Управление спутником. Как работают спутники? Что есть внутри типичного спутника

Мы быстро привыкаем к прогрессу. Вещи, которые нам несколько лет назад казались фантастикой, сегодня не замечаются и воспринимаются как всегда существовавшие. Достаточно покопаться в старых вещах, как вдруг найдется монохромный мобильный телефон, дискета, магнитофонная кассета или даже катушка. Не так давно это было. Не так давно и интернет был «по талонам» под скрип модема. А кто-то помнит 5,25″ жесткие диски или даже магнитофонные кассеты с компьютерными играми. И обязательно найдется тот, кто скажет, что в его время были 8″ дискеты и бобины для ЕС ЭВМ. И в тот момент ничего не было современнее, чем это.

В эти недели можно наблюдать традиционные мероприятия, посвященные запуску первого Спутника – началу Космической эры. Силой случая спутник, который должен быть первым, стал третьим. А первым полетел совсем другой аппарат.
Этот текст о том, как просто сейчас услышать спутники на околоземных орбитах и как это было в начале космической эры. Перефразируя известной когда-то книги Е. Айсберга: «Спутник – это очень просто!»

За последние 5-10 лет космос стал ближе к неспециалистам, как никогда. Появление технологии SDR, а затем донглов RTL-SDR открыло легкий путь в мир радио людям, которые к этому никогда не стремились.

Зачем это надо?

Ремарка о радиолюбителях и первых спутниках

Если для Запада Спутник был большим сюрпризом, то, по крайней мере, советские радиолюбители были предупреждены за несколько месяцев до события.
Взглянув на страницы журнала «Радио» , можно с лета 1957 года найти статьи, как об искусственном спутнике, запуск которого ожидается в ближайшее время, так и схемы аппаратуры для приема сигналов спутника.
Ажиотаж вызванный Спутником был неожиданным, и оказал сильное влияние на такие «не научные» сферы жизни общества, как например, мода, дизайн автомобилей и пр.
The Kettering Group of amateur satellites trackers прославилась в 1966 году, обнаружив советский космодром в Плесецке. Группа наблюдателей возникла в гимназии города Кеттеринг (Великобритания) и первоначально преподаватель с помощью радиосигналов спутников демонстрировал эффект Доплера на уроках физики. В последующие годы группа объединила любителей, специалистов из разных стран. Один из её активных участников – Свен Гран, проработавший всю жизнь в шведской космонавтике (Swedish Space Corporation).

На своем сайте он опубликовал статьи об истории ранней космонавтики, аудиозаписи сделанные в 1960-1980-е. Интересно послушать голоса советских космонавтов во время будничных сеансов связи. Сайт рекомендуется к изучению любителям истории космонавтики.

Любопытство. Хотя «всё можно найти в интернете», немногие задумываются, что с начала это «всё» кто-то помещает в интернет. Кто-то пишет истории, кто-то делает интересные фото, а потом уже это расходится по сети ретвитами и репостами.

Можно по-прежнему слушать переговоры космонавтов, которые особо активны в момент прибытия/убытия экипажа с МКС. Кое-кому удавалось ловить переговоры во время выхода в открытый космос. Не всё показывает НАСА ТВ, особенно потому, что над Россией для НАСА – это слепые зоны полета, а TDRS еще летают не в достаточном количестве. Из любопытства можно принимать погодные спутники NOAA (пример методики) и Meteor (снимки имеют лучшее разрешение пример) и узнавать несколько больше информации, чем это публикуется в СМИ.

Можно узнать из первых рук, как «поживают» множество cubesat.

У некоторых есть программы для приема и расшифровки телеметрии, другие телеграфируют в явном виде. Примеры можно посмотреть .

Можно наблюдать работу ракет-носителей и разгонных блоков при выводе груза на заданную орбиту. Это же оборудование можно использовать для отслеживания стратосферных зондов. Вот , например, удивительный случай для меня – шар вылетел из Британии 12 июля и на высоте 12 километров уже сделал пару кругосветных путешествий, пролетел на Северным полюсом. Недавно был замечен над Сибирью. Очень мало приемных станций участвующих в проекте.

Собственно, что нужно для приёма?

1. Приемник, работающий в необходимом диапазоне. В большинстве случаев RTL-SDR соответствует достаточным требованиям. Рекомендуются предусилитель, режекторный фильтр. Рекомендуется использовать USB удлинитель с ферритовыми фильтрами – это уменьшит шумы от компьютера и позволит разместить приемник ближе к антенне. Хороший результат дает экранирование приемника .
2. Антенна на выбранный диапазон. «Лучший усилитель – это антенна». Какой бы предусилитель не был бы установлен после антенны, но при плохой антенне будет усиливать только шум, а не полезный сигнал.
3. В случае приема сигнала спутников нужно знать что летает, где и когда. Для этого нужны программы слежения за спутниками, указывающие и предсказывающие положение спутника в определенный момент.
4. Программы для приема и расшифровки телеметрии cubesat или метеорологических спутников.

Особенностью приема сигнала со спутников является расстояние и эффект Доплера.
По теории приема хорошо написано в этом документе со страницы 49 –
Satellite communication Construction of a remotely operated satellite ground station for low earth orbit communication .

Выведенная формула показывает, что мощность, принятая приемником, напрямую зависит от характеристик излучающей и принимающей антенн и обратно пропорциональна квадрату расстояния между приемником и передатчиком при одинаковой длине волны. Чем больше длина волны, тем меньше излучение рассеивается («Почему небо голубое?»).

Пролетающий над головой спутник находится на расстоянии нескольких сотен километров, а пролетающий на вашем горизонте обзора может находиться на расстоянии пары тысяч километров. Что естественно на порядки уменьшит уровень принимаемого сигнала.

А мощность передатчика не велика, то шансы успешного приема не велики. Например, у FunCube-1 мощность передатчика на освещенной стороне 300 mW, а в тени всего 30 mW.

Какая нужна антенна, и на какой диапазон?

Прежде всего, это зависит от места приема и объектов приема. Если это спутник с полярной орбитой, то рано или поздно он пролетит над приемной станцией. Это метеоспутники, многие cubesat. Если же это, например, МКС, а приемная станция находится в Москве, то МКС будет пролетать только на горизонте. И чтобы провести связь или долго слышать спутник необходимо иметь высокоэффективные антенны. Поэтому необходимо определиться – что доступное летает в досягаемости от места приема.

Какие программы существуют для слежения за спутниками, указывающие и предсказывающие положение спутника в определенный момент?

Online инструменты:
– www.satview.org
– www.n2yo.com

Из программ для Windows: классический Orbitron (обзор программы) и, например, Gpredict .

Последний показывает информацию по частотам спутников. Существуют программы и для других платформ, например, для Android.

Мы же будем использовать Orbitron и информацию о частотах из сторонних источников.

Как программы вычисляют орбиты спутников?

К счастью необходимые данные для расчета орбит (TLE набор элементов орбиты для спутника Земли) свободно распространяются в интернет и доступны . Вам даже не нужно думать об этом – программы автоматически загружают свежие данные об орбитах космических объектов.

Но так было не всегда

Командование воздушно-космической обороны Северной Америки (NORAD) ведет каталог космических объектов и на самом деле публично доступный каталог не полный – в ней нет военных спутников США. Ловлей таких объектов занимаются группы энтузиастов-любителей. Иногда им удается найти отсутствующий в открытой базе объект.

Вопрос определения и предсказания орбиты возник еще до запуска спутников. В СССР к решению этой проблемы был привлечен широкий круг наблюдателей и инструментов. В наблюдении и измерении орбиты Спутника, кроме штатных станций траекторных измерений, были привлечены обсерватории и кафедры высших учебных заведений, а выбранный легкодоступный радиолюбительский диапазон позволил привлечь к наблюдениям первых спутников армию радиолюбителей – в журнале Радио 1957 года можно найти схему радиопеленгационной установки, магнитофонную запись с которой радиолюбителю необходимо было выслать в адрес Академии наук СССР. К необычной работе на первом этапе были привлечены пеленгаторы системы «Круг» , принадлежащие совсем другому ведомству.

Вскоре больших успехов добились баллистики НИИ-4. Разработанная ими программа для ЭВМ «Стрела-2» впервые позволила определять параметры орбиты не по сведениям от пеленгаторов, а по результатам траекторных измерений, получаемых станциями «Бинокль-Д» на НИПах. Появилась возможность прогнозировать движение спутников по орбите.
Станции траекторных измерений первого поколения «Иртыш» были постепенно заменены новыми станциями «Кама» и «Висла» со значительно более высокими техническими показателями по дальности, точности и надёжности. В 1980-х появились лазерные дальнометры. Почитать подробнее можно .

