Взгляд из космоса: пермские ученые рассказали, как работают спутники

Искусственный спутник — это беспилотный космический аппарат, выведенный на орбиту Земли (или другого небесного тела) для решения широкого спектра задач. Он обеспечивает связь, навигацию, мониторинг погоды и стихийных бедствий, дистанционное зондирование Земли (картографирование, изучение природных ресурсов, контроль за изменениями климата), научные исследования космоса и нашей планеты, трансляцию теле-и радиосигналов.

— Подсчитать, сколько всего спутников на орбите, сложно: помимо неработающих, есть «скрытые», которые нигде не зарегистрированы, а также более 35 000 единиц космического мусора, которые из-за своих размеров можно принять за такие устройства. По состоянию на 2024 год вокруг Земли летает около 6500 действующих аппаратов, а по информации бывшего главы госкорпорации «Роскосмос» Юрия Борисова, в состав российской орбитальной группировки входит 288 объектов, — рассказывает Олег Кустов, доцент кафедры ракетно-космической техники и энергетических систем Пермского Политеха, кандидат технических наук.

Как запускают спутники и выбирают орбиты?

Запуск спутника в космос – сложный процесс, осуществляемый ракетой-носителем. Она состоит из отбрасываемых ступеней, каждая из которых выполняет определенную задачу. Чем выше подъем, тем меньше топлива для дальнейшего разгона нужно. На определенной высоте последняя ступень аккуратно «отпускает» спутник, который продолжает свой путь уже самостоятельно.

— При выборе будущей траектории учитывается назначение аппарата. Например, спутники связи, стремящиеся к постоянному покрытию, обычно занимают геостационарную позицию на высоте около 35 786 километров. Для устройств дистанционного зондирования чаще выбирают солнечно-синхронную орбиту, позволяющую эффективно наблюдать за поверхностью Земли с высоты 600–800 километров. Покрытие и зона видимости также являются важным аспектом при выборе расположения. Также учитываются энергозатраты на выведение спутника: чем выше желаемая орбита, тем больше энергии и, соответственно, топлива требуется для достижения цели. Расположение космодрома тоже играет роль, так как пуск с экватора, как правило, более экономичен, — объясняет Евгений Бурмистров, преподаватель астрономии, заместитель директора Политехнической школы Пермского Политеха.

При планировании учитывается, насколько загружена выбранная орбита другими спутниками и обломками, то есть мусором. При этом необходимо соблюдать юридические и международные ограничения. Размещение космических аппаратов согласовывается и регулируется международными организациями, такими как ITU.

После выхода на орбиту внеземное устройство разворачивает солнечные панели и начинает свою миссию. Связь с Землей осуществляется через командные центры, которые управляют его работой и корректируют траекторию при необходимости.

Почему спутники не сталкиваются друг с другом?

Запущенные на разные высоты – от нескольких сотен километров (низкая околоземная орбита) до десятков тысяч километров (геостационарная орбита) – спутники движутся по разнообразным траекториям, отличающимся по наклону, форме и направлению. Размещение этих аппаратов в космосе – сложный процесс, требующий тщательного планирования и согласования еще на этапе запуска. Регулирование особо загруженных зон, таких как геостационарная орбита, осуществляется контролирующими организациями, например, Международным союзом электросвязи.

Для поддержания заданных траекторий и во избежание столкновений многие современные аппараты оснащены двигательными установками, позволяющими выполнять маневры. Космические агентства, такие как NASA и ESA, а также частные компании, к примеру, SpaceX, ведут непрерывное наблюдение за космическими объектами, чтобы вовремя предотвратить возможные инциденты.

— Однако от ученых все чаще звучат тревожные предупреждения. Существует реальная угроза так называемого синдрома Кесслера – лавинообразной цепной реакции столкновений. Уничтожение даже одного спутника может привести к образованию тысяч обломков, способных поражать другие аппараты, запуская неконтролируемый процесс. В итоге, орбита может превратиться в опасную зону, где каждый новый объект будет подвергаться риску разрушения, — поясняет Евгений Бурмистров.

Почему орбитальные аппараты лучше наземных систем?

Искусственные спутники незаменимы для решения задач, недоступных или
достаточно сложных для реализации с помощью наземной инфраструктуры.

— Во-первых, космические аппараты обеспечивают глобальное покрытие, предоставляя связь и доступ в интернет в удаленных и труднодоступных регионах, таких как океаны, пустыни и горные массивы, где строительство наземных сетей экономически нецелесообразно или технически невозможно. Примеры подобных решений — Starlink и Inmarsat. «Бюро 1440» разрабатывает российские спутники связи, которые планируется запустить в 2025–2030 годах, — поясняет ученый.

