Науково-дослідні космічні апарати

1.1 Науково-дослідні космічні апарати

Науково-дослідні космічні апарата (КА) призначені для досліджень навколоземного та міжпланетного космічного простору, Місяця і планет Сонячної системи, з метою проведення різноманітних експериментів і досліджень в космічному просторі наукового та прикладного значення, а також для опрацювання конструкції окремих систем, вузлів та апаратури нових КА (наприклад, нових систем орієнтації, керування, стиковки, посадки тощо). Науково-дослідні КА за призначенням можуть бути пілотованими та автоматичними.

До пілотованих науково-дослідних КА відносять:

а) орбітальні кораблі (ОК), орбітальні лабораторії (ОЛ), орбітальні пілотовані станції (ОПС) та орбітальні бази-станції (ОБС), що призначені для вивчення навколоземного космічного простору;

б) міжпланетні космічні кораблі (КК) і станції, що призначені для вивчення космічного простору, Місяця і планет Сонячної системи.

До автоматичних науково-дослідних КА відносять:

а) штучні супутники Землі (ШСЗ), автоматичні орбітальні лабораторії, орбітальні станції (ОС), які призначені для вивчення верхніх шарів атмосфери та навколоземного космічного простору;

б) автоматичні міжпланетні станції (АМС), штучні супутники Місяця, Сонця (ШСС) та планет, посадочні модулі і планетоходи станцій, що призначені для вивчення космічного простору та планет Сонячної системи (рис.1.1).

1.2 Супутники зв'язку

Супутники зв'язку класифікують за принципом роботи (активні, пасивні), типом орбіти, видом ліній зв'язку та їх кількості.

Активні ШСЗ використовують ретранслятори, які включають бортові приймачі та передавачі (із власними антенними системами), що працюють на різних частотах. Вони приймають сигнали наземної станції, підсилюють їх, здійснюють перетворення частоти і ретрансляцію на іншу наземну станцію. Відомі дві різновидності передачі прийнятої інформації з борту активних ШСЗ: безпосередня передача інформації без запам’ятовування та передача з затримкою інформації, що запам’ятовується на борту.

Рис. 1.1. Вигляд Землі з космосу

Пасивні ШСЗ представляють собою прості відбивачі сигналів, що випромінюють наземні станції (без підсилювання та перетворення). Відомі три види пасивних ШСЗ зв’язку:

сферичні відбивачі;

відбивачі у вигляді хмар або глобальних поясів із металевих диполів, розсіяних на певних висотах;

пласкі або лінзоподібні відбивачі.

Визначено два основні напрямки створення орбітальних супутникових систем зв’язку:

системи ШСЗ, що обертаються за еліптичними орбітами з великим ексцентриситетом;

системи ШСЗ, що обертаються за стаціонарними та синхронними орбітами.

Системи ШСЗ, що обертаються за еліптичними орбітами з великим ексцентриситетом, дозволяють забезпечити протягом тривалого часу за допомогою одного ШСЗ-ретранслятора безперервний зв’язок поміж віддаленими пунктами.

Враховуючи ймовірність виходу з ладу супутників, слід передбачити необхідність періодичного виведення на орбіту нових ШСЗ на заміну тих, що вже не функціональні. Середній час поміж запусками становить

 (1.1)

де - середній термін безвідмовної роботи КА (враховуються лише випадкові відмови); - кількість ШСЗ, що запускаються однією ракетою-носієм (РН); - середня кількість ШСЗ, що функціонує; - ймовірність успішного запуску; - ймовірність успішного виведення на орбіту та увімкнення апаратури; - термін експлуатації сонячних батарей.

До складу системи зв’язку окрім орбітальної системи супутників (будь-якого з типів, перелічених вище) входять приймально-передаючі станції з антенними системами і телеметрична система контролю параметрів бортової апаратури. До складу системи зв’язку з орбітами, що коректуються, входить також командна радіолінія.

У системах на базі активних ШСЗ зв’язку можуть використовуватися нестабілізовані супутники (із повною ізотропною діаграмою направлення антени), стабілізовані обертанням (зазвичай мають механічний пристрій проти обертання антенного блоку), повністю стабілізовані ШСЗ із незмінною орієнтацією діаграми направлення антени (по відношенню до Землі) та сонячних батарей (відносно Сонця), наприклад ШСЗ зв’язку «Молния» (Росія).