Станции измеряли орбиты не только «своих», но и спутников любимого вероятного противника. Очень быстро на орбите появились спутники оптической и затем радиоразведки. О том, что они могли разглядеть в далеком 1965 году будет ниже. А пока вспомню анекдотическую историю, о солдатах далекой северной части, вероятно единственным развлечением, которых было соблюдение правил радио- и «оптической» маскировки в момент пролета соответствующих спутников. Однажды перед пролетом американского спутника оптической разведки они, естественно ради забавы, использовали шлак из котельной для написания огромного слова на снегу.

А как же любители поохотиться за спутниками? Им приходилось выслушивать эфир, всматриваться в небо после получения новостей о запуске ракеты с космодрома. Обычно несколько витков после запуска были предсказуемы.

На фото 2000 карт содержащие наборы элементов орбиты для спутников Земли полученные Свеном Граном от NASA в период 1977-1990. Затем их можно было получить по коммутируемому доступу и затем, через несколько лет, в интернет. Свен отсканировал эти карты для тематической группы на Facebook т.к. они содержат наборы элементов, которые отсутствуют в базе Spacetrack.org.

Эти данные использовались для предсказания витков, на которых возможно наблюдение космических объектов.
Естественно никаких компьютеров – только вот эти два трафарета использовались еще 25 лет назад. И к моменту получения TLE данные были не свежими.

Позже для расчета орбит Свен использовал собственноручно написанные программы для ПК.

При полете Спутника КИК еще не имел собственного вычислительного центра, а выделенного машинного времени на ЭВМ других организаций не хватало для всех вычислений, и орбиту Спутника достаточно точно предсказывали специально изготовленными трафаретами.

Итак, мы можем в окне программы Orbitron видеть спутники из открытой базы, они разбиты на категории геостационарные, радиолюбительские, погодные, МКС и т.д. Не все из них представляют интерес для приема, некоторые не работают и представляют интерес только для фотографов ночного неба.

Частоты рабочих спутников можно посмотреть здесь:

Какая бы антенна не была общее условие – подальше от препятствий и повыше от земли. Чем более открытый горизонт, тем более продлится сеанс. И не забывайте, что в случае направленной антенны её нужно «направлять» в сторону спутника.

Очень большая ремарка о советских антеннах дальней космической связи

Разработка ракет семейства Р-7 шла быстрее, чем спутников, отчасти потому, что «добро» спутникам дали, когда Р-7 уже перешла в стадию летных испытаний. Скорейшее создание третьей, четвертой ступеней позволили достичь второй космической скорости и осуществить полет ракеты к планетам, Луне, облет Луны с возвращением к Земле и попадание в Луну. Времени на проектирование чего либо с нуля не было, использовались готовые устройства и узлы. Например антенная установка станции «Заря» для связи с первыми пилотируемыми кораблями представляла собой четыре спирали, смонтированные на основании от прожекторной установки, оставшейся после войны.

В условиях цейтнота для дальней космической связи были использованы те антенны, что уже были в нужном месте и нужных характеристик. Подробнее о временном центре космической связи можно почитать .

Одновременно с запусками в сторону Луны «рядом» же строились два капитальных центра дальней космической связи с крупнейшими в мире, на тот момент, антеннами космической связи (к слову Центрами дальней космической связи их называли журналисты, реальные же названия другие – НИП-10 и НИП-16, но и это, по некоторым причинам, не совсем корректные названия.).

Построен комплекс тоже из «готовых узлов» и потому возведен в рекордно короткие сроки. Использование орудийных поворотных устройств как основание антенн вызвало у ЦРУ легкое замешательство и некоторое время они считали, что это возводится береговая батарея. Через два года произошел курьез связанный с советским экспериментом на комплексе «Плутон» по уточнению значения астрономической единицы путем радиолокации Венеры. Вероятно чиновники в СССР решили, что значительно уточненное значение астрономической единицы является государственной тайной и исказили опубликованный результат эксперимента. Над неуклюжей попыткой скрыть значение посмеялись астрономы :

we should congratulate our Russian colleagues on the discovery of a new planet. It surely wasn”t Venus!

Антенна, сыгравшая важнейшую роль в изучении соседних планет в 1960-1970х, была порезана на металл Украиной в ноябре 2013-го.

Процитирую Бориса Чертока:

Скрытый текст

По предварительным расчетам для надежной связи с космическими аппаратами, находящимися внутри Солнечной системы, на Земле надо построить параболическую антенну диаметром около 100 метров. Цикл создания таких уникальных сооружений оценивался оптимистами в пять-шесть лет. А до первых пусков по Марсу в распоряжении антенщиков было меньше года! К тому времени уже строилась параболическая антенна симферопольского НИП-10. Эта антенна диаметром 32 метра возводилась для будущих лунных программ. Была надежда, что ее эксплуатация начнется в 1962 году.

Главный конструктор СКБ-567 Евгений Губенко принял смелое предложение инженера Ефрема Коренберга: вместо одного большого параболоида соединить в единую конструкцию восемь шестнадцатиметровых «чашек» на общем опорно-поворотном устройстве. Производство таких средних параболических антенн уже было хорошо освоено. Предстояло научиться синхронизировать и складьшать в нужных фазах киловатты, излучаемые каждой из восьми антенн при передаче. При приеме предстояло складывать тысячные доли ватта сигналов, доходящих до Земли с расстояний в сотни миллионов километров.

Разработка металлоконструкций механизмов и приводов для опорно-поворотных устройств была другой проблемой, которая могла потребовать нескольких лет. Не лишенный чувства юмора Агаджанов объяснил, что существенную помощь космонавтике оказал запрет Хрущевым строительства новейших тяжелых кораблей Военно-Морского Флота. Готовые опорно-поворотные устройства орудийных башен главного калибра строившегося линкора были быстро переадресованы, доставлены в Евпаторию и установлены на бетонных основаниях, сооруженных для двух антенных систем – приемной и передающей.

Шестнадцатиметровые параболические антенны изготавливал Горьковский машиностроительный завод оборонной промышленности, металлоконструкцию для их объединения монтировало НИИ тяжелого машиностроения, приводную технику отлаживал ЦНИИ-173 оборонной техники, электронику системы наведения и управления антеннами, используя корабельный опыт, разрабатывал МНИИ-1 судостроительной промышленности, линии связи внутри НИП-16 и выход его во внешний мир обеспечивало Министерство связи, Крымэнерго подводило линию электропередач, военные строители прокладывали бетонированные автодороги, строили служебные помещения, гостиницы и военный городок со всеми службами.

Масштабы работ впечатляли. Но фронт был столь широк, что с трудом верилось в реальность сроков, которые называл Агаджанов.

Во время разговоров подъехал Геннадий Гуськов. Он был заместителем Губенко, здесь руководил всей радиотехнической частью, но по необходимости вмешивался и в строительные проблемы.

Обе АДУ-1000, приемная и передающая, будут сданы в срок! Мы не подведем, – бодро доложил он.
– Почему тысяча? – спросил Келдыш.
– Потому что общая эффективная площадь антенной системы -тысяча квадратных метров.
– Не надо хвалиться, – вмешался Рязанский, – общая площадь у вас будет не более девятисот!

Это был спор приверженцев разных идей, но в это время было не до какой-то сотни квадратных метров.

После очередного посещения временного центра связи в Симеизе Королев и Келдыш по дороге к самолету посещали быстровозводившиеся центры связи. В 1960-м году на НИП-16 вступил в строй радиотехнический комплекс Плутон , через 7 месяцев(!) после начала строительства, став самым мощным в истории человечества на то время.

Через два года на НИП-10 была построена станция дальней космической связи «Катунь» с антенной диаметром 25 метров, вскоре увеличенной до 32.

Члены Государственной комиссии Г.А. Тюлин, С.П. Королёв (с 1966 года Г.Н. Бабакин), М.В. Келдыш придавали особое значение полёту лунных и межпланетных аппаратов. Как правило, после запуска этих КА прибывали на НИП-10 или НИП-16, заслушивали доклады руководства ГОГУ или её групп, а в случае нештатных ситуаций и разработчиков бортовых и наземных технических средств.

