Наука, техника, изобретения

Библиотека

наука

Современные технологии и производство

Детская энциклопедия
оглавление

На орбите робот

Спутники на службе погоды
В 1968 г. советское судно "Богдан Хмельницкий", обогнув с юга Африку, приближалось к Мозамбик-скому проливу между материком и островом Мадагаскар. 17 января радист принял тревожную радиограмму. Синоптики из далекой Москвы предупреждали: навстречу кораблю движется мощный тропический циклон "Жоржетта". Они советовали избежать неприятной встречи, обойдя Мадагаскар с восточной стороны. Но в сводках местных береговых метеорологических станций говорилось о надвигавшемся на остров с востока другом урагане - "Генриетта".

Капитан судна запросил по радио Москву. Гидрометцентр подтвердил прежнюю рекомендацию. Корабль взял курс на восток. Через несколько дней, пройдя без особых осложнений через небольшой шторм у Мадагаскара, "Богдан Хмельницкий" благополучно продолжал свой путь. А в это время у берегов Африки бушевал тропический циклон.

Как же московские синоптики смогли точнее местных специалистов оценить метеорологическую обстановку? Сделать это им помог искусственный спутник Земли "Космос-184". Фотографии, снятые спутником над Индийским океаном и полученные в Москве, показали, что циклон "Генриетта" менее опасен, чем "Жоржетта".

Искусственные спутники Земли впервые позволили человеку посмотреть на свою планету со стороны. Первый советский метеорологический спутник "Космос-122" был выведен на орбиту 25 июня 1966 г. Не прошло и года, как в строй вступила космическая метеорологическая система "Метеор", состоящая уже из 3 спутников серии "Космос". С тех пор система "Метеор" систематически пополняется новыми спутниками. Все они выходят на круговые орбиты с высотой около 630 км от поверхности Земли и позволяют метеорологам делать более правильные прогнозы погоды.

Немногим более полутора часов требуется космическому разведчику погоды, чтобы облететь земной шар. Углы между плоскостями орбит советских метеорологических спутников и плоскостью экватора близки к 90°. Таким образом, спутники при каждом обороте вокруг Земли проходят над ее полярными областями. Так как Земля вращается вокруг своей оси с запада на восток, то каждый следующий виток проходит над более западными районами планеты, чем предыдущий.

Как же работает космическая метеостанция? На рисунке (стр. 176) показан спутник системы "Метеор". Его метеорологическая аппаратура должна работать как можно дольше. Поэтому снабжать ее электроэнергией конструкторы поручили солнечным батареям. Собственная система ориентации солнечных батарей все время следит за тем, чтобы их поверхности были перпендикулярны лучам Солнца. Как мы уже говорили в статье "На орбите космический корабль", сила тока от батарей при этом условии будет максимальной.

Сам спутник состоит из двух цилиндрических отсеков. В меньшем размещена аппаратура для метеорологических наблюдений, а в большем - служебные и вспомогательные системы. В полете спутник ориентирован. Его главная ось все время направлена точно на центр Земли. Если ориентация и стабилизация космических кораблей осуществляются с помощью реактивных двигателей, то определенное положение в пространстве метеорологических спутников достигается и поддерживается несколькими вращающимися маховиками. Управляющие космическим аппаратом силы развиваются при изменении скорости вращения этих маховиков. Маховики приводятся в движение энергией солнечных батарей: каждый маховик - это массивный ротор электрического двигателя.

Спутник "осматривает" освещенную сторону Земли 2 телевизионными камерами. Их направленные вниз объективы установлены под небольшим углом друг к другу. Таким образом площадь обзора увеличивается почти в 2 раза. Телевизионные камеры, непрерывно работая в полете, видят полосу земной поверхности или ее облачного покрова шириной до 1000 км и более. Полученное изображение записывается на магнитную пленку, а при пролете спутника над пунктами приема информации передается на Землю. При выходе спутника из тени Земли первые лучи Солнца сами автоматически включают телевизионную аппаратуру.

