Война спутников: как тысячи роботов собирают информацию обо всем в космосе
Первый искусственный спутник Земли был запущен в 1957 году. С тех пор человечество сделало огромный технологический прорыв: на орбите нашей планеты и за ее пределами находятся тысячи спутников. Рассказываем, как они не сталкиваются друг с другом и зачем их нужно так много.
Читайте «Хайтек» в
Что такое искусственные спутники?
Искусственный спутник Земли (ИСЗ) — космический летательный аппарат, вращающийся вокруг Земли по геоцентрической орбите.
Для движения по орбите вокруг Земли аппарат должен иметь начальную скорость, равную или большую первой космической скорости. Полеты ИСЗ выполняются на высотах до нескольких сотен тысяч километров.
Нижнюю границу высоты полета ИСЗ обуславливает необходимость избегания процесса быстрого торможения в атмосфере. Период обращения спутника по орбите в зависимости от средней высоты полета может составлять от полутора часов до нескольких лет.
Особое значение имеют спутники на геостационарной орбите, период обращения которых строго равен суткам, и поэтому для наземного наблюдателя они неподвижно «висят» на небосклоне, что позволяет избавиться от поворотных устройств в антеннах.
Автоматические межпланетные станции (АМС) и межпланетные космические корабли могут запускаться в дальний космос как минуя стадию спутника (то есть прямое восхождение), так и после предварительного вывода на так называемую опорную орбиту спутника.
В начале космической эры спутники запускались только посредством ракет-носителей, а к концу XX века широкое распространение получил также запуск спутников с борта других спутников — орбитальных станций и космических кораблей (в первую очередь, с МТКК-космоплана Спейс Шаттл).
Как средства выведения спутников теоретически возможны, но пока не реализованы также МТКК-космолеты, космические пушки, космические лифты. Уже через небольшое время после начала космической эры стало обычным выведение более одного спутника на одной ракете-носителе, а к концу 2013 года число выводимых одновременно спутников в некоторых запусках ракет-носителей превысило три десятка.
В ходе некоторых запусков последние ступени ракет-носителей также выходят на орбиту и на какое-то время фактически становятся спутниками.
Беспилотные спутники имеют массу от нескольких килограммов до двух десятков тонн и размер от нескольких сантиметров до (в частности при использовании солнечных батарей и выдвижных антенн) нескольких десятков метров.
Являющиеся спутниками космические корабли и космопланы достигают нескольких десятков тонн и метров, а сборные орбитальные станции — сотен тонн и метров.
В XXI веке с развитием микроминиатюризации и нанотехнологий массовым явлением стало создание сверхмалых спутников форматов кубсат (от одного до несколько килограмм и от нескольких до нескольких десятков сантиметров), а также появился новый формат покеткуб (буквально карманный куб) в несколько сотен или десятков грамм и несколько сантиметров.
Спутники преимущественно создаются как невозвратные, однако некоторые из них (в первую очередь, пилотируемые и некоторые грузовые космические корабли) являются возвращаемыми частично (имея спускаемый аппарат) или полностью (космопланы и спутники, возвращаемые на их борту).
Искусственные спутники Земли широко используются для научных исследований и прикладных задач, а также в образовании (в мире стали массовым явлением так называемые «университетские» ИСЗ) и хобби — радиолюбительские спутники.
Сколько всего сейчас спутников на орбите Земли?
Смотря как считать. Со времени запуска «Спутника» 4 октября 1957 года в космос были выведены более 9 000 аппаратов, но только около 2 000 из них функционируют в настоящее время.
Остальные сгорели в атмосфере или сломались и стали «космическим мусором» на орбите. Поэтому, кстати, бо́льшая часть маневров проводится для уклонения от неуправляемых объектов, а не работающих спутников.
Типы спутников
Различают следующие типы спутников:
- Астрономические спутники — спутники, предназначенные для исследования планет, галактик и других космических объектов. — спутники, предназначенные для проведения научных экспериментов над живыми организмами в условиях космоса.
- Cпутники дистанционного зондирования Земли.