Вероятный противник активно интересовался происходящим в советской космонавтике, благодаря чему сейчас можно узнать много интересного из рассекреченных отчетов и спутниковых фото. Тема спутникового шпионажа очень интересна и объемна, желающие могут прочитать, например, The US Deep Space Collection Program .

Вот пример фрагмента спутникового фото и фрагмента схемы из отчета ЦРУ о крупнейшем советском центре космической связи.

Без отчета ЦРУ я бы не догадался, что это антенное поле КВ узла связи , также выполнившее наблюдение первых Спутников.

Осведомленность ЦРУ в некоторых вопросах поражает, причем видно, что это аналитика, а не агентурные сведения и высокий класс инженеров верно интерпретирующих назначение сооружений на фото.

На американском фото площадка станции дальней космической связи «Катунь» с зданиями управления и антенной ТНА-400.
Антенна ТНА-400 склонилась к горизонту и ведет сеанс связи… В центре на верхней границе прямоугольник антенны в виде «антенной решётки» с синфазными спиральными излучателями, это станция передатчика мощностью 10 кВт для связи с лунными кораблями. Выглядела она так :

Дата съемки 5 октября 1965 года. Судя по теням – время до полудня. А днем ранее, утром 4 октября была запущена «Луна-7».

Сигнал не очень хорош, малошумящий усилитель необходим. На спектрограмме видно, что BPSK сигнал прерывается тоном каждые 5 секунд.

Если Вам удалось принять сигнал, то можно переходить к следующему этапу – дешифровке сигнала. В случае FUNCube, необходимо скачать программу Funcube telemetry dashboard

Следуя инструкции настраиваем программу:

И принимаем телеметрию:

Как расшифровывалась телеметрия советских космических аппаратов в первое космическое десятилетие

Процитирую Бориса Чертока и Олега Ивановского.

8 октября 1967 г., преодолев расстояние свыше 300 млн км, «Венера-4» вошла в зону притяжения планеты. Начался заключительный сеанс связи. По темпу нарастания частоты принимаемого с ОО сигнала ощущалось стремительное увеличение – под действием поля тяготения Венеры – скорости встречи с планетой. Но вот сигнал пропал – набегающий атмосферный поток нарушил ориентацию параболической антенны станции на Землю. В тот же момент бортовая автоматика выдала команду на отделение СА. В небольшом зале Евпаторийского центра управления полетом наступила тишина: все замерли в ожидании сигнала. Томительно медленно электронные часы отсчитывали секунды. Наконец по громкой связи услышали радостный крик: «Есть сигнал с СА!» Через несколько минут начала поступать информация: «Давление 0.05 атм, температура минус 33°С, содержание СО2 в атмосфере около 90%» – и после небольшой паузы: «Информация с радиовысотомера в сбое».
Это наш специалист Ревмира Прядченко, глядя на пролетающую по столу бесконечную ленту с двоичными символами, визуально – не только «персоналок», но и простых электронных калькуляторов тогда еще не существовало – выделяла нужный канал, превращала двоичные символы в число и по заполненным тарировочными характеристиками точно сообщала значение параметра.

***

Одна из помощниц Сергея Леонидовича, чуть наклонилась к экрану индикатора:
– Есть телеметрия. Должен идти первый коммутатор.
– Мирочка на месте? – спросил Бабакин.
– Конечно. Сейчас запросим, что она видит.
…Мирочка. Или, если полностью, – Ревмира Прядченко.
Такое имя ей придумали родители, соединив в нем два слова: «революция» и «мир». Была в минувшие годы такая мода. В группе управленцев Мира была человеком исключительным, обладавшим феноменальной способностью держать в памяти десятки операций, которые надлежало выполнять приборам и системам станции по подаваемым с Земли радиокомандам или от бортовых ПВУ. Пожалуй, как никто иной, она с ходу умела понимать и расшифровывать телеметрические сигналы, порой весьма перепутанные космической разноголосицей радиопомех.
Ей-богу, этот ее дар мог с успехом соперничать с любым автоматическим способом обработки информации. Не раз наши управленцы приводили в недоумение искушенных коллег, заявляя, что де у нас информация с «ВЕНЕР» обрабатывается специальной системой «Мира-1».
– Как это – «Мира-1»?! Нет таких машин. ЭВМ «Мир-1» есть, а «Мира-1»…
– Вот то-то и оно, что у вас «Мир», а у нас «Мира»!
А какие прекрасные стихи писала Мирочка…
Бабакин взял микрофон.
– Мирочка! Добрый день. Ну, что у вас?
– Здравствуйте, Георгий Николаевич! – Она по голосу узнала Главного. – Пока сказать ничего не могу. По телеметрии сплошные сбои. Параметры выделить нельзя.
– Ну, хотя бы что-нибудь…
– Сейчас… минутку… пока только одно могу сказать, но не гарантирую… вот… ДПР не в норме…
Главный опустил руку с микрофоном.
– ДПР… ДПР… Это давление после редуктора?
За столом задвигались. Одновременно некоторая растерянность с озабоченностью появилась на лицах управленцев.
Большой смотрел то на Главного, то на Азарха. Техническое руководство для того и существует, чтобы принимать решения, что дальше делать в сложной обстановке, продолжать ли сеанс или дать выключающую команду?
Сложность была в том, что на борту станции работало программно-временное устройство, беспристрастно выдававшее в нужной последовательности команды-сигналы для ориентации станции и включения корректирующего двигателя. Работало это устройство, и ему невдомек, что какой-то там ДПР не в норме…
– К чему это может привести… к чему… к чему? – задумался на секунду Главный, – к повышенному расходу газа, к избыточной тяге на соплах ориентации, так? Станция может не сориентироваться?
– Георгий Николаич, надо разобраться, – не скрывая волнения, проговорил кто-то из управленцев.
Главный взял микрофон:
– Мирочка, ну что?
А неоновые цифры секундомера отщелкивали секунды и минуты, ставшие какими-то уж очень короткими.
– Разбираюсь, сбои сплошные, пока ничего нового не скажу…
– Выключим станцию, дадим отбой? – Большой вопросительно посмотрел на Главного.
– Отставить отбой. Не волноваться. Пусть сеанс идет.
На индикаторе бился шершавый, лохматый бугорок дальнего голоса станции. Ну почему так, словно по закону «пакости», именно тогда, когда информация была нужнее, чем когда-либо, ее никак нельзя было «выудить» из мутности сбоев и помех?
– А повторить мы можем? Газа в системе ориентации хватит? – Продолжал допрос технический руководитель. – Нет, надо собрать рабочую группу и все тщательно разложить по полочкам, по порядку…
– Да какие «полочки!» В крайнем случае, сеанс коррекции придется повторить…
– А это реально? Газа хватит? Тут требуется все тщательно обдумать. Георгий Николаевич…
Щелкнул репродуктор циркуляра и радостный голос Мирочки, непривычно наполненный звенящими нотками и прерывающийся от волнения:
– Георгий Николаич! Расшифровала! Все в порядке! ДПР – в норме! В норме!
И сразу снялось напряжение. А на часах – 11 часов 03 минуты. И всего-то прошло каких-то 5 минут. Всего пять минут…

По воспоминаниям именно с этим связана гибель «Союз-11», падение давления в котором было сразу зафиксировано на лентах самописцев, но возле них не было такого таланта, чтобы расшифровать налету, поднять тревогу и предупредить экипаж ранее, чем они сами почувствовали фатальное падение давления. К сожалению разработка автоматической системы приема и дешифрования телеметрии еще не была завершена.

При приеме сигнала спутника неизбежно такое явление как эффект Доплера. На спектрограмме это будет выглядеть так :

При приближении спутника к точке приема частота растет и при удалении уменьшается. Такие «рисунки» на спектрограмме позволяют точно определить, что сигнал принадлежит именно движущемуся спутнику, а не наземному источнику помехи. При приеме телеметрии необходимо вручную подстраивать частоту сигнала. Существует возможность автоматически подстраивать частоту и опять в этом поможет программа Orbitron, вычисляющая необходимую частоту и управляя программой SDRSharp или HDSDR.

Настройка HDSDR намного проще. В Orbitron аналогично статье устанавливаем драйвер MyDDE:

В HDSDR – OptionsDDE client.

Перед использованием синхронизируем часы по интернету (с ближайшим NTP сервером). Удачной охоты.