Но космический синоптик не прекращает своих наблюдений и над ночной стороной планеты. Здесь вместо телевизионной на вахту становится инфракрасная аппаратура. Ее "глаз" совершает непрерывные маятниковые колебания перпендикулярно плоскости полета спутника и, таким образом, "осматривает" полосу земной поверхности такой же ширины, как и при съемке телевизионными камерами. Инфракрасные приемники измеряют тепловое излучение земной поверхности. Облака всегда холоднее поверхности Земли, поэтому облачные образования - тайфуны, циклоны и т. п.- четко различимы на таких снимках. Во время полярной ночи в северных и южных областях планеты только "ночные глаза" метеорологического спутника позволяют человеку "видеть" облака.

Сегодня фотографии, снятые метеорологическими спутниками, можно увидеть в самых различных учреждениях страны. Космические снимки помогают точно выдерживать расписание на межконтинентальных трассах Аэрофлота. Для капитанов дальнего плавания перестали быть обязательными давно проложенные морские маршруты. Основываясь на "докладах" метеорологических спутников, Гидрометцентр СССР предлагает океанским судам определенные курсы (так называемые рекомендованные курсы), следуя которыми моряки могут избежать встреч со штормами и ураганами.

Спутники связи
Потребности в телефонной связи растут в наше время очень быстро. Однако прокладка кабеля на тысячи и больше километров - дело длительное, трудоемкое и дорогое. В 1970 г. количество трансатлантических телефонных связей между Западной Европой и США достигло 10 млн., а к 1980 г. их число, как предполагают, возрастет более чем в 10 раз. Трансатлантический кабель, например, "вмещает" всего лишь несколько сотен телефонных каналов (см. ст. "Электрическая связь").

Вы спросите: "А радио?" Радио уже не всегда может помочь. Несколько десятилетий назад, когда радиостанции были сравнительно редки, они работали на длинных и средних, а затем и на коротких волнах, которые благодаря многократным отражениям от ионосферы могут преодолевать большие расстояния. Сейчас на земном шаре так много радиостанций, что при работе только в этих диапазонах длин волн они неизбежно будут мешать друг другу. Поэтому радисты обратились к ультракоротким волнам.

Однако ультракороткие радиоволны, способные передавать сигналы практически без всяких помех, имеют существенный недостаток: они распространяются прямолинейно, как луч света, и от ионосферы почти не отражаются. С появлением искусственных спутников Земли возникла мысль использовать их как "радиозеркала" для отражения ультракоротких радиоволн. Эта мысль не была совсем новой. Спутник Земли для этой цели уже использовался, правда не искусственный, а естественный. Опыты с радиосвязью через Луну проводились еще в 1948 г. В 1964 г. через ночное светило была успешно осуществлена радиосвязь между английской обсерваторией Джо-дрелл-Бэнк и советской обсерваторией под городом Горьким. Однако радиосвязь с отражением от лунной поверхности возможна лишь в очень ограниченное время суток, когда Луна видна одновременно из обоих связываемых пунктов.

Искусственный спутник Земли, запущенный на специально выбранную орбиту, может находиться в зоне радиовидимости нужных пунктов гораздо дольше. Такой спутник связи, получивший название "Эхо-1", был запущен в 1960 г. в США. Этот шарообразный спутник отражал почти все радиоволны, направленные на него с Земли, тогда как Луна -всего лишь 7% принятой энергии. Но как естественному, так и искусственному спутнику Земли было безразлично, куда рассеивать отраженную энергию. Поэтому к Земле на вход приемника, принимающего отраженные от спутника сигналы, возвращалась ничтожная доля излученной передатчиком мощности. Этот и другие недостатки заставили ученых отказаться от таких пассивных спутников связи.

23 апреля 1965 г. в Советском Союзе был запущен первый советский спутник связи - активный ретранслятор "Молния-1". Многие месяцы он обеспечивал обмен телевизионными программами и регулярную телефонную связь между Москвой и Владивостоком. 14 октября 1965 г. запустили второй спутник - была начата опытная эксплуатация системы дальней двухсторонней телевизионной и телефонно-телеграфной связи. Третий спутник, запущенный 25 апреля 1966 г., использовался для обмена телевизионными программами между СССР и Францией.