Во-вторых, они обеспечивают повсеместную навигацию. Системы GPS и российская сеть ГЛОНАСС работают в любой точке планеты, включая зоны, не охваченные сотовой связью.

В-третьих, такие устройства позволяют осуществлять масштабное наблюдение и быстрое реагирование. Они охватывают обширные территории, позволяя отслеживать изменения климата, вырубку лесов, возникновение пожаров, наводнений, ураганов и колебания уровня Мирового океана. Ключевым преимуществом является независимость от географических и
политических границ.

— Также стоит отметить высокую скорость развертывания масштабных группировок, таких как Starlink (более 5000 аппаратов), что обеспечивает глобальный доступ в интернет за считанные месяцы, в то время как прокладка оптоволоконных кабелей заняла бы много лет. В кризисных ситуациях спутниковая связь может быть восстановлена значительно быстрее, чем наземная инфраструктура. Еще одним преимуществом считается непрерывный сбор данных в метеорологии в режиме 24/7, — отмечает Олег Кустов.

Орбитальные аппараты отличаются универсальностью. Существуют модели, которые способны одновременно выполнять функции связи, наблюдения и могут предоставлять уникальные данные, например, о радиационных поясах и гравитационных аномалиях Земли.

Что узнают ученые благодаря спутникам?

Спутники стали незаменимыми инструментами в научных исследованиях, позволяя человечеству заглянуть в самые отдаленные уголки Вселенной. Например, орбитальный телескоп Хаббл совершил прорывные открытия, определив возраст Вселенной, обнаружив экзопланеты и наблюдая за формированием черных дыр.

— С орбиты удобно наблюдать за галактиками и звездами, скрытыми от наземных телескопов из-за поглощения излучения атмосферой нашей планеты. Важно отметить, что спутники изучают не только космос, но и Землю. Космические аппараты, такие как GOSAT и Aura, анализируют состав атмосферы, включая уровни углекислого газа и метана, а также изменения в озоновом слое. Это важно для прогнозирования климатических изменений и оценки влияния деятельности человека, — говорит эксперт Пермского Политеха Евгений Бурмистров.

Российский спутник «Метеор-М» и европейский Sentinel-1 в реальном времени отслеживают климатические процессы, измеряют температуру поверхности океанов, наблюдают за динамикой ледников, мониторят лесные пожары и наводнения. Эти данные используются для создания точных климатических моделей и прогнозов.

Дистанционное зондирование позволяет наблюдать за состоянием экосистем, растительности, изменениями в земном покрове, обнаруживать загрязнение и отслеживать перемещение животных, открывая новые возможности для биологии и экологии.

Спутники также играют роль в изучении происхождения жизни и поисках ее на других планетах, анализируя минералы на Марсе, атмосферу Венеры и солнечные бури.

Как работают и насколько точны навигационные спутники?

Принцип работы навигационных спутников базируется на триангуляции – методе определения местоположения с использованием данных о расстояниях до нескольких объектов. Когда ваш навигационный прибор (например, смартфон или автомобильная система) принимает сигналы от космических аппаратов, он рассчитывает время его прохождения и, исходя из этого, определяет расстояние до каждого спутника. С помощью как минимум четырех устройств система может точно вычислить вашу позицию, определив координаты: долготу, широту и высоту.

— Современные навигационные системы обеспечивают удивительную точность, которая в стандартных условиях может достигать 1-3 метров. Однако это теоретический максимум, и реальная точность зависит от ряда факторов. Например, на открытой местности, где спутники хорошо просматриваются, точность приближается к этим значениям. В городах с высотными зданиями и в туннелях она снижается из-за блокировки сигнала, — объясняет Евгений Бурмистров, преподаватель астрономии, заместитель директора Политехнической школы Пермского Политеха.

Существуют также усиленные системы, такие как RTK (Real-Time Kinematic), которые позволяют достичь точности в несколько миллиметров, но для этого требуется специальное оборудование и дополнительные спутниковые сигналы.

Как сигнал с орбиты попадает к нам?

— Телевизионное вещание осуществляется с помощью специальных космических аппаратов, работающих как ретрансляторы сигнала. Эти спутники связи, расположенные на орбите (чаще всего геостационарной, около 36 000 километров), принимают сигнал от телеканалов, переданный с помощью мощных земных станций. Затем происходит ретрансляция: космическое устройство отправляет сигнал обратно на Землю в виде широковещательного потока, доступного для приема в определенной географической зоне, — рассказывает Евгений Бурмистров.