Эффект Доплера 50 лет назад

Процитирую еще одни мемуары:

Пульт светится разноцветными огнями-пробегают синие и зеленые импульсы на экранах осциллографов.
– Тик-так, тик-так,-как метроном, щелкает какой-то прибор. Медленно идет время. Ожидание. Озабоченные лица.
Тик-так, тик-так. Долго, долго идет сигнал. Ему ведь предстоит пробежать 78 миллионов километров. 4 минуты 20 секунд уйдет на это… Есть! Есть!
***
На помощь приходит физический эффект Доплера. Как известно, чем больше скорость аппарата, излучающего радиосигналы, тем сильнее смещение частоты этого сигнала. По величине смещения можно определить скорость и устойчивость полета.
Уже семь утра. За окном светает. Счетчики системы настройки частоты, которая все время перестраивает параметры приемной антенны так, чтобы следить за изменением сигнала, возникающим из-за увеличения скорости, начинают частить: значит, все сильнее сказывается притяжение Венеры. Скорость нарастает. До планеты остается всего 15 тысяч километров.
Зуммер почти захлебывается. Быстро растет скорость. Венера все ближе и ближе. В 7 часов 25 минут ушла последняя команда Земли – включить программно-временное устройство. Станция теперь полностью независима.

Что же это за система настройки частоты? Можете представить себе эту систему и её сложность и размеры, если известно что она состояла из множества кварцевых резонаторов отличавшихся друг от друга частотой в ОДИН ГЕРЦ.

Забудь про встроенный в автомобиль телефон. Если все в 2011 году пойдет по
плану, группа британских ученых запустит смартфон на базе операционной системы
Android в “бесконечность и еще дальше”.

Исследователи в University of Surrey и Surrey Satellite Technology Limited (SSTL)
в Англии разрабатывают спутник на основе Android для его запуска на близкую к
Земле орбиту.

Названный Strand-1 (Surrey Training, Research and Nanosatellite Demonstrator),
11.8-дюймовый спутник сфотографирует Землю в ходе миссии, которая начнется позже
в этом году. В электронную аппаратуру управления включены “внутренности”
смартфона на основе Android.

С помощью Strand-1 исследователи SSTL хотят показать возможности спутника,
пользуясь при этом в первую очередь сравнительно недорогими имеющимися в продаже
элементами.

“Затраты удивительны”, – сказал Wired.com концепт-инженер миссии Шон Кенйон.
“Если эти телефоны выдержат экстремальную среду космоса, даже страшно подумать,
что мы сможем использовать недорогие мобильные устройства в изготовлении
спутников”.

Это не первый раз, когда ученые запускают телефоны на борту ракет. В прошлом
году исследователи NASA Ames Research Center в качестве эксперимента послали
пару телефонов HTC Nexus One на 30 000 футов в атмосферу, прикрепляя каждый из
телефонов в качестве груза внутри маленькой ракеты. Один телефон “накрылся”
после того, как парашют ракеты не раскрылся, а второй вернулся целым и
невредимым и содержал в себе более двух с половиной часов записанного видео на
его камеру с разрешением 720х480.

Стоимость – большая мотивация для этого эксперимента. Многие из стандартных
функций, присущих современным смартфонам – камеры, GPS навигация, доступ к Wi-Fi
– являются также функциями спутников. Но использование компонентов смартфонов
приведет к снижению размера, веса и стоимости спутников – по сравнение с теми,
которые используются в космической индустрии.

“Мы хотим увидеть, смогут ли смартфоны выжить там”, – сказал Кенйон. “И мы
будем наблюдать за тем, как сенсоры телефона – такие, как акселерометр, например
– ведут себя в условиях полета в космос”.

Первоначально SSTL запустят спутник с питанием от бортового компьютера,
который будет судить о том, что происходит с жизненно важными частями телефона и
наблюдать за неполадками в оборудовании телефона. После того, как будут собраны
данные о функционировании телефона, компьютер будет выключен и телефон будет
использоваться для контроля различных частей спутника.

SSTL не разгласят имя производителя или модель телефона, но они сказали, что
телефон должен работать на базе операционной системы Android.

SSTL построили и запустили 34 спутника с тех пор, как компания была основана
в 1981 году. Компания специализируется на маленьких, немного стоящих спутниках,
которые часто стоят намного меньше, чем те, с которыми ассоциируется полет в
космос. В прошлом компания работала над программами развития и тренировки для
NASA и European Space Agency. Проект смартфона-спутника проводится в
сотрудничестве с Surrey Space Center в University of Surrey.

SSTL надеется запустить спутник до конца 2011 года.

Более года назад Беларусь получила в космическом пространстве свое второе «представительство» – спутник Белинтерсат-1 был выведен на орбиту китайской ракетой-носителем «Чаньчжэн-3В» (в переводе – «Великий поход»). От первого отечественного космического аппарата он отличается кардинально. В первую очередь по назначению, задача сателлита – оказывать телекоммуникационные услуги: Спутниковое теле- и радиовещание, доступ в интернет… Для управления спутником в Станьково был создан наземный комплекс управления и небольшой «космический городок». Накануне Дня космонавтики корреспонденты «Звязды» побывали в «белорусском Королёве» и понаблюдали, как аппаратом успешно управляют недавние студенты.

«Казармы» для инженеров

Это здание – бывшая казарма, – показывает на новенький трехэтажный дом начальник Центра управления полетом спутника Олег Винярский.
– От нее оставили, по сути, только несущие конструкции, все остальное переделали. Получили 32 качественные современные квартиры, в них живут многие сотрудники ЦУП, в том числе и я. В общем, для работы центра здесь построили всю инфраструктуру. Мы имеем собственную подстанцию, которая питается от двух независимых городских линий. Даже если вдруг случится такое, что оба источника энергии выйдут из строя, у нас есть две автоматические дизель-генераторные установки, которые срабатывают через 6-8 секунд отсутствия питания. Есть и собственная котельная, которая обеспечивает теплой водой основное здание и общежитие, своя система пожаротушения в каждом помещении, свое кондиционирование, гаражи, склады… Проще говоря, мы можем работать абсолютно автономно даже в самых неблагоприятных условиях.

Зачем такие расходы? Все просто: одна из главных характеристик спутника связи – надежность. Заказчики, которые платят деньги за услуги Белинтерсат-1, должны быть уверены, что сигнал всегда стабильно дойдет до потребителя, независимо от внешних факторов. Кроме того, не секрет, что сателлит играет не последнюю роль в системе военной защиты страны.

Основное здание находится в нескольких шагах от общежития. За ним – идеально ровная площадка с газоном. Здесь располагается целый комплекс из огромных антенн, каждая из которых имеет свое назначение: 11-метровая для услуг DTH, проще говоря – спутникового телевещания, 13-метровая – для контроля качества сигнала в C-диапазоне и управления самим сателлитом, 9-метровая – для тех же целей в KU-диапазоне, еще две меньшего размера – для передачи данных, в том числе доступа в интернет. Таким образом, например, сотрудники белорусских посольств за рубежом могут всегда иметь безопасный доступ в интернет без посредников. Еще есть функции IP-телефонии и так называемого стриминга, или прямой трансляции видео в интернет – в последний раз ее использовали для показа чемпионатов по таэквондо.

Под каждой антенной находится техническое помещение, где установлены системы пожаротушения и контроля микроклимата. Есть здесь и своя метеостанция, так как погода может повлиять на оказание услуг – под воздействием температуры, ветра и влаги антенны искажают сигнал, это заставляет увеличивать мощность передатчика. В Станьково работает и собственная служба дератизации в лице… рыжего кота. Шутки шутками, но мыши представляют серьезную опасность для начиненного тысячами проводов здания, поэтому помощи со стороны усатого охранника здесь только рады.

Хьюстон, у нас нет проблем!

Если спутник БГА имеет собственную орбиту и траекторию движения, то Белинтерсат-1 находится на так называемой геостационарной орбите – то есть, он почти не движется относительно земной поверхности, так как его скорость равна скорости оборота планеты вокруг оси. Спутник находится за 36 тысяч километров над экватором примерно на 51,5 градуса восточной долготы (это район Индийского океана неподалеку от берегов Африки), а потому может передавать сигнал в любую точку Восточного полушария. Тем не менее сателлит требует постоянного присмотра, так как на него влияет гравитация самых различных объектов. Пять сотых градуса – именно такой «люфт» разрешен для Белинтерсат-1. В метрической системе это примерно 75 километров – не слишком много в орбитальных масштабах.

