Original: http://www.polaris.iastate.edu/EveningStar/Unit4/unit4_sub3.htm

Те, що ми тільки що описали в попередньому розділі, як супутник облітає Землю – це так само, як бейсбол, який йде весь шлях навколо Землі. Давайте подивимося на це більш докладно.

Низькі навколоземні орбіти

Більшість супутників, Міжнародна космічна станція, космічний човник, і космічного телескопа Хаббла все на низькій навколоземній орбіті (зазвичай званий «LEO»). Ця орбіта майже ідентична попередньої бейсбольною орбіті, наприклад, за винятком того, що вона досить висока, щоб пропустити все гори, а також досить висока, що атмосферний гальмування не принесе його назад додому.

1) З нашого попереднього обговорення на даний момент, ви повинні знати, що якщо космонавтові не рухається досить швидко, його орбіта буде привести його назад до поверхні Землі. Яка мінімальна швидкість йому потрібно для того, щоб залишитися принаймні настільки ж високо, як він? При такій швидкості, як довго він буде приймати астронавт, щоб піти навколо Землі один раз?

Відповідь: якщо він не буде, принаймні 26000 футів/сек або близько 18 000 миль на годину, то він буде падати до Землі. Швидкість, однак, залежить від відстані від центру Землі. У разі космічного човника, вона обертається навколо Землі кожні 90 хвилин на висоті 466 км (290 миль) над поверхнею Землі.

Переваги та недоліки низьких навколоземних орбіт (LEO)

Низької навколоземної орбіти використовується для речей, які ми хочемо відвідати часто з космічного шатлу, як космічного телескопа Хаббла і Міжнародної космічної станції. Це зручно для установки нових інструментів, фіксуючи речі, які розриваються, і огляд пошкоджень. Мова також йде про єдиний шлях ми можемо мати людей йти, робити експерименти, і повернутися у відносно короткий проміжок часу.

Є два недоліки маючи речі так близько, однако. По-перше, є ще деякі опору атмосфери. Навіть при тому, що кількість атмосфери занадто мало, щоб дихати, є досить, щоб помістити невелику кількість опору на супутнику або іншого об’єкта. В результаті, з плином часу ці об’єкти сповільнитися і їх орбіти повільно розпадатися. Простіше кажучи, супутник або космічний корабель сповільнюється, і це дозволяє вплив гравітації тягнути об’єкт до Землі.

Другий недолік пов’язаний з як швидко супутник на навколоземній йде навколо Землі. Як ви можете собі уявити, супутник подорожі 18000 миль в годину або швидше не витрачати дуже довго на будь-якої однієї частини Землі в певний момент часу. Так що ж відбувається, якщо ми хочемо, щоб супутник витрачати весь свій час протягом тільки однієї частини Землі? Наприклад, метеорологічний супутник НЕ буде дуже ефективним для нас в Північній Америці, якщо у нього не було довгий час перебування над нами. (Час очікування = час супутник сидить над однією частиною земної кулі.) Крім того, супутник зв’язку не працюватиме дуже добре для нас в Північній Америці, якщо він провів більшу частину свого часу по Африці або Азії.

Є два способи зробити це. Одним з рішень є поставити супутник у високій еліптичній орбіті, а інший, щоб помістити супутник на геостаціонарній орбіті.

Високоеліптичні орбіти

Пам’ятайте другий закон Кеплера: об’єкт на орбіті навколо Землі рухається набагато швидше, коли вона близька до Землі, ніж коли вона знаходиться далі. Перигей знаходиться найближчою точкою і апогей є далеким (для Землі – для Сонця ми говоримо афелій і перигелій). Якщо орбіта дуже еліптична, супутник буде проводити більшу частину свого часу поблизу апогею (найдальша точка на своїй орбіті), де він рухається дуже повільно. Таким чином, він може бути вище бази великої частини часу, приймаючи перерву рази кожної орбіту швидкості навколо іншого боку.

З високим еліптичної орбітою, описаної вище, супутник має багато часу затримки більш ніж однієї області, але в певні моменти часу, коли супутник знаходиться на ділянці високошвидкісної орбіти, немає покриття по потрібній області. Для того, щоб вирішити цю проблему, ми могли б мати два супутника на орбіті схожа, але за часом, щоб бути на протилежних сторонах орбіти в будь-який момент часу. Таким чином, завжди буде один супутник на потрібну зону покриття в будь-який час.