За несколько лет, прошедших со времени выхода на орбиту первой "Молнии", в Советском Союзе запущено много спутников этого типа. Уже трудятся в космосе и усовершенствованные спутники связи "Молния-2".

Система связи, использующая спутники "Молния", работает следующим образом. Передающая станция с помощью остронаправленной антенны посылает сигнал в виде узкого радиолуча на спутник. Принятый приемопередающей антенной спутника сигнал поступает в его радиоприемное устройство. Там сигнал усиливается, и передатчик спутника отправляет его на Землю, где его принимает приемная станция.

Посмотрите фотографию спутника связи "Молния" на странице 176. В герметичном цилиндрическом корпусе размещается аппаратура ретранслятора, состоящая из чувствительного приемника и мощного передатчика, а также различные вспомогательные системы. На одном из конических днищ установлены корректирующая двигательная установка и микродвигатели системы ориентации. На другом днище укреплен датчик ориентации на Солнце. Этот датчик помогает направлять панели солнечной батареи "лицом" к светилу. Солнечная батарея подзаряжает аккумуляторы, питающие электроэнергией всю аппаратуру спутника.

Снаружи корпуса спутника установлены радиатор-холодильник и панель-нагреватель системы терморегулирования (см. ст. "На орбите космический корабль"). Внутри спутника все время автоматически поддерживается необходимая температура.

После того как спутник выходит на заданную орбиту и раскрываются панели солнечной батареи, начинается его ориентация. Газовые струи микродвигателей, прекратив сначала произвольное вращение спутника, поворачивают его панелями солнечной батареи на Солнце. Микродвигателями при этом командует солнечный оптический датчик. Чтобы сохранить достигнутое положение, включается электродвигатель, вращающий маховик-гироскоп.

Если панели солнечной батареи должны все время "смотреть" на Солнце, то раскрывшиеся "зонтики" параболических антенн с тем же постоянством обязаны "видеть" Землю. Поэтому спутник по сигналам датчика ориентации на Землю разворачивается, направляя антенны на Землю. Точное наведение антенны на Землю завершается поворотом штанги, на конце которой установлен "зонтик". Затем достигнутое положение спутника стабилизируется. Из двух приемопередающих антенн, имеющихся на спутнике, работает одна. Вторая находится в резерве.

Сильно вытянутая эллиптическая орбита спутников выбрана таким образом, чтобы обеспечить максимальную продолжительность связи на территории нашей страны. 50-летие Великой Октябрьской социалистической революции было отмечено вводом в строй системы станций сверхдальних телевизионных передач "Орбита". Только в нашей стране создана такая широкая сеть наземных станций космической Связи. Кроме того, через "Молнию" могут связываться Европа и Азия или Европа и страны американского континента.

Космическая связь, которая еще совсем недавно была мечтой, теперь неразрывно связана с нашей повседневной жизнью.

Спутники-маяки
Космос перестает бытв-только лабораторией ученых. Космонавтика становится все более "земной" отраслью деятельности человека. Кроме профессий метеорологов и связистов искусственные спутники Земли готовы приобрести еще новые специальности - морских и воздушных штурманов и космических картографов.

Издавна путешественникам в затруднительных случаях помогали ориентироваться небесные светила. И сейчас каждый штурман имеет секстант или другой прибор для определения своего положения по звездам, Солнцу и Луне. Ну, а как быть в туман или когда небо затянуто серой пеленой облаков? Недавно был найден выход и из этого положения. Выручила радиоастрономия. Для радиоизлучения небесных тел облачность не помеха. Приемные антенны позволили навигаторам "видеть" небо сквозь тучи. Однако точность радиосекстантов оказалась не очень высокой, и полностью полагаться на их показания пока еще небезопасно. Навигационные спутники стали надежными космическими маяками для штурманов самолетов и кораблей.