Розрахунковий термін активного існування супутників зв’язку 5-7 років.

1.3 Метеорологічні ШСЗ

Метеорологічні ШСЗ (метеосупутники) призначені для регулярного передавання телевізійних зображень хмарового та льодового покривів Землі на наземні станції.

На ШСЗ також встановлюють датчики радіаційних випромінювань Землі та хмарового покриву, які працюють у різних діапазонах частот, а інші прилади – для аналізу метеорологічних умов. Одержана від метеосупутників інформація використовується для аналізу атмосферних процесів та прогнозів погоди.

За телевізійними та інфрачервоними (ІЧ) знімками освітленої та тіньової сторін Землі здійснюють нефаналіз хмарності (визначення її форм, структури та кількості, див. рис.1.2). Ця та інша інформація, що одержана з метеосупутників, дозволяє складати оперативні екологічні карти хмарового, льодового та снігового покривів, виявляти зародження ураганів і визначати напрямок й швидкість їх розповсюдження, розрізняти тип й етапи розвитку погодних умов, виявляти струйні потоки в атмосфері, місцеві метеорологічні явища (шквали, грозову активність тощо), досліджувати тепловий баланс Землі, визначати температуру хмарового покриву, поверхні суходолу й океану.

Рис. 1.2. Хмарність Землі з орбіти

У зв’язку із специфікою вимог до метеоспостережень для глобального прогнозування та регіонального аналізу припускаються дві системи метеорологічних спостережень з використанням супутників:

з централізованою обробкою даних (глобальне прогнозування);

з автономним використанням даних (регіональна оцінка й прогноз).

Централізована система (рис. 1.3) забезпечує одержання моментальних телевізійних зображень хмарового покриву, які послідовно охоплюють усі ділянки поверхні Землі, над якими проходять орбіти метеосупутників. Зображення запам’ятовуються в бортовому комп’ютері ШСЗ та зберігаються до моменту входження його у зону зв’язку з наземною станцією приймання даних та управління ШСЗ, після чого, за командами з Землі, починається передача усіх зображень, що одержано за один оберт ШСЗ відносно Землі.

Рис.1.3. Блок-схема централізованої системи метеоспостережень з використанням ШСЗ

Автономна система на відміну від централізованої не має на борту ШСЗ бортових пристроїв запам’ятовування даних. Зображення із спеціального відікону (телевізійної передаючої трубки), який тимчасово зберігає його, передається автоматично на автономні наземні станції приймання даних (рис. 1.4). Автономна система дозволяє забезпечити метеоданими, практично без затримки, досить великі географічні райони. Для одержання від ШСЗ інформації про метеоумови у будь-якому районі необхідна приймальна станція, що устаткована апаратурою реєстрації (одержання фото- і відео- зображень) телеінформації. Для одержання зображення кожного району Землі, регулярно у полудень (на цей час райони спостереження добре освітлені) бажано використовувати так звані сонячно-синхронні орбіти, площина яких обертається (прецесія орбіти) синхронно із обертанням Землі навколо Сонця у східному напрямку. Орбітальна площина супутника має бути компланарною з напрямком Земля – Сонце. Необхідну швидкість прецесії забезпечують під час запуску обранням відповідного кута нахилення площини орбіти до екватору.

Рис.1.4. Блок-схема автономної системи метеоспостережень з використанням ШСЗ

В першому наближенні швидкість прецесії висхідного вузла орбіти (рад/с) визначається за формулою:

де - екваторіальний радіус Землі (6378,245 км);  - кут нахилу орбіти від екватору (градус);  - найвіддаленіша точка орбіти від центру Землі (км);  - найближча точка орбіти від центру Землі (км).

Отже, для сонячно-синхронної орбіти кут нахилу (рад) буде становити:

Так як прецесія в східному напрямку має додатний знак (+), то кут

З метою спрощення обробки одержаних зображень та зберігання незмінних характеристик розрізнювальної здатності зображень на знімках доцільні кругові та наближені до них орбіти. Для фіксування швидкоплинних атмосферних явищ (вихорових шквалів, грозових областей тощо, див. рис. 1.5), особливо частих в низьких широтах, найпридатніші кругові орбіти.