Для приема этого сигнала часто используются спутниковые тарелки и приставки, которые преобразуют его в телевизионное изображение. Весь процесс происходит практически мгновенно, обеспечивая минимальную задержку при трансляции.

Для обеспечения связи и доступа в интернет через спутники используется целый комплекс технологий. Передача данных осуществляется в радиочастотном диапазоне, а спутники усиливают сигнал для компенсации затухания в атмосфере. Современные аппараты оснащаются многолучевыми антеннами, позволяющими покрывать обширные территории. Некоторые спутники способны напрямую обмениваться данными друг с другом, минуя земные станции, что повышает скорость и снижает задержки.

Борьба за выживание на орбите

В отличие от наземных систем, защищенных атмосферой и стабильными условиями, эксплуатация спутников сопряжена с рядом серьезных трудностей, обусловленных враждебной космической средой. Так, например, радиационные пояса Земли и вспышки на Солнце могут приводить к повреждению электронных компонентов, сбоям в работе аппаратуры и накоплению электростатического заряда на поверхности устройства. Для защиты от этих угроз используются радиационно-стойкие материалы и экранирование микросхем.

— Еще на работоспособность космических аппаратов негативно влияют термоциклы, возникающие из-за резких колебаний температуры при смене освещенности. Ситуация усугубляется перенаселенностью околоземного пространства и дефицитом радиочастот, особенно на геостационарной орбите. Кроме того, растет угроза кибератак на спутниковые системы. Преодоление этих трудностей требует всесторонних мер, включающих создание эффективных средств защиты, рациональное распределение ресурсов и консолидацию усилий мирового сообщества, — сообщает эксперт Пермского Политеха Олег Кустов.

В среднем орбитальные аппараты функционируют от 5 до 15 лет. Они выходят
из строя из-за расхода топлива, износа энергосистемы и морального устаревания компонентов. Это, в свою очередь, усугубляет проблему космического мусора. Тысячи сломанных спутников и их обломков создают реальную угрозу столкновений.

Как будут бороться с космическим мусором?

Очистка околоземного пространства от мусора — одна из ключевых задач
современной космической индустрии. Сегодня приоритет отдается предотвращению образования новых отходов, поскольку ликвидация существующих сопряжена со значительными техническими сложностями. Например, различные обломки движутся со скоростью 7–8 км/с, что делает даже мельчайшие останки опасными. Кроме того, стоимость запуска специализированного «уборщика» исчисляется десятками миллионов долларов. Их широкое применение ожидается в ближайшие 5–10 лет.

— В России создан тестовый образец многоразового космического
транспортера, который может утилизировать космический мусор, перемещать
спутники между орбитами и возвращать технику на Землю для ремонта. Его тестовый запуск запланирован на 2025 год. В то же время ученые Самарского университета предлагают «сдувать» обломки с опасной орбиты. Для этого предполагается разместить на космической станции специальный аппарат, который в случае опасности может отстыковаться от «базы» и полететь к ненужному обломку. После сближения он направит на него струю своего электрореактивного двигателя и «сдует» его в безопасное пространство, — говорит Олег Кустов, доцент кафедры ракетно-космической техники и энергетических систем Пермского Политеха, кандидат технических наук.

Для решения проблемы космического мусора разрабатываются различные
аппараты. К ним относятся механические системы, такие как сети и гарпуны, а также устройства, оснащенные магнитными захватами и роботизированными манипуляторами (например, разработка японской компании Astroscale). Другой подход — использование электродинамических тросов, которые, взаимодействуя с геомагнитным полем, создают тормозящую силу и способствуют сходу объекта с орбиты (проекты JAXA и NASA).

Китай также активно включился в эту деятельность, планируя к 2030 году запустить спутники, оснащенные сетями и роботизированными руками. Российская компания StartRocket разрабатывает концепцию «пылесоса», использующего ионные двигатели для сбора ненужных отходов.

Помимо утилизации, ведется работа по продлению срока службы действующих
спутников. Компании Northrop Grumman и Orbit Fab разрабатывают устройства для дозаправки и ремонта аппаратов.

ПНИПУ

1023 статей

Пермский национальный исследовательский политехнический университет (национальный исследовательский, прошлые названия: Пермский политехнический институт, Пермский государственный технический университет) — технический ВУЗ Российской Федерации. Основан в 1960 году как Пермский политехнический институт (ППИ), в результате объединения Пермского горного института (организованного в 1953 году) с Вечерним машиностроительным институтом. В 1992 году ППИ в числе первых политехнических вузов России получил статус технического университета.

Показать больше