- Метеорологические спутники — спутники, предназначенные для передачи данных в целях предсказания погоды, а также для наблюдения климата Земли.
- Малые спутники — спутники малого веса (менее 1 или 0,5 тонн) и размера. Включают в себя миниспутники (более 100 кг), микроспутники (более 10 кг) и наноспутники (легче 10 кг), в том числе кубсаты и покеткубы.
- Военный спутник.
- Спутники связи.
- Навигационные спутники.
- Космические корабли — пилотируемые космические аппараты.
- Орбитальные станции — долговременные космические корабли.
- Голоспутники — новейшие спутники, предназначенные для исследования других планет.
Как регулируется движение спутников в космосе?
Единого регламента для этого нет. Космос является свободным пространством. Поэтому участники космической деятельности руководствуются только собственными национальными законами, которые, впрочем, должны соответствовать соглашениям, принятым в рамках работы Комитета по использованию космического пространства в мирных целях ООН (COPUOS).
- Юридически
После принятия в 1974 году конвенции о регистрации космических объектов, запускаемых в космическое пространство, управление по вопросам космического пространства ООН ведет реестр объектов, запускаемых в космическое пространство. Однако регистрация в нем является заявительной, и у ООН нет технической возможности контролировать реальные орбиты и цели космических аппаратов.
- Военные спутники
Главное препятствие, стоящее на пути создания всеобъемлющей базы данных спутников и возможности автоматизированного контроля околоземного пространства, — это военные спутники. Американская система NORAD не публикует данные о спутниках разведки США, при этом публикует данные об орбитах российских и китайских военных аппаратов. Воздушно-космические силы России вообще ничего не публикуют, хотя следят за американскими военными спутниками радиолокационными и оптическими средствами.
Коммерческим спутниковым операторам сейчас приходится фактически действовать вслепую, надеясь на то, что военные сами не допустят столкновения. При этом именно военные аппараты чаще всего маневрируют на орбите, меняя высоту. Существует даже условный класс «спутников-инспекторов», которые целенаправленно приближаются к чужим аппаратам, чтобы их сфотографировать.
- Риск столкновения
В начале апреля спутники компаний OneWeb и SpaceX уклонились от опасного сближения друг с другом на орбите, об этом заявили представители Космических сил США и OneWeb. Это первая опасная ситуация двух конкурирующих компаний, которые расширяют свои широкополосные сети в космосе.
Исследователи оценивали вероятность столкновения в 1,3%, при этом два спутника приблизились до 57 метров — это опасная близость для спутников на орбите. Если бы спутники столкнулись на орбите, то это могло бы вызвать катастрофу, которая привела бы к образованию сотни кусков мусора, а их траектория бы изменилась, подвергая угрозе другие устройства.
Специалисты также отметили, что сейчас сейчас нет ни одной национальной или глобальной космической организации, которая бы регулировала спутниковых операторов, чтобы они принимать меры в связи с потенциальными столкновениями. У компаний есть только срочные оповещения Космических сил компаниям, которые требуют соблюдать безопасную дистанцию устройств друг от друга.
Как спутники меняют небосклон?
Созвездия спутников и куски космического мусора, двигающиеся по орбите Земли и отражающие солнечный свет, сделали ночное небо на 10% ярче. Об этом говорится в совместном исследовании международной команды астрофизиков.
«Мы ожидали, что увеличение яркости неба будет незначительным, но наши первые теоретические оценки оказались удивительными и таким образом побудили нас незамедлительно сообщить о результатах», — отметил Мирослав Коцифай, старший научный сотрудник Словацкой академии наук и ведущий автор исследования по световому загрязнению.
Ученые считают, что проблема будет только усугубляться по мере того, как в небо будут отправлять все новые спутники. К другим виновникам изменений также относят отработанные ракетные компоненты и другие обломки, которые отражают и рассеивают свет от Солнца.
Где и какие спутники сейчас работают?
Самая густонаселенная орбита — геостационарная (ГСО). Сейчас на ней находятся около 400 спутников, то есть примерно каждый пятый действующий космический аппарат.
