкторське бюро «Південне» і виробниче об’єднання «Южмаш» разом з партнерами зі США, Росії і Норвегії почали реалізацію унікального проекту «Морський старт» зі створення ракетно-космічного комплексу з однойменною назвою.

Того ж року з космодрому Плесецьк ракета-носій «Циклон-3» зробила запуск на орбіту першого супутника під юрисдикцією України «Сич-1».

У 1996 р. були створені Інститут космічних досліджень і Національний центр керування й випробування космічних засобів у місті Євпаторія.

На черговій сесії Верховної Ради України в 1996 р. був прийнятий Закон України «Про космічну діяльність».

У 1997 р. Державне конструкторське бюро «Південне» у співробітництві з російськими й українськими підприємствами почали створення космічного ракетного комплексу «Дніпро» на базі міжконтинентальних балістичних ракет РС-20 (SS-18 «Сатана» за класифікацією НАТО).

У рамках розвитку міжнародного співробітництва в листопаді 1997 року відбувся політ першого космонавта-дослідника незалежної України Леоніда Каденюка в складі екіпажа американського космічного корабля «Колумбія» місії STS-87.

З метою підвищення ефективності космічної діяльності України 1998 року до сфери керування Національного космічного агентства були передані підприємства й установи космічної галузі.

З 1999 року почалася активна реалізація міжнародних і національних космічних програм.

У березні 1999 року відбувся перший запуск ракети-носія «Зеніт-3SL» за програмою «Морський старт», коли на орбіту був виведений макет супутника. У жовтні ракета-носій «Зеніт-3SL» здійснила перший комерційний запуск із плавучого космодрому і вивела на геостаціонарну орбіту американський супутник зв’язку Direc TV-1R.

У квітні 1999 року був реалізований перший запуск ракети-носія «Дніпро», що вивів на орбіту англійський супутник «Уосат-12».

У липні 1999 року ракета-носій «Зеніт-2» запустила на орбіту україно-російський супутник дистанційного зондування Землі «Про».

Запуск ракетою-носієм «Зеніт-3SL» американського супутника PanAmSat-9 за програмою «Морський старт» відбувся в липні 2000 року.

У вересні 2000 року ракета-носій «Дніпро-1» успішно запустила п’ять іноземних невеликих супутників: «Саудісат-1А» і «Сауді- сат-1Б, що належать Саудівської Аравії, італійські «Унісат» і «Мегсат», і малайзійський супутник «Тіунгсат».

У 2001 р. були здійснені шість пусків українських ракет-носіїв Зеніт-2, Зеніт-3SL, Циклон-2, Циклон-3. Виведені на орбіти 15 космічних апаратів, одним із яких був україно-російський космічний апарат «АУОС-СМ-КФ», призначений для реалізації програми дослідження сонячної активності в рамках спільного україно-російського проекту «КОРОНАС».

15 червня 2002 року був здійснений останній до цього часу пуск РН «Зеніт-3SL». Був виведений на орбіту космічний апарат «Galaxy IIIC».

24 жовтня 2002 року Верховна Рада України прийняла Третю Загальнодержавну (Національну) космічну програму України на 2003-2007 роки.

20 грудня 2002 року конверсійна ракета-носій «Дніпро» вивела на орбіту шість космічних апаратів закордонних замовників.

Як бачимо, внесок українських вчених у розвиток світової космонавтики є досить вагомим і значним.