Именно надзором и манипуляциями с «курсом» спутника и занимается центр управления полетами. Достаточно большое помещение на первом этаже основного здания, конечно, вряд ли может сравниться с ЦУП в Королеве и Хьюстоне, но внешне все напоминает об этих знаковых для космонавтики местах: огромные часы со временем в разных поясах, ряды столов с множеством компьютеров (кстати, где еще в Беларуси найдешь клавиатуру без кириллицы, но с иероглифами), центральный монитор с картой мира и, конечно, внимательные сотрудники, которые следят за информацией на дисплее.

Моя работа заключается в мониторинге сведений со спутника – так называемой телеметрии, – объясняет инженер отдела анализа и планирования Валентина ПОПИША
. – Анализируем ее за разные периоды, чтобы увидеть определенный тренд. Четыре раза за смену провожу проверку полезной нагрузки – все ли работает нормально, не превышают ли клиенты разрешенный уровень мощности. Но самое интересное – подготовка процедур по управлению спутником. Как раз сегодня будет одна из них – идет сезон затмений, и Солнце воздействует на земной датчик. Чтобы исключить возможность ошибок в замерах и перехода аппарата в аварийный режим, нам нужно будет отключить этот индикатор. Если спутник выходит из «бокса» – разрешенной траектории, проводим маневры для возвращения. Но случается это редко, в среднем раз в две недели.

Перед аналитиком – сразу четыре монитора, так как иногда приходится просматривать десятки графиков и таблиц. Работа, безусловно, напряженная, тем более, что одна смена здесь тянется сразу 12 часов.

Две ночные, две дневные смены, после чего – четыре дня выходных. Одновременно на перемене в ЦУП находится всего три специалисты, именно на их плечах лежит ответственность за «выживаемость» спутника. Всего же в наземном комплексе управления работает 52 человека.

Последней инстанции, принимающей окончательные решения, здесь не существует, – говорит Олег Винярский. – Все делается только коллегиально, потому что один человек всегда может ошибиться. Конечно, есть еще техподдержка производителя, куда можно обратиться за консультацией – они не заинтересованы в потере аппарата, так как для них это тоже вопрос имиджа.

Миллионы в руках молодежи

Первое, что бросается в глаза в наземном комплексе управления спутником, – средний возраст сотрудников. По словам Олега Винярского, это примерно 25 лет. Еще до запуска Белинтерсат-1 делегация из 25 человек отправилась на учебу в Китайскую аэрокосмическую академию. Там с ними работали создатели спутника, которые учили белорусов тонкостям «космического дела» на технике, близкой по характеристикам к будущему белорусского аппарата. Поэтому никакого мандража во время передачи управления в Станьково не было – опыта хватало у всех.

Что касается новых сотрудников, то в здании есть все для их обучения. Например, симулятор ЦУП – полная копия помещения, о котором шла речь выше. Единственное отличие – здесь правят не реальным спутником, а виртуальным. На улице есть такие же «тренировочные» антенны, на которых новички практикуются в настройке, выходе на связь со спутником и других процедурах.

Мы отслеживаем состояние оборудования на Белинтерсат-1, поддерживаем его работоспособность, работаем с клиентами, – говорит начальник отдела мониторинга и управления полезной нагрузкой Центра наземного применения спутника Юрий Бобров
. – В первую очередь аппарат ориентирован на международный рынок, поэтому много общаемся с иностранцами. Без проблем берем на практику студентов, как раз сейчас стажируется молодежь из БГУ. Все это инженеры, которым нужно не только решать разного рода технические проблемы, но и работать с клиентами. Никаких проблем не возникает, многие ездят на стажировки за границу, поэтому опыта молодой команде хватает.

Белинтерсат-1 создан на китайской платформе DFH-4, но это не значит, что аппарат – чужая разработка.

Мы не просто эксплуатируем чужую технику, – объясняет начальник ЦУП. – Сотрудники принимали участие в создании этого здания вместе с китайцами, монтировали, подключали и тестировался оборудование, прокладывали кабели… Ездили на завод во время сборки спутника, инспектировали процесс производства, разговаривали с конструкторами, высказывали свои предложения. Поэтому и сам спутник, и наземный комплекс управления по полному праву могут считаться белорусскими.

Во время орбитальных маневров на мощном двигателе было использовано 60 процентов топлива – это неплохой показатель, так как двигатели малой тяги имеют гораздо меньший расход. Первоначально Белинтерсат-1 был рассчитан на 15 лет работы, но, по утверждению специалистов ЦУП, его может хватить и на больший срок – все благодаря экономному и сберегательному подходу во время маневров.

Если изначально спутник был во многом проектом престижа, то сейчас мы понимаем, что это неплохой способ получения денег, – говорит Олег Винярский. – Кроме того, если ты показываешь, что можешь оправдать такие большие вложения, дорожишь доверенным тебе оборудованием, умеешь им правильно пользоваться, то создаешь себе определенный имидж. Уже сейчас мы работаем над вопросом международного технического сотрудничества, имеем ряд подписанных меморандумов с Гонконгом, Нигерией, Казахстаном. Цель – рассказать о своем опыте и перенять зарубежный, ведь грош цена тем знаниям, которыми вы не готовы делиться. В будущем вообще планируем создать единую систему подготовки кадров, основанную на стажировке в зарубежных компаниях. Мы хотим, чтобы квалификационные требования были повсюду одинаковыми, и мы могли без проблем брать к себе на стажировку специалистов из-за рубежа и отправлять взамен своих. Таким образом, мы будем всегда обеспечены качественными кадрами, так же, как крупные космические державы, которые тратят на это много денег.

Спутник в формате «нано»

Наземная инфраструктура, которая была создана для обеспечения деятельности первого белорусского космического аппарата, может быть эффективно использована для управления эксплуатацией второго спутника дистанционного зондирования Земли, работа над которым уже началась. Об этом сообщил директор УП «Геоинформационные системы» Сергей ЗОЛОТОЙ.
Работы по созданию ведутся совместно с Российской Федерацией, процесс проходит в штатном режиме, но о результатах говорить еще рано.

Еще в прошлом году мы начали выполнять проект по развитию наземной инфраструктуры, – сказал специалист. – Достаточно сказать, что приемная станция, которая была создана еще 12 лет назад, прошла процедуру продления срока эксплуатации и теперь может использоваться еще 10 лет. Для этого была проведена замена электроники и механических узлов, которые отработали свой ресурс. Все работы на сегодняшний день завершены.

Кроме того, по словам Сергея Золотого, в этом году Беларусь планирует запустить университетский наноспутник, разработанный в БГУ. Такой аппарат по техническим характеристикам похож на своих «больших братьев», но имеет небольшие размер (20x20x10 см) и вес (всего 2 кг). Соответственно, несравненно ниже и стоимость спутника. В БГУ создан центр управления и станция приема, работать техника будет в любительском радиодиапазоне.

Наша задача сейчас – не только создавать спутники, но и разрабатывать механизмы по применению этих технологий в различных ответвлениях, – подчеркнул руководитель аппарата Национальной академии наук, академик Петр ВИТЯЗЬ.
– Мы кооперуемся с министерствами и ведомствами страны, взаимодействуем с 20 отечественными и 40 российскими предприятиями. Микроэлектроника, информационные технологии, новые материалы – это те направления, которые развиваются благодаря достижениям в космической сфере. Кроме того, нам вместе с Министерством образования нужно развивать систему подготовки кадров для этой ветви, в том числе и при помощи наноспутников

Минск – Дзержинский район – Минск

Фото Надежды БУЖАН

Пожалуй, одно из самых красивых зрелищ с высоты 500 километров (а именно на таком расстоянии летает большинство спутников для съемки земной поверхности) – это восход Солнца. Сначала появляется неясная оранжевая дымка, которая с каждой секундой становится все ярче, пока наконец не начнет напоминать экзотический цветок с желтой серединкой. Затем его сменяет белый круг, который корейский поэт Пак Чивон когда-то метко окрестил «колесом повозки», – и наконец Солнце восходит. Увидеть весь процесс в деталях возможно благодаря стартапу «Ойкумена» – разработке сотрудников Национальной академии наук Дениса Волонцевича и Виталия Вяльцева.

Нарисовать закат

За красивым древнегреческим названием, что переводится как «земля обитаемая», скрывается компьютерная программа, которая суперреалистично воспроизводит, как может перемещаться спутник, ракета или космический зонд в пределах Солнечной системы. Словно в компьютерной игре, пользователям предлагается выбрать космический аппарат и отправиться вместе с ним в путешествие по орбите.