Вообще орбиты спутников делятся на низкие (до 2 000 километров от Земли), средние и высокие, и геостационарная относится к последней группе. На низкой орбите летают спутники дистанционного зондирования Земли, спутники связи, например, такие, как Iridium, Globalstar, Orbcomm, российская система «Гонец». На средних располагаются навигационные системы — ГЛОНАСС (Россия), GPS (США), Galileo (Европа) и «Бэйдоу» (Китай).
Популярность геостационарной орбиты — следствие того, что только на ней спутник не меняет своего положения на небе, как бы зависая над выбранной точкой экватора на высоте 35 786 километров. Это позволяет связываться с ним при помощи стационарных наземных антенн, раз и навсегда направленных в одну точку.
- Starlink
В марте 2021 года SpaceX провела серию успешных запусков спутников Starlink, доведя их количество на орбите до 1 300 — около 8% от плана на 2027 год.
SpaceX запускает спутники на орбиту партиями по 60 штук с мая 2019 года, причем в марте 2021-го таких запусков было четыре. Каждый спутник весит 260 кг, а ступень для их запуска рассчитана на 100 миссий: каждый раз она возвращается на плавучую платформу Of Course I Still Love You («Конечно, я все еще люблю тебя») в Атлантическом океане, в 630 км от мыса Канаверал.
Идея состоит в том, чтобы окутать сетью из небольших телеком-спутников всю планету на низкой околоземной орбите — в 500-2000 км от поверхности. Один спутник покрывает небольшую территорию, например, размером с Аляску. Поэтому их запускают группами для покрытия определенной территории. Успех какого-либо низкоорбитального проекта приведет к полному изменению телеком-инфраструктуры во всем мире.
- Mars Express
Благодаря постоянному мониторингу Mars Express ученые проанализировали две последние глобальные пыльные бури, в 2007 и 2018 годах. Они сравнили показатели тех лет с годами без бурь, чтобы понять, как штормы повлияли на утечку воды с Марса.
Со сменой сезонов влага замерзает в атмосфере Марса. Однако вместо того, чтобы вернуться на поверхность планеты в виде осадков, происходит иное. В процесс вмешиваются пыльные бури. Они нагревают и разрушают атмосферу Марса, а также доставляют воду на еще большие высоты.
В обоих исследованиях использовались обширные многолетние наборы данных, полученные с помощью прибора SPICAM орбитального аппарата Mars Express.
- Взрыв спутника NOAA 17
Метеорологический спутник США NOAA 17, который не был задействован в работе, взорвался в космосе на 16 обломков. Сейчас ученые наблюдают на 16 связанных со взрывом обломков, чтобы они не нарушили работу других объектов. Несут ли угрозу обломки работающим спутникам, не уточняется.
В эскадрилье сообщили: пока нет признака, что произошедшее было вызвано столкновением с другим объектом. По данным ВВС США, до взрыва спутник находился на орбите с минимальной высотой 800 км и максимальной 817 км.
Спутник NOAA 17 был запущен в космос в июне 2002 года и выведен из эксплуатации в 2013 году. Отмечается, что ранее подобные спутники уже разрушались в космосе из-за взрыва бортовых батарей.
- ICESat-2
Ученые изучили данные с высоким разрешением, собранные спутником ICESat-2 над шельфовым ледником Эймери в период с октября 2018 года по ноябрь 2019 года.
Лазерные импульсы со спутника направляются к поверхности Земли и используют отраженные фотоны для определения высоты поверхности. В отличие от других спутников, разрешение ICESat-2 позволяет ему видеть более мелкие трещины и их морфологию.
Ученые обработали данные спутника с помощью алгоритма. Он идентифицирует поверхностные депрессии льда, чтобы определить местонахождение и охарактеризовать трещины. Напомним, депрессия снеговой линии — ее снижение вследствие климатических изменений, благоприятных для сохранения баланса массы ледников.
Поскольку баланс массы — это прямая функция аккумуляции и абляции, колебания высоты снеговой линии отражают суммарные эффекты изменений температур и атмосферных осадков.
