Виктор Петров - Искусственный спутник земли

За те же 96 минут Земля повернется вокруг своей собственной оси на 24° так, что спутник, сделавший один полный оборот, уже окажется над другими странами и с каждым новым оборотом будет пролетать над все новыми точками Земли. Это справедливо для любой орбиты за исключением одной: если плоскость орбиты будет совпадать с плоскостью экватора, то спутник будет пролетать всегда над одними и теми же странами, расположенными на экваторе. Если плоскость орбиты спутника пройдет через полюса, то в течение суток он побывает в разное время над различными странами мира.

В любом промежуточном положении, т. е. если плоскость орбиты будет составлять любой угол с плоскостью экватора, спутник, вращаясь вокруг Земли, будет проходить над различными земными географическими точками, заключенными в пределах удвоенного такого угла.

Указанные три положения орбиты искусственного спутника Земли (полярная, экваториальная и наклонная) представлены на рис. 57.

Частота прохождения ИСЗ над одной и той же точкой на Земле будет зависеть как от числа оборотов, совершаемых ИСЗ вокруг Земли в сутки, так и от географической широты, на которой расположена данная точка.

Спутник, запущенный на высоту 1730 км, облетит земной шар примерно за 2 часа, т. е. сделает 12 оборотов вокруг Земли в сутки. За время одного оборота ИСЗ Земля повернется на 30°. Если бы мы захотели, чтобы спутник находился над одной и той же точкой на поверхности Земли, то нам пришлось бы запустить его, во-первых, в плоскости экватора, а во-вторых, на высоту 35 800 км над поверхностью Земли, что составляет около 6 земных радиуса [36]. Только в этом случае угловая скорость вращения Земли и ИСЗ будут одинаковы.

Если не учитывать различных возмущений (влияния Луны, сжатия Земли, сопротивления воздуха), то искусственные спутники, как и всякие другие тела, будут двигаться вокруг Земли по эллиптическим орбитам. При этом период обращения спутника Т вокруг Земли может быть определен по формуле

где π=3,14;

χ=6,67∙10 -8 — постоянная всемирного тяготения, или гравитационная постоянная;

М З=5,98∙10 27 г — масса Земли;

а — большая полуось эллиптической орбиты в сантиметрах;

Т — период обращения спутника в секундах.

Спутник, движущийся недалеко от поверхности Земли, что нереально, делал бы один оборот за 1,41 часа. На высоте 400 км над Землей спутник сделает один оборот за 1,54 часа. Скорость такого спутника равна 7,7 км/сек, или 28 000 км/час.

Из приведенных примеров следует, что далеко не безразлично, где будет запущен ИСЗ.

От того, как он будет запущен, будет зависеть высота орбиты. (Под способом запуска мы понимаем в данном случае программу полета ракеты-носителя ИСЗ, о которой говорилось выше.)

Но оказывается небезразлично даже, когда, т. е. в какое время года и суток, будет запущен ИСЗ.

Мы уже говорили, что искусственный спутник с помощью специальных батарей будет получать энергию непосредственно от Солнца. Если эта солнечная батарея жестко связана с корпусом ИСЗ, то определенная его сторона должна все время освещаться солнечными лучами. Для этого надо запустить спутник на орбиту, плоскость которой перпендикулярна солнечным лучам. Такой запуск можно осуществить лишь в определенное время суток, когда радиус, соединяющий точку старта с центром Земли, перпендикулярен солнечным лучам. Время года также надо учитывать при запуске спутника. Если спутник летает по упомянутой орбите, все равно в результате вращения Земли вокруг Солнца наступит момент, когда Земля скроет (экранирует) Солнце от спутника. Это обстоятельство тоже будет учитываться при запуске, с тем чтобы обеспечить ИСЗ наибольший срок для аккумулирования электрической энергии в таком количестве, чтобы ее запасов хватило на то время, когда Солнце будет скрыто от спутника.

Может возникнуть вопрос, по любой ли орбите, по нашему выбору, мы можем запустить спутник. Оказывается, что нет. Существует одно обязательное условие, заключающееся в том, что плоскость орбиты должна обязательно проходить через центр Земли.

Действительно, представим себе, что плоскость орбиты будет совпадать с плоскостью параллели, расположенной севернее экватора. В этом случае масса Земли, лежащая от этой плоскости к югу, будет больше, чем масса, лежащая от нее к северу, и, следовательно, сила ее притяжения будет также большей и будет стремиться сместить плоскость орбиты ИСЗ по направлению к экватору. Это будет продолжаться до тех пор, пока плоскость орбиты ИСЗ не совместится с плоскостью экватора, т. е. не придет в положение, когда силы притяжения южного и северного полушария уравновесятся.

Когда мы говорим, что «орбита ИСЗ проходит через полюса» или «будет лежать в плоскости экватора», то, строго говоря, это не совсем точно. Дело в том, что масса земного шара расположена неравномерно в отношении основных земных координат. Следовательно, в действительности нельзя утверждать, что массы северного и южного или западного и восточного полушария равны между собою, а потому и сила их притяжения будет неодинакова. Действительная плоскость орбиты с плоскостью экватора точно не совпадет, а совместится с плоскостью, разделяющей земной шар на две половины, имеющие равные массы.

Мы указывали выше, что центр тяжести Земли отстоит от ее геометрического центра примерно на 500 км. По этой причине, а также из-за неравномерности распределения массы Земли орбита ИСЗ будет подвергаться в разные промежутки времени неодинаковой силе притяжения, и, следовательно, действительный путь спутника не будет представлять собой правильной окружности или эллипса и не будет даже лежать в какой-либо одной плоскости, а будет представлять собою кривую довольно сложной формы. Кроме того, по тем же причинам скорость спутника, оставаясь в среднем равной круговой скорости, на отдельных участках орбиты будет меняться, увеличиваясь или уменьшаясь.

Заканчивая рассказ об орбитах, заметим, что космический корабль, которому придана вторая космическая скорость, будет двигаться по параболе, а в том случае, если его скорость будет больше второй космической, он будет двигаться по гиперболе, уходя в обоих случаях за пределы земного притяжения.

Интересно задаться теперь вопросом, какова же может быть продолжительность существования ИСЗ?