Главная фишка в том, что все выглядит максимально достоверно: компьютерный симулятор основан на точной модели Солнечной системы, где все планеты и спутники движутся по законам небесной механики. Чтобы добиться 100-процентной реалистичности, Денис Волонцевич и Виталий Вяльцев писали программу и работали над графикой больше пяти лет. Большинство изображений – это реальные кадры, сделанные космическими аппаратами, проводит экскурсию по программе Виталий:

– «Картинки» звезд брал из каталога Тихо. Кое-что из атмосферных эффектов нарисовал сам, например, сияние атмосферы – вот этот тонкий голубой пояс вокруг планеты. А вот восход и закат Солнца, модели спутников – это дело рук Дениса.

Пользователи, успевшие протестировать «Ойкумену», порой интересуются: почему в программе нет звука? На самом деле, добавить его несложно, но не нужно, ведь космос – это абсолютная тишина.

Джойстик для космонавта

Просто летать над планетой было бы скучно, поэтому Денис и Виталий сделали так, чтобы виртуальным космическим аппаратом можно было управлять. В их программе спутник умеет разгоняться и притормаживать, переходить на другую орбиту и поворачиваться нужной стороной. Он приводится в движение с помощью двух джойстиков. Один (обычный игровой) купили в магазине, другой Денис Волонцевич собрал сам:

– Такие шестипозиционные джойстики уникальны, они используются в американских шаттлах и российских «Союзах». На сборку ушло два месяца: что-то из «начинки» заказывал за границей, что-то покупал в строительных магазинах. Обратите внимание: джойстик переключается из одной позиции в другую очень туго. Так и должно быть, ведь изначально он предназначал
ся для космонавтов, которые работают в перчатках и скафандре.

Замахнулись на Луну

Пользуясь возможностью, прошу дать «порулить» спутником и мне. Хватаюсь за джойстики и… сразу же теряю космический аппарат из вида.

– Аккуратнее, пожалуйста. Космос большой, потом не найдем,
– шутит Виталий.

Управление спутником идет сразу по девяти направлениям: за шесть из них отвечает левый джойстик и еще за три – правый. Мозг закипает: это все равно что ехать в авто, где установлены два руля, пять педалей и две коробки передач.

Пролетев со спутником над Африкой, сдаюсь и передаю бразды правления разработчикам.

Сейчас, пока идет Международный космический конгресс, ребята надеются показать свой продукт опытным космонавтам, чтобы они оценили, насколько компьютерная картинка соответствует реальному виду из космоса.

Уникальную программу можно использовать в качестве интерактивного аттракциона в научных музеях. А если доработать и добавить модели пилотируемых кораблей, у «Ойкумены» есть все шансы стать тренажером для обучения будущих космонавтов, рассуждают ученые:

– Планов много. Например, хотим, чтобы пользователи могли перемещаться не только вокруг Земли, но и вокруг нашего естественного спутника. Если все получится, через год слетаем на Луну!

«Человек должен подняться над Землей – в атмосферу и за ее пределы – ибо только так он полностью поймет мир, в котором живет».

Сократ сделал это наблюдение за века до того, как люди успешно вывели объект на земную орбиту. И все же древнегреческий философ, кажется, понял, насколько ценным может быть вид из космоса, хотя совершенно не знал, как этого достичь.

Этому понятию – о том, как вывести объект «в атмосферу и за ее пределы» – пришлось ждать до тех пор, пока Исаак Ньютон не опубликовал свой знаменитый мысленный эксперимент с пушечным ядром в 1729 году. Выглядит он примерно так:

«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. С дополнительными взрывами 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».

В октябре 1957 года Советский Союз наконец подтвердил догадку Ньютона, запустив «Спутник-1» – первый искусственный спутник на орбите Земли. Это инициировало космическую гонку и многочисленные запуски объектов, которым предназначалось летать вокруг Земли и других планет Солнечной системы. С момента запуска «Спутника» некоторые страны, по большей части США, Россия и Китай, запустили более 3000 спутников в космос. Некоторые из этих сделанными людьми объектов, например МКС, большие. Другие отлично умещаются в небольшом сундучке. Благодаря спутникам мы получаем прогнозы погоды, смотрим телевизор, сидим в Интернете и звоним по телефону. Даже те спутники, работу которых мы не ощущаем и не видим, отлично служат в пользу военных.

Конечно, запуск и эксплуатация спутников привели к проблемам. Сегодня, учитывая более 1000 рабочих спутников на земной орбите, наш ближайший космический район стал оживленнее, чем крупный город в час пик. Приплюсуйте к этому нерабочее оборудование, заброшенные спутники, части аппаратного обеспечения и фрагменты от взрывов или столкновений, которые наполняют небеса вместе с полезным оборудованием. Этот орбитальный мусор, о котором мы , накапливался на протяжении многих лет и представляет серьезную угрозу для спутников, в настоящее время кружащим вокруг Земли, а также для будущих пилотируемых и непилотируемых запусков.

В этой статье мы залезем в кишки обычного спутника и заглянем в его глаза, чтобы увидеть виды нашей планеты, о которых Сократ и Ньютон не могли и мечтать. Но сначала давайте подробнее разберемся, чем, собственно, спутник отличается от других небесных объектов.

– это любой объект, который движется по кривой вокруг планеты. Луна – это естественный спутник Земли, также рядом с Землей находится множество спутников, сделанных руками человека, так сказать, искусственных. Путь, по которому следует спутник, это орбита, иногда принимающая форму окружности.

Чтобы понять, почему спутники движутся таким образом, мы должны навестить нашего друга Ньютона. Он предположил, что сила гравитации существует между двумя любыми объектами во Вселенной. Если бы этой силы не было, спутники, летящие вблизи планеты, продолжали бы свое движение с одной скоростью и в одном направлении – по прямой. Эта прямая – инерционный путь спутника, который, однако, уравновешивается сильным гравитационным притяжением, направленным к центру планеты.

Иногда орбита спутника выглядит как эллипс, приплюснутый круг, который 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 (не путать с перигелием), и медленнее, когда находится дальше от планеты – в точке апогея.

Спутники бывают самых разных форм и размеров и выполняют самые разнообразные задачи.

Метеорологические спутники помогают метеорологам прогнозировать погоду или видеть, что происходит с ней в данный момент. Геостационарный эксплуатационный экологический спутник (GOES) представляет хороший пример. Эти спутники обычно включают камеры, которые демонстрируют погоду Земли.
Спутники связи позволяют телефонным разговорам ретранслироваться через спутник. Наиболее важной особенностью спутника связи является транспондер – радио, которое получает разговор на одной частоте, а после усиливает его и передает обратно на Землю на другой частоте. Спутник обычно содержит сотни или тысячи транспондеров. Спутники связи, как правило, геосинхронные (об этом позже).
Телевизионные спутники передают телевизионные сигналы из одной точки в другую (по аналогии со спутниками связи).
Научные спутники, как некогда космический телескоп Хаббла, выполняют все виды научных миссий. Они наблюдают за всем — от солнечных пятен до гамма-лучей.
Навигационные спутники помогают летать самолетам и плавать кораблям. GPS NAVSTAR и спутники ГЛОНАСС – яркие представители.
Спасательные спутники реагируют на сигналы бедствия.
Спутники наблюдения за Землей отмечают изменения — от температуры до ледяных шапок. Наиболее известные – серия Landsat.

Военные спутники также находятся на орбите, но большая часть их работы остается 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.

Когда были изобретены спутники?

Возможно, Ньютон в своих фантазиях и запускал спутники, но прежде чем мы на самом деле совершили этот подвиг, прошло немало времени. Одним из первых визионеров был писатель-фантаст Артур Кларк. В 1945 году Кларк 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 для связи.

Ученые не понимали Кларка – до 4 октября 1957 года. Тогда Советский Союз запустил «Спутник-1», первый искусственный спутник, на орбиту Земли. «Спутник» был 58 сантиметров в диаметре, весил 83 килограмма и был выполнен в форме шарика. Хотя это было замечательное достижение, содержание «Спутника» было скудным по сегодняшним меркам:

термометр
батарея
радиопередатчик
газообразный азот, который был под давлением внутри спутника

На внешней стороне «Спутника» четыре штыревые антенны передавали на коротковолновой частоте выше и ниже нынешнего стандарта (27 МГц). Станции слежения на Земле поймали радиосигнал и подтвердили, что крошечный спутник пережил запуск и успешно вышел на курс вокруг нашей планеты. Месяцем позже Советский Союз запустил на орбиту «Спутник-2». Внутри капсулы была собака Лайка.