- OneWeb
В 2012 году американский технический предприниматель, инженер и изобретатель Грег Уайлер основал WorldVu Satellites — телекоммуникационную компанию, которая должна обеспечить сотни миллионов людей доступом в интернет. Позднее организацию переименовали в OneWeb — в честь одноименного проекта по распространению сети в труднодоступные места.
Именно Россия оказывает проекту наибольшее сопротивление. В 2018 году ФСБ и Роскомнадзор выступили против того, чтобы выделять спутникам запрошенные OneWeb частоты. Спецслужбы заявили, что существует риск шпионажа — мол, британская компания будет следить за россиянами. В 2019 году OneWeb отозвала заявку и пообещала переработать ее с учетом российских требований по национальной безопасности.
Зачем нужны спутники Земли?
Как ты думаешь, дружок, зачем люди летают в космос? Ведь космос это безвоздушное пространство и там очень холодно. А космонавтов постоянно поджидают различные трудности и опасности.
Ты можешь сказать, что там плавать можно, как в бассейне и кувыркаться в невесомости? Но ведь невесомость можно создать и на земле. Зачем же тогда так рисковать и строить дорогостоящие космические корабли? Ведь это очень сложная работа и тысячи ученых, строителей трудятся многие годы, чтобы построить космической ракеты и орбитальные спутники Земли.
А может звезды разглядывать? Спросишь ты. Что же это верно. Ведь когда звезды изучают с Земли в телескоп, то видят их не совсем отчетливо. Потому что хорошо их рассмотреть мешает земная атмосфера. Вот космонавты и фотографируют прямо из космоса другие планеты, наблюдают за солнцем и луной.
Спутники Земли бывают разными
А еще вокруг Земли летают спутники, которые ловят сигналы телевизионных станций с земли и передают их друг дружке, чтобы вернуть сигнал вновь на Землю в любую ее точку. Благодаря этому ты можешь смотреть мультики, транслируемые в другой стране одновременно со всем детьми разных стран.
А еще спутники могут предсказывать погоду на Земле. Облетят спутники нашу планету несколько раз, и вмиг увидят, где может образоваться буря или шторм, а где скоро начнется гроза или землетрясение. Зоркие спутники сразу заметят, куда перемещаются, потоки холодного воздуха и передадут на Землю, где ожидается сильное похолодание.
А еще бывают спутники наблюдения, которые специализируются за отслеживанием катастроф на нашей планете. Если вдруг от удара молнии загорится где-то лес, спутник сразу заметит эту беду и немедленно передаст сообщение пожарным службам. А те в свою очередь без промедления летят к очагу возгорания и вовремя тушат его. Или потерпел вдруг на море аварию нефтяной танкер, и нефть стала тонкой пленкой растекаться по поверхности океана. А это очень вредно для всей морской живности. Вот спутники и передают предупреждение спасательным службам, чтобы они как можно скорее смогли собрать растекшуюся нефть и очистить морские воды.
Есть даже специальные спутники разведчики, которые могут найти полезные ископаемые в местах, куда людям доступ ограничен. Спутники летят над планетой и фотографируют ее, а геологи по фотографиям уже легко определяют, где имеются полезные ископаемые.
Для чего нужен спутник?
Для чего нужен спутник? Спутником называется любое небесное тело, которое вращается вокруг другого тела.
Однако чаще всего имеется в виду искусственный спутник, который находится на орбите вокруг Земли и собирает и передает данные.
Искусственный спутник может служить многим целям. Спутники, исследующие из космоса облака, ветры и температуру атмосферы, используются метеорологами для прогнозов погоды.
Спутники используются в военных целях, чтобы следить за зонами боевых действий, отслеживать запуски ракет и ядерные испытания, производить разведывательную деятельность за другими странами и засекать приближающиеся объекты, например метеориты.
Спутники ретранслируют между континентами телевизионные программы и телефонные переговоры.
Первый спутник глобальной системы навигации и определения местоположения (GPS) был запущен 22 ноября 1978 г., и сегодня GPS является стандартным инструментом навигации, который применяется в военном деле, в науке и промышленности.