Рис. 1.5. Циклон над територією України

Найдоцільнішими вважають системи, що складаються з чотирьох та шести метеосупутників, що обертаються на полярних кругових орбітах висотою 600 – 2000 км від усередненої земної поверхні, розташовані так, щоб супутники одночасно знаходилися риблизно на одній широті (орбіти рознесені по довготі).

Зону ефективного зв’язку можна оцінювати величиною дуги  геоцентричного кола (рис. 1.6-1.7). Якщо проекція траєкторії

ШСЗ на Землю проходить на відстані від станції, не меншій за  при будь-якій орієнтації орбіти відносно точки стояння станції на даному оберті буде можлива передача від супутника протягом часу, не меншим за встановлену тривалість сеансу , і при цьому кут підняття антени не буде меншим за допустимий  Як видно з рис. 1.6, відстань проекції траєкторії на Землю визначається як:

Рис.1.6. Схема визначення зони ефективного зв’язку наземного пункту з ШСЗ

де - дугова курсова відстань (дуга геоцентричного кола), що відповідає находженню ШСЗ в зоні видимості станції протягом часу  ( де - період обертання ШСЗ); - радіус Землі; - висота орбіти.

Якщо зв’язок станції з ШСЗ буде можливий на кожному витку. Якщо величина не задовольняє цій умові, то частота проходження ШСЗ повз зону ефективного зв’язку (при )

При  та  Значення параметрів будуть:

Рис. 1.7. Схема для визначення частоти сеансів зв’язку наземного пункту з ШСЗ: - проекції траєкторій ШСЗ на земну поверхню; - точка стояння станції; - північний полюс ()

Система метеорологічних ШСЗ може виконувати також завдання по збору і передачі до єдиного центру метеорологічних даних від окремих морських та повітряних метеостанцій.

Російські супутники космічної метеорологічної системи ”Метеор’’ забезпечують одержання комплексної метеоінформації: телевізійної, інфрачервоної, актинометричної з освітленого та тіньового боків Землі (табл. 1.1).

Метеорологічні супутники SMS (США) призначені для зйомки хмарового покриву в денний та нічний часи із стаціонарної орбіти (сх.д.), а також для ретрансляції метеорологічної інформації. Вони передають космічні знімки хмарового покриву кожні 30 хвилин.

Таблиця 1.1

Основні дані російських метеорологічних ШСЗ системи ,,Метеор”

Похожие работы

Моніторинг поверхневих вод Сандракського водосховища

Скачать

52277

3

0

... змінах клімату; — виявлення природних i антропогенних факторів, що зумовлюють зміну клімату; — виявлення критичних елементів біосфери, вплив на які може спричинити клiматичнi зміни.   Розділ 3. Моніторинг поверхневих вод   Вода вiдiграє вирішальну роль у пiдтриманнi життя людини. Її наявнiстъ i способи використання нерідко визначають долі народів i країн. Особливої гостроти набуває ця ...

Ландшафтний моніторинг

Скачать

45738

1

0

... з рубежами фізико-географічного районування. Вірогідність екстраполяції тим вище, ніж ближче в класифікаційній системі й у сітці районування лежать ландшафти-аналоги. 4. Організація ландшафтного моніторингу заповідних територій У межах Центрального Чернозем`я знаходиться сім державних заповідників: Воронезький (площею 31,1 тис. га), Хоперский (16,2 тис. га), Центрально-Чорноземний (4,9 тис. ...

Основи екології

Скачать

80696

0

1

... уполя, Донецька. Машинобудівна промисловість має багатогалузеву структуру (важке, електротехнічне, радіоелектронне, транспортне машинобудування, приладо-, верстатобудування й т. д. ), і кожній із галузей притаманні свої екологічні особливості: * Енергетика. В Україні ТЕС виробляють приблизно 55—60 % електроенергії (близько 37, 6 тис. МВт); майже всі вони розташовані в містах і є найбільшими серед ...

Екологія й економіка

Скачать

85356

1

0

... по приватизації державного майна. Умовами приватизаційних конкурсів не передбачався встановлений рівень екологічної безпеки об'єкта, що здобувається. Таким чином, виникає погроза економії на екологічних витратах. На жаль, законодавство ще недостатньо підготовлене до рішення природоохоронних завдань у специфічних умовах переходу до ринкових відносин. Відносно нова проблема - екологічна регламентац ...