В декабре 1957 года, отчаянно пытаясь идти в ногу со своими противниками по холодной войне, американские ученые попытались вывести спутник на орбиту вместе с планетой Vanguard. К сожалению, ракета разбилась и сгорела еще на стадии взлета. Вскоре после этого, 31 января 1958 года, США 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 и обнаружил в ходе эксперимента Джеймса Ван Аллена из Университета Айовы, что космических лучей гораздо меньше, чем ожидалось. Это привело к открытию двух тороидальных зон (в конечном счете названных в честь Ван Аллена), наполненных заряженными частицами, захваченными магнитным полем Земли.

Воодушевленные этими успехами, некоторые компании начали разрабатывать и запускать спутники в 60-х годах. Одной из них была Hughes Aircraft вместе со звездным инженером Гарольдом Розеном. 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 NASA заключило контракт с Hughes, чтобы построить серию спутников Syncom (синхронная связь). В июле 1963 года Розен и его коллеги увидели, как Syncom-2 взлетел в космос и вышел на грубую геосинхронную орбиту. Президент Кеннеди использовал новую систему, чтобы поговорить с премьер-министром Нигерии в Африке. Вскоре взлетел и Syncom-3, который на самом деле мог транслировать телевизионный сигнал.

Эпоха спутников началась.

Какая разница между спутником и космическим мусором?

Технически, спутник это любой объект, который вращается вокруг планеты или меньшего небесного тела. Астрономы классифицируют луны как природные спутники, и на протяжении многих лет они составили список из сотен таких объектов, обращающихся вокруг планет и карликовых планет нашей Солнечной системы. К примеру, насчитали 67 лун Юпитера. И до сих пор .

Техногенные объекты, вроде «Спутника» и Explorer, также можно классифицировать как спутники, поскольку они, как и луны, вращаются вокруг планеты. К сожалению, человеческая активность привела к тому, что на орбите Земли оказалось огромное количество мусора. Все эти куски и обломки ведут себя как и крупные ракеты – вращаются вокруг планеты на высокой скорости по круговому или эллиптическому пути. В строгом толковании определения можно каждый такой объект определить как спутник. Но астрономы, как правило, считают спутниками те объекты, которые выполняют полезную функцию. Обломки металла и другой хлам попадают в категорию орбитального мусора.

Орбитальный мусор поступает из многих источников:

Взрыв ракеты, который производит больше всего хлама.
Астронавт расслабил руку – если астронавт ремонтирует что-то в космосе и упускает гаечный ключ, тот потерян навсегда. Ключ выходит на орбиту и летит со скоростью около 10 км/с. Если он попадет в человека или в спутник, результаты могут быть катастрофическими. Крупные объекты, вроде МКС, представляют собой большую мишень для космического мусора.
Выброшенные предметы. Части пусковых контейнеров, шапки объективов камер и так далее.

NASA вывело специальный спутник под названием LDEF для изучения долгосрочных эффектов от столкновения с космическим мусором. За шесть лет инструменты спутника зарегистрировали около 20 000 столкновений, некоторые из которых были вызваны микрометеоритами, а другие орбитальным мусором. Ученые NASA продолжают анализировать данные LDEF. А вот в Японии уже гигантскую сеть для отлова космического мусора.

Что внутри обычного спутника?

Спутники бывают разных форм и размеров и выполняют множество различных функций, однако все, в принципе, похожи. Все они имеют металлический или композитный каркас и тело, которое англоязычные инженеры называют bus, а русские – космической платформой. Космическая платформа собирает все вместе и обеспечивает достаточно мер, чтобы инструменты пережили запуск.

У всех спутников есть источник питания (обычно солнечные батареи) и аккумуляторы. Массивы солнечных батарей позволяют заряжать аккумуляторы. Новейшие спутники включают и топливные элементы. Энергия спутников очень дорога и крайне ограничена. Ядерные элементы питания обычно используются для отправки космических зондов к другим планетам.

У всех спутников есть бортовой компьютер для контроля и мониторинга различных систем. У всех есть радио и антенна. Как минимум, у большинства спутников есть радиопередатчик и радиоприемник, поэтому экипаж наземной команды может запросить информацию о состоянии спутника и наблюдать за ним. Многие спутники позволяют массу различных вещей: от изменения орбиты до перепрограммирования компьютерной системы.

Как и следовало ожидать, собрать все эти системы воедино – непростая задача. Она занимает годы. Все начинается с определения цели миссии. Определение ее параметров позволяет инженерам собрать нужные инструменты и установить их в правильном порядке. Как только спецификация утверждена (и бюджет), начинается сборка спутника. Она происходит в чистой комнате, в стерильной среде, что позволяет поддерживать нужную температуру и влажность и защищать спутник во время разработки и сборки.

Искусственные спутники, как правило, производятся на заказ. Некоторые компании разработали модульные спутники, то есть конструкции, сборка которых позволяет устанавливать дополнительные элементы согласно спецификации. К примеру, у спутников Boeing 601 было два базовых модуля – шасси для перевозки двигательной подсистемы, электроника и батареи; и набор сотовых полок для хранения оборудования. Эта модульность позволяет инженерам собирать спутники не с нуля, а с заготовки.

Как спутники запускаются на орбиту?

Сегодня все спутники выводятся на орбиту на ракете. Многие перевозят их в грузовом отделе.

В большинстве запусков спутников запуск ракеты происходит прямо вверх, это позволяет быстрее провести ее через толстый слой атмосферы и минимизировать расход топлива. После того, как ракета взлетает, механизм управления ракеты использует инерциальную систему наведения для расчета необходимых корректировок сопла ракеты, чтобы обеспечить нужный наклон.

После того как ракета выходит в разреженный воздух, на высоту около 193 километров, система навигации выпускает небольшие ракетки, чего достаточно для переворота ракеты в горизонтальное положение. После этого выпускается спутник. Небольшие ракеты выпускаются снова и обеспечивают разницу в расстоянии между ракетой и спутником.

Орбитальная скорость и высота

Ракета должна набрать скорость в 40 320 километров в час, чтобы полностью сбежать от земной гравитации и улететь в космос. Космическая скорость куда больше, чем нужно спутнику на орбите. Они не избегают земной гравитации, а находятся в состоянии баланса. Орбитальная скорость – это скорость, необходимая для поддержания баланса между гравитационным притяжением и инерциальным движением спутника. Это примерно 27 359 километров в час на высоте 242 километра. Без гравитации инерция унесла бы спутник в космос. Даже с гравитацией, если спутник будет двигаться слишком быстро, его унесет в космос. Если спутник будет двигаться слишком медленно, гравитация притянет его обратно к Земле.

Орбитальная скорость спутника зависит от его высоты над Землей. Чем ближе к Земле, тем быстрее скорость. На высоте в 200 километров орбитальная скорость составляет 27 400 километров в час. Для поддержания орбиты на высоте 35 786 километров спутник должен обращаться со скорость 11 300 километров в час. Эта орбитальная скорость позволяет спутнику делать один облет в 24 часа. Поскольку Земля также вращается 24 часа, спутник на высоте в 35 786 километров находится в фиксированной позиции относительно поверхности Земли. Эта позиция называется геостационарной. Геостационарная орбита идеально подходит для метеорологических спутников и спутников связи.

В целом, чем выше орбита, тем дольше спутник может оставаться на ней. На низкой высоте спутник находится в земной атмосфере, которая создает сопротивление. На большой высоте нет практически никакого сопротивления, и спутник, как луна, может находиться на орбите веками.

Типы спутников

На земле все спутники выглядят похоже – блестящие коробки или цилиндры, украшенные крыльями из солнечных панелей. Но в космосе эти неуклюжие машины ведут себя совершенно по-разному в зависимости от траектории полета, высоты и ориентации. В результате, классификация спутников превращается в сложное дело. Один из подходов – определение орбиты аппарата относительно планеты (обычно Земли). Напомним, что существует две основных орбиты: круговая и эллиптическая. Некоторые спутники начинают по эллипсу, а потом выходят на круговую орбиту. Другие движутся по эллиптическому пути, известному как орбита «Молния». Эти объекты, как правило, кружат с севера на юг через полюсы Земли и завершают полный облет за 12 часов.

