Задумывались ли Вы, мой любопытный читатель, что человек – единственный вид живых существ на этой планете, который умеет общаться с себе подобными независимо от того, где конкретно находится его собеседник? Нет? А зря. Потому что именно такие вещи определяют, по моему мнению, что цивилизация развивается именно по пути технологического прогресса.
Но как же нам это удаётся делать?
Moscow Calling
Давайте сегодня проанализируем телефонный разговор между людьми, находящимися на разных континентах. Мы увидим, что совершенно незаметно для кого-либо из участников беседы их голоса, преобразованные в электромагнитные сигналы, преодолевают десятки тысяч километров, чтобы достичь ушей собеседника.
В ходе разговора закодированные слова передаются по телефонным проводам или по воздуху к ближайшим наземным ретрансляторам. И оттуда «прыгают» в открытый космос, чтобы «отразиться» от спутника связи, находящегося в десятках тысяч километров от Вас. А затем они возвращаются по тому же пути к земле. К Вашему собеседнику. И всё это происходит всего за несколько десятых секунды!
Согласитесь, это похоже на какую-то технологию из научной фантастики.
Вы можете сказать – да ерунда всё это! В наше время гораздо проще и дешевле использовать для связи Интернет, который спокойно позволяет общаться без всяких там дорогущих спутников по оптоволоконным кабелям, проложенным между континентами прямо по морскому дну!
Да, это действительно так. Однако в данном вопросе не всё однозначно. Ведь не зря же разные страны мира буквально «дерутся» за уникальную область околоземного пространства – геостационарную орбиту. Так что же это такое, и почему место на этой орбите очень ценится земными инженерами?
Фантастическая мысль
Эта история началась в 1945 году, когда известный писатель-фантаст Артур Кларк высказал очень интересную идею. Он предложил рассмотреть возможность размещения на одной очень специфической околоземной орбите трех спутников связи. Особенность этой орбиты заключается в том, что любой космический аппарат, который оказался бы на ней, за счёт магических сил как бы «зависал» над одной точкой Земли. И это было бы очень удобно для приёма с одной точки Земли и передачу в другую точку нашей планеты радиосигналов. Или даже передачи этих сигналов между спутниками, которые охватывали бы своим «зрением» огромный участок Земли, а все вместе – большую часть поверхности планеты.
Предложение было очень смелым для своего времени. Поскольку лишь через двенадцать лет самый первый спутник Земли отправился в космос. И всё же высказанная Кларком идея имела смысл. Потому что ньютоновской физики было достаточно, чтобы теоретически рассчитать скорость, с которой космический спутник должен оправиться в космос и гарантированно оказаться на подобной орбите вокруг Земли. Конечно же, по поводу магических сил это была шутка. Такая орбита действительно существует. И никакой мистики здесь нет. И мы сейчас выясним, как это работает.
Объект, который вращается вокруг Земли, должен двигаться с такой скоростью вокруг планеты, чтобы не упасть на неё. Или, если быть точнее, не «попасть» в неё в процессе свободного падения. МКС, например, облетает Землю за 1,5 часа, находясь при этом на высоте около 400 километров. Очевидно, что чем выше расположена орбита объекта, тем больше времени ему понадобится, чтобы облететь нашу планету. Луна, например, находится в среднем на расстоянии 384 000 километров от Земли. И для совершения полного оборота вокруг последней Луне требуется чуть более 27 суток.
Из этого легко сделать поразительный вывод: должна существовать орбита, на которой спутнику требуется ровно 24 часа, чтобы совершить один оборот вокруг Земли! То есть точно такое же время, за которое все находящиеся на поверхности планеты один раз оборачиваются вокруг оси нашей планеты. И если бы такая орбита располагалась в плоскости земного экватора, то она была бы просто особенной! Потому что если поместить на неё достаточно мощный источник света, мы наблюдали бы его неподвижно висящим в небе! Всегда в одном и том же положении. Как ночью, так и днём. И зимой, и летом. И даже осенью!
Это волшебное расстояние – 36 000 км от поверхности Земли. Такая орбита и называется «геостационарной». Или, в честь знаменитого фантаста, её еще называют «пояс Кларка».
Поехали, повисим!
В 1957 году, после запуска СССР первого спутника, началась космическая эра человечества. С этого момента идея размещения спутников на геостационарной орбите уже не выглядела чистой фантастикой. И всего через два десятилетия после того, как Кларк предложил эту идею, она была воплощена в жизнь. 19 августа 1964 в космос отправился американский спутник связи «Syncom-3», который успешно достиг геостационарной орбиты.
Фундаментальное преимущество спутника связи, находящегося на геостационарной орбите, заключается в том, что, учитывая его фиксированное положение в небе, можно направить на него спутниковую антенну и использовать её для связи с остальным миром без необходимости перемещать её.
Однако по логике один спутник не мог помочь связаться с кем-то, находящимся на противоположной стороне Земли. Для этого необходимо иметь, как и предлагал Кларк, минимум три равноудалённых друг от друга космических аппарата. Работает это так: сигнал, посланный одному из абонентов, может быть переадресован на другой спутник. А он, в свою очередь, может отправить его на Землю. В тут точку, что не видна с первого спутника. Именно так выглядит схема самой простой системы спутниковой связи.
Однако есть нюанс. Удержать спутник на геостационарной орбите ой как непросто. Потому что как только он достигает места своей работы, (называемого «орбитальная позиция» или «точка стояния») он не застывает там фактически в одном месте. А постоянно понемногу перемещается. Это, к сожалению, неизбежно.
Геостационарная орбита. Трудности
На траекторию спутника влияет множество факторов: гравитация Земли, которая неоднородна, потому что наша планета не совсем сферическая, и её масса распределена неравномерно; масса самого спутника, которая также не является однородной; притяжение Луны и Солнца, которые вызывают приливные движения; солнечный ветер, разница температур, удары микрометеоритов и т.д.
Воздействие всех этих факторов приводят к тому, что положение спутника постоянно меняется. И если все эти перемещения не вытащат спутник из области пространства, имеющей длину 75 километров с каждой стороны от точки стояния, то все в порядке. Но если же спутник выберется оттуда, то придётся запускать двигатель космического аппарата. И производить коррекцию его орбиты. Чтобы заставить его вернуться на место.
Каждый подобный манёвр расходует топливо. И рано или поздно оно заканчивается. Это конец жизни любого геостационарного спутника. Когда его уже невозможно удерживать в точке стояния, он отдаляется от своего места, и начинает бродить по космосу, как несчастный мамонтёнок в поисках мамы, грустно заглядывая в иллюминаторы пролетающих мимо по своим делам космических станций.
Постепенно, незаметно для себя, превращаясь в обыкновенный, опасный для ещё живых спутников космический мусор.