Якщо ми хочемо, щоб безперервне покриття по всій планеті в усі часи, такі, як Департамент по системі оборони США глобального позиціонування (GPS), то ми повинні мати сузір’я супутників з орбітами, як різні за місцем і часу.

Таким чином, є супутник над кожною частиною Землі в будь-який момент часу. У разі системи GPS, є три або більше супутників, що охоплюють будь-яке місце на планеті.

Геостаціонарні орбіти

Інше рішення проблеми часу перебування, щоб мати супутник завжди сидить за те саме місце на планеті. Те, як ми робимо це, щоб мати орбітальний період супутника точно так же, як період обертання Землі, що один день. Це називається геостаціонарної орбіти, або ГСО для стислості.

В цьому випадку супутник не може бути занадто близько до Землі, тому що ми вже з’ясували, що це не буде йти досить швидко, щоб протидіяти сили тяжіння. Якщо згадати, шаттл, щоб залишатися в повітрі, повинні обвести планету кожні 90 хвилин.

Ми можемо використовувати третій закон Кеплера, щоб з’ясувати, як далеко супутник повинен витрачати весь свій час на одній частині Землі. Відповідь в тому, що супутник повинен бути поміщений близько 22000 миль (36000 км) від поверхні Землі, щоб залишитися в ГСО. Це набагато далі, ніж на низьку орбіту Землі, або відносно близько вельми ексцентрична GPS-як орбіти, так що варто більше, щоб отримати його там. Проте, вам потрібно тільки один супутник, щоб зробити роботу, і це на роботу 24 години на добу.

1) Як швидко цей супутник відбувається по відношенню до Землі?

Відповідь: супутник завершує кругову орбіту кожні 24 години (приблизно), відповідну добове обертання Землі. Це означає, що супутник проходить приблизно 160000 миль кожні 24 години. Ми отримуємо це, просто приймаючи довжину окружності з радіусом, рівним 22000 миль (35000 км), відстань від супутника до поверхні Землі, плюс 4000 миль (6400 км), радіус Землі.

Розділіть всього милі від загальної кількості годин (160 000/24), і ви отримаєте трохи більше 10000 миль в годину. Зверніть увагу на те, що ця сума набагато менше швидкості, необхідної для низької навколоземної орбіти! Це показує, як швидкість орбіти залежить від відстані від центру Землі.

Позиціонуючи супутник так, що вона має нескінченний час затримки більше одного місця на Землі, ми можемо постійно стежити за погодою в одному місці, забезпечують надійну телекомунікаційну послугу, і навіть променеві телевізійні сигнали безпосередньо до вашого будинку. Якщо у вас є супутникове телебачення будинку, зверніть увагу, що невелика параболічна антена зовні вказує на те ж місце в небі в усі часи. Існує геостаціонарній супутник сидів 22000 миль в цьому напрямку посилаючи сигнал у ваш дім! Зворотний бік геостаціонарної орбіти є те, що він є більш дорогим, щоб покласти щось, що висока і немає можливості відновити його з човника. Коли супутник перебуває в НГО, човник може відновити його в разі потреби, як це було зроблено з кілька разів космічного телескопа Хаббла. Таким чином, ви тільки покласти щось в ГСО, якщо вам дійсно потрібно, щоб мати його в тому ж місці в небі в усі часи.

Якщо це важко оцінити значення цих супутників, розгляне таку справжню історію: Один з людей, відповідальних за цей веб-сайт був на невелике вантажне судно (корабель) на своєму шляху зі Швеції в США в листопаді 1959 р Корабля тільки досяг особливо неприємною частина Північного моря (не надто далеко від скелястого узбережжя Шотландії), коли він був спійманий під час шторму, який не був передбачений або бачив. Протягом декількох днів, корабель кинув назад і вперед по хвилях, як великі, як це було – або великих – перекидання більш ніж на 30 градусів в кожну сторону. (Якщо ви бачили «Ідеальний шторм», то у вас є деяке уявлення про те, що це було схоже.) Цей корабель зробив його в порт через кілька днів, але лише одиниці не в цьому штормі. Пару рік потому, були запущені перші метеорологічні супутники, і жоден корабель не був спійманий раптовим штормом з тих пір!