Спутники используются и в астрономических целях, например для изучения других планет и для исследования взаимодействий между Солнцем и Землей.
Без спутников — как без рук
С того дня, когда был запущен первый искусственный спутник Земли, на околоземные орбиты были выведены тысячи космических беспилотных аппаратов. И сегодня земляне без них уже не могут обойтись.
Спутники используются для научных исследований, осуществляют связь между разными континентами, помогают кораблям, самолетам и даже обычным автомобилям находить дорогу, ищут полезные ископаемые. Ими пользуются военные, астрономы, метеорологи, создатели новых лекарств и многие другие специалисты.
В наши дни с помощью навигационных спутников в любой точке земного шара корабли, самолеты, автомобили и даже отдельные люди могут в любое мгновение определять свое местоположение и даже скорость, с которой они двигаются. Для этого используются 24 спутника, вращающиеся вокруг Земли на высоте 20 тысяч километров.
Точнее не бывает
Другая задача у спутников, вращающихся на низких орбитах и оборудованных приборами для сверхточной фото- и видеосъемки земной поверхности.
За последние десятилетия они позволили создать самые точные и подробные карты поверхности Земли, на которых видны детали размером меньше одного метра. Стали ненужными длительные и дорогостоящие экспедиции картографов.
Погода на завтра
Метеорологические спутники бдительно следят из космоса за всеми изменениями погоды на планете. С их помощью составляют метеорологические карты, предсказывают погоду, предупреждают суда и самолеты о штормах и ураганах, изучают изменения климата.
Как «подвесить» спутник
Вращаться вокруг Земли спутники могут на разных высотах, но не ниже 150 км над поверхностью планеты. На такой высоте атмосфера тормозит движение космического аппарата, и срок его «жизни» сокращается.
Особое значение имеют спутники, которые выводят на очень высокие орбиты — так, что они совершают один оборот вокруг Земли за то же время, что и сама Земля.
Спутник при этом как бы постоянно «висит» на огромной высоте над одной точкой земной поверхности. Эти спутники называют «геостационарами».
Рай для физика
Что стоит за слияниями
«Горячие» фотоны
Первые астрономические наблюдения
В каком городе США больше всего достопримечательностей?
Семь услуг, которые нам оказывают спутники
Космические аппараты стоят огромных денег. Один только старт "съедает" минимум 100 миллионов евро. Но эти инвестиции оправдываются. Без спутников наша жизнь в корне бы изменилась.
Европейский радиолокационный спутник Sentinel-1AФото: picture-alliance/dpa
Значение искусственных спутников Земли в нашей жизни огромно. Не будь их, мы не могли бы смотреть передачи целого ряда телеканалов, лишились бы подробной информации о прогнозе погоды, а также множества других удобств. Свыше 1200 космических летательных аппаратов вращаются сейчас на разных орбитах вокруг Земли. Все они сильно отличаются друг от друга — в том числе, и по своему назначению.
Первый сигнал со спутника
Сигналы, раздающиеся от смартфонов, планшетов или других прочно вошедших в нашу жизнь «навороченных» электроприборов, сегодня не удивят никого. А вот 58 лет назад радиосигнал, посланный с советского искусственного спутника Земли «Спутник-1», первого посланца человечества в космосе, произвел ошеломляющий эффект на Западе, поскольку продемонстрировал всему миру первенство СССР в освоении космоса. США не хотели отставать от своего главного конкурента и взялись за реализацию программы, нацеленной на достижение человеком Луны. Американцы своего добились: 12 лет спустя их астронавт первым ступил на поверхность этой планеты. «Космические гонки» СССР и США, пришедшиеся на период с 1957 по 1975 годы, были тогда в самом разгаре.
Шпионаж
Тот, кому хоть раз доводилось посмотреть какой-нибудь голливудский триллер, знает: с американских разведывательных спутников, способных получить «картинку» в режиме реального времени из любой точки мира, с давних пор ведется постоянное наблюдение за Землей. Конечно, в кино многое приукрашено. Но как бы то ни было, в число лучших «космических шпионов» входят именно американские военные спутники видовой разведки серии KeyHole (в буквальном переводе с английского — «замочная скважина»).