Какой-нибудь земной предмет или небесное тело только в том случае может служить ориентиром, если точно известно его положение на поверхности Земли или относительно нашей планеты. Положение навигационного спутника относительно какой-то точки поверхности можно указать с высокой точностью в любой момент времени. Нужно только знать параметры первоначальной орбиты спутника и законы небесной механики, которым подчиняется его движение.

Количество навигационных спутников и их орбиты нужно выбирать таким образом, чтобы эти космические ориентиры достаточно часто пролетали над обслуживаемым районом земной поверхности.

Космический разведчик погоды - метеоспутник "Метеор".

Антенна станции космической связи, осуществляющей передачу программ Центрального телевидения на пункты системы "Орбита".

Благодаря спутнику "Молния" жители самых отдаленных городов и поселков нашей страны могут смотреть телевизионные передачи из Москвы.

С помощью спутника "Интеркосмос-1" изучалось влияние излучения Солнца на земную атмосферу.

А как работают навигационные системы, использующие искусственные спутники Земли? Установленный на спутнике радиопередатчик периодически посылает сигналы на Землю. Корабельная или самолетная приемная навигационная радиостанция во время пролета над нею спутника несколько раз определяет его угловые координаты - высоту и азимут или расстояние до .него (см. т. 2 ДЭ, ст. "Астрономия в народном хозяйстве СССР"). Теперь, зная положение спутника относительно наблюдателя и его координа ты в моменты связи, нетрудно определить и координаты самого наблюдателя, т. е. корабля или самолета.

Спутник "Электрон-1" исследовал радиационный пояс Земли.

Космические частицы больших энергий изучала научная станция - тяжелый искусственный спутник Земли "Протон-4".

А о своих координатах спутник докладывает сам. Для этого в специальном вычислительном центре заранее рассчитывают будущие координаты спутника и по радио посылают их в его запоминающее устройство. Пролетая затем над "своим" районом, спутник по командам автомата извлекает из "памяти" заложенные в него данные и передает их на Землю.

Принятая со спутника информация поступает в корабельную или самолетную вычислительную машину, которая вычисляет и выдает штурману интересующие его географические координаты.

Летают на орбитах и геодезические спутники, они помогают картографам определить точные координаты отдельных точек Земли. Хотя картографы составили уже тысячи подробнейших карт различных участков земной поверхности, однако далеко не каждая ее точка уже имеет точно определенные координаты. Одновременно наблюдая спутник с разных наземных пунктов, координаты которых известны, можно, как говорят геодезисты, "привязать" или определить координаты остальных пунктов.

Искусственные спутники Земли служат и народному хозяйству, и науке. 16 марта 1962 г. в Советском Союзе начались запуски спутников серии "Космос" по программе, составленной Академией наук СССР. Перечень научных задач спутников этой серии очень велик. "Космосы" изучают магнитное поле и радиационную обстановку вблизи Земли, исследуют рентгеновское и ультрафиолетовое излучения Солнца, выполняют разносторонние биологические эксперименты, изучают микрометеориты.

Спутники "Космос", кроме того, стали, для конструкторов как бы испытательной лабораторией в космосе. Многие технические проблемы космонавтики были решены с их помощью: защита космонавтов от опасных излучений, воздействие космических условий на элементы конструкций аппаратов, автоматическая стыковка на орбите, вход в атмосферу и посадка на Землю - вот только некоторые из них.

Для исследования радиационного пояса Земли и ее магнитного поля в 1964 г. в Советском Союзе были запущены спутники серии "Электрон". Одна ракета-носитель выводила на разные орбиты по два спутника "Электрон". Это позволило одновременно изучать внешнюю и внутреннюю зоны радиационного пояса.

Тяжелую научную аппаратуру, необходимую для исследования космических частиц высоких и сверхвысоких энергий, доставили на околоземные орбиты в 60-х годах советские станции "Протон". Масса только научной аппаратуры станции "Протон" составляла более 12 т.

Искусственные спутники Земли стали источниками ценной научной информации из близкого космоса. Поэтому автоматические космические научные лаборатории будут еще много раз видоизменяться и совершенствоваться, а запуски их продолжаться.