Полярно-орбитальные спутники также проходят через полюсы с каждым оборотом, хотя их орбиты менее эллиптические. Полярные орбиты остаются фиксированными в космосе, в то время как вращается Земля. В результате, большая часть Земли проходит под спутником на полярной орбите. Поскольку полярные орбиты дают прекрасный охват планеты, они используются для картографирования и фотографии. Синоптики также полагаются на глобальную сеть полярных спутников, которые облетают наш шар за 12 часов.

Можно также классифицировать спутники по их высоте над земной поверхностью. Исходя из этой схемы, есть три категории:

Низкая околоземная орбита (НОО) – НОО-спутники занимают область пространства от 180 до 2000 километров над Землей. Спутники, которые движутся близко к поверхности Земли, идеально подходят для проведения наблюдений, в военных целях и для сбора информации о погоде.
Средняя околоземная орбита (СОО) – эти спутники летают от 2000 до 36 000 км над Землей. На этой высоте хорошо работают навигационные спутники GPS. Примерная орбитальная скорость – 13 900 км/ч.
Геостационарная (геосинхронная) орбита – геостационарные спутники двигаются вокруг Земли на высоте, превышающей 36 000 км и на той же скорости вращения, что и 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 регионе космоса. Несколько сотен телевизионных, коммуникационных и погодных спутников используют геостационарную орбиту.

И наконец, можно подумать о спутниках в том смысле, где они «ищут». Большинство объектов, отправленных в космос за последние несколько десятилетий, смотрят на Землю. У этих спутников есть камеры и оборудование, которое способно видеть наш мир в разных длинах волн света, что позволяет насладиться захватывающим зрелищем в ультрафиолетовых и инфракрасных тонах нашей планеты. Меньше спутников обращают свой взгляд к пространству, где наблюдают за звездами, планетами и галактиками, а также сканируют объекты вроде астероидов и комет, которые могут столкнуться с Землей.

Известные спутники

До недавнего времени спутники оставались экзотическими и сверхсекретными приборами, которые использовались в основном в военных целях для навигации и шпионажа. Теперь они стали неотъемлемой частью нашей повседневной жизни. Благодаря им, мы узнаем прогноз погоды (хотя синоптики ой как часто ошибаются). Мы смотрим телевизоры и работаем с Интернетом также благодаря спутникам. GPS в наших автомобилях и смартфонах позволяет добраться до нужного места. Стоит ли говорить о неоценимом вкладе телескопа «Хаббл» и работы космонавтов на МКС?

Однако есть настоящие герои орбиты. Давайте с ними познакомимся.

Спутники Landsat фотографируют Землю с начала 1970-х годов, и по части наблюдений за поверхностью Земли они рекордсмены. Landsat-1, известный в свое время как ERTS (Earth Resources Technology Satellite) был запущен 23 июля 1972 года. Он нес два основных инструмента: камеру и многоспектральный сканер, созданный Hughes Aircraft Company и способный записывать данные в зеленом, красном и двух инфракрасных спектрах. Спутник делал настолько шикарные изображения и считался настолько успешным, что за ним последовала целая серия. NASA запустило последний Landsat-8 в феврале 2013 года. На этом аппарате полетели два наблюдающих за Землей датчика, Operational Land Imager и Thermal Infrared Sensor, собирающие многоспектральные изображения прибрежных регионов, полярных льдов, островов и континентов.
Геостационарные эксплуатационные экологические спутники (GOES) кружат над Землей на геостационарной орбите, каждый отвечает за фиксированную часть земного шара. Это позволяет спутникам внимательно наблюдать за атмосферой и выявлять изменения погодных условий, которые могут привести к торнадо, ураганам, паводкам и грозовым штормам. Также спутники используются для оценки сумм осадков и накопления снегов, измерения степени снежного покрова и отслеживания передвижений морского и озерного льда. С 1974 года на орбиту было выведено 15 спутников GOES, но одновременно за погодой наблюдают только два спутника GOES «Запад» и GOES «Восток».
Jason-1 и Jason-2 сыграли ключевую роль в долгосрочном анализе океанов Земли. NASA запустило Jason-1 в декабре 2001 года, чтобы заменить им спутник NASA/CNES Topex/Poseidon, который работал над Землей с 1992 года. На протяжении почти тринадцати лет Jason-1 измерял уровень моря, скорость ветра и высоту волн более 95 % свободных от льда земных океанов. NASA официально списало Jason-1 3 июля 2013 года. В 2008 году на орбиту вышел Jason-2. Он нес высокоточные инструменты, позволяющие измерять дистанцию от спутника до поверхности океана с точностью в несколько сантиметров. Эти данные, помимо ценности для океанологов, предоставляют обширный взгляд на поведение мировых климатических паттернов.

Сколько стоят спутники?

После «Спутника» и Explorer, спутники стали больше и сложнее. Возьмем, к примеру, TerreStar-1, коммерческий спутник, который должен был обеспечить передачу мобильных данных в Северной Америке для смартфонов и подобных устройств. Запущенный в 2009 году TerreStar-1 весил 6910 килограмм. И будучи полностью развернутым, он раскрывал 18-метровую антенну и массивные солнечные батареи с размахом крыльев в 32 метра.

Строительство такой сложной машины требует массы ресурсов, поэтому исторически только правительственные ведомства и корпорации с глубокими карманами могли войти в спутниковый бизнес. Большая часть стоимости спутника лежит в оборудовании – транспондерах, компьютерах и камерах. Обычный метеорологический спутник стоит около 290 миллионов долларов. Спутник-шпион обойдется на 100 миллионов долларов больше. Добавьте к этому стоимость содержания и ремонта спутников. Компании должны платить за пропускную полосу спутника так же, как владельцы телефонов платят за сотовую связь. Обходится иногда это более чем в 1,5 миллиона долларов в год.

Другим важным фактором является стоимость запуска. Запуск одного спутника в космос может обойтись от 10 до 400 миллионов долларов, в зависимости от аппарата. Ракета Pegasus XL может поднять 443 килограмма на низкую околоземную орбиту за 13,5 миллиона долларов. Запуск тяжелого спутника потребует большей подъемной силы. Ракета Ariane 5G может вывести на низкую орбиту 18 000-килограммовый спутник за 165 миллионов долларов.

Несмотря на затраты и риски, связанные с постройкой, запуском и эксплуатацией спутников, некоторые компании сумели построить целый бизнес на этом. К примеру, Boeing. В 2012 году компания доставила в космос около 10 спутников и получила заказы на более чем семь лет, что принесло ей почти 32 миллиарда долларов дохода.

Будущее спутников

Спустя почти пятьдесят лет после запуска «Спутника», спутники, как и бюджеты, растут и крепнут. США, к примеру, потратили почти 200 миллиардов долларов с начала военной спутниковой программы и теперь, несмотря на все это, обладает флотом стареющих аппаратов, ожидающих своей замены. Многие эксперты опасаются, что строительство и развертывание крупных спутников просто не может существовать на деньги налогоплательщиков. Решением, которое может перевернуть все с ног на голову, остаются частные компании, вроде SpaceX, и другие, которых явно не постигнет бюрократический застой, как NASA, NRO и NOAA.

Другое решение – сокращение размера и сложности спутников. Ученые Калтеха и Стэнфордского университета с 1999 года работают над новым типом спутника CubeSat, в основе которого лежат строительные блоки с гранью в 10 сантиметров. Каждый куб содержит готовые компоненты и может объединиться с другими кубиками, чтобы повысить эффективность и снизить нагрузку. Благодаря стандартизации дизайна и сокращению расходов на создание каждого спутника с нуля, один CubeSat может стоить всего 100 000 долларов.

В апреле 2013 года NASA решила проверить этот простой принцип и три CubeSat на базе коммерческих смартфонов. Цель состояла в том, чтобы вывести микроспутники на орбиту на короткое время и сделать несколько снимков на телефоны. Теперь агентство планирует развернуть обширную сеть таких спутников.

Будучи большими или маленькими, спутники будущего должны быть в состоянии эффективно сообщаться с наземными станциями. Исторически сложилось так, что NASA полагалось на радиочастотную связь, но РЧ достигла своего предела, поскольку возник спрос на большую мощность. Чтобы преодолеть это препятствие, ученые NASA разрабатывают систему двусторонней связи на основе лазеров вместо радиоволн. 18 октября 2013 года ученые впервые запустили лазерный луч для передачи данных с Луны на Землю (на расстоянии 384 633 километра) и получили рекордную скорость передачи в 622 мегабита в секунду.