Их телескопы способны фотографировать Землю с разрешением до 10 сантиметров на пиксель. То есть, вопреки утверждениям авторов некоторых кинолент, номерные знаки автомашин они считывать из космоса не могут. Зато идентифицировать номерные знаки, а также людей, находящихся в данный момент в автомобиле, можно с помощью дронов, но лишь в том случае, если расстояние от такого аппарата до объекта составляет не более 25 километров.
За вами следят!Фото: Colourbox/Korionov Igor
Телевидение и коммуникация
Около четырех десятилетий назад спутниковое телевидение впервые появилось в США, а десять лет спустя оно пришло и в Европу. Сегодня спутниковыми антеннами уже никого не удивишь: к «тарелкам» подключено более половины телевизоров. Через спутник также осуществляется передача электронной почты и SMS-сообщений, обеспечивается телефонная связь и доступ к интернету. В качестве телеретрансляторов используется около четверти искусственных спутников Земли.
Навигация
Спутниковая система навигации GPS (Global Positioning System — система глобального позиционирования) стала большим подспорьем для водителей автомобилей, велосипедистов, пешеходов. Она при любой погоде определит ваше местонахождение и не даст сбиться в пути. GPS разработана, реализована и эксплуатируется в США. Но 20 лет спустя после ее запуска американцам стали наступать на пятки конкуренты. Альтернативные варианты спутниковых навигационных систем теперь есть в Европейском Союзе, а также в России и Китае. Это Galileo, ГЛОНАСС и «Бэйдоу».
Навигаторы встраиваются и в современные смартфоны. Вообще специальных приложений для смартфонов существует множество. С их помощью можно подыскать поблизости подходящий ресторан, найти новых друзей и даже спутника жизни. Бесперебойную работу подобных программ обеспечивают пять процентов искусственных спутников.
Прогнозы погоды
«Пророчествовать очень трудно, особенно если дело касается будущего», — сказал как-то Марк Твен. Особенно нелегко предсказывать погоду. Ошибки в прогнозах метеорологов давно уже стали притчей во языцех, и у многих людей они кроме легкой насмешки иных эмоций не вызывают. Однако с приходом на помощь наземным службам погоды искусственных метеорологических спутников, точность метеоинформации улучшилась в 15 раз.
Сегодня спутники обеспечивают возможность 14-дневного прогноза погоды, их радары фиксируют зарождение дождя и снега, а их датчики дают возможность с большой точностью вычислить температуру океанов, участков суши и облаков.
Снимок, сделанный из космосаФото: Copernicus data/ESA
Наблюдение Земли
Наблюдение Земли в режиме реального времени пока под силу только американцам. Программа Copernicus, осуществляемая ЕС совместно с Европейским космическим агентством, тоже обеспечивает непрерывный глобальный мониторинг, но изображение со спутников передается с ее помощью спустя 20 минут с момента начала съемки. Разрешение фотоснимков — менее одного метра.
Благодаря таким спутникам можно отследить, например, развитие ситуации в зоне бедствия в Непале и на основе полученной информации определять места, пригодные для посадки вертолетов с гуманитарной помощью для пострадавших от землетрясения.
Научные исследования
Благодаря искусственным спутникам Земли выведены на новый уровень научные исследования. С их помощью определяются зоны повышенной гравитации, ежегодный подъем уровня моря, контролируются солнечные вспышки, проводятся наблюдения других планет и галактик. Для научных исследований предназначены десять процентов искусственных спутников Земли.
Космические станции — это долговременно обитаемые летательные аппараты, главным образом предназначенные для научных исследований. По сравнению с космическими капсулами, они гораздо более комфортабельны. К слову, около года назад на международной космической станции МКС появился первый кофейный автомат ISSpresso. Он способен работать в условиях невесомости. Так что астронавты теперь могут позволить себе по утрам чашечку кофе.