Высокоэллиптическая орбита

Материал из Rfcmd_wiki.

Траектория движения ИСЗ называется орбитой. Во время свободного полета спутника, когда его бортовые реактивные двигатели выключены, движение происходит под воздействием гравитационных сил и по инерции, причем главной силой является притяжение Земли.

Если считать Землю строго сферической, а действие гравитационного поля Земли — единственной силой, воздействующей на спутник, то движение ИСЗ подчиняется известным законам Кеплера: оно происходит в неподвижной (в абсолютном пространстве) плоскости, проходящей через центр Земли, — плоскости орбиты; орбита имеет форму эллипса или окружности (частный случай эллипса).
При движении спутника полная механическая энергия (кинетическая и потенциальная) остается неизменной, вследствие чего при удалении спутника от Земли скорость его движения уменьшается.

Уравнение эллиптической орбиты спутника Земли в полярной системе координат определяется формулой
r=p/(1+e cosθ)
r – модуль радиус-вектора (расстояние от ИСЗ до центра Земли
p – фокальный параметр
e – эксцентриситет орбиты
θ – угловая координата радиус-вектора
при e = 0 это уравнение описывает круговую орбиту r = const.
при 0 < e < 1 – эллиптическую
Точкой перигея называют точку орбиты, с наименьшему значением радиус-вектора, а точкой апогея — точку, с его наибольшим значением
Земля находится в одном из фокусов эллипса. Входящие в формулу эллиптической орбиты величины связаны соотношениями:

где a и b – большая и малая полуось эллипса соответственно Расстояние между фокусами и центром эллипса составляет ае, т. е. пропорционально эксцентриситету. Высота спутника над поверхностью Земли h=r-R где R — радиус Земли.
Линия пересечения плоскости орбиты с плоскостью экватора называется линией узлов,
Угол i между плоскостью орбиты и плоскостью экватора — наклонением орбиты.
По наклонению различают экваториальные (i = 0°), полярные (i = 90°) и наклонные (0° < i < 90° и 90° < i < 180°)орбиты.

Орбита спутника характеризуется также долготой апогея (долгота подспутниковой точки в момент прохождения спутником апогея) и периодом обращения Т (время между двумя последовательными прохождениями одной и той же точки орбиты). Для систем связи и вещания необходимо, чтобы имелась прямая видимость между спутником и соответствующими земными станциями в течение сеанса связи достаточной длительности. Если сеанс не круглосуточный, то удобно, чтобы он повторялся ежесуточно в одно и то же время.

Широкое применение нашла высокая эллиптическая орбита с периодом обращения 12 ч, когда для систем связи и вещания использовались спутники «Молния» (высота перигея 500 км, апогея — 40 тыс. км). Движение ИСЗ на большой высоте — в области апогея — замедляется, а область перигея, расположенную над южным полушарием Земли, спутник проходит очень быстро. Вследствие значительной высоты апогея велика зона видимости ИСЗ на орбите типа «Молния» в течение большей части витка. Обслуживание всей территории бывшего СССР одним из ИСЗ возможно в течение не менее 8 ч, поэтому трех ИСЗ, сменяющих друг друга, было достаточно для круглосуточной работы.

В последние годы заговорили о том свойстве ВЭО, на которое ранее внимания не обращали. А именно — спутник, аналогичный Молнии, на такой же орбите, двигается в апогее достаточно медленно. То есть в течение 3,5 часов сигнал с него можно принимать на антенну диаметром 0,6 м без использования поворотного устройства. Спутник находится в так называемом квазигеостационаре. Таким образом, имея на орбите семь таких КА, можно организовать круглосуточное непрерывное вещание.

Орбита спутника "Молния" имеет один существенный недостаток — спутник пересекает радиационные пояса, что сильно сокращает срок службы КА. Для того чтобы избавиться от этих проблем, необходимо иметь орбиту с апогеем около 50 тыс. км и перигеем около 20 тыс. км.

С помощью такой системы можно организовать и каналы из Европы в США не по привычной трансатлантической схеме, а по трансарктической. Главным преимуществом такой схемы на сегодня является то, что спутники на такой орбите не будут создавать помех геостационарным системам (при наклоне орбиты более 60°). Поэтому не должно быть проблем с регистрацией и координацией спутников.

Если рассмотреть экономические выгоды такой системы, то к плюсам можно отнести более дешевый вывод на орбиту (примерно в 1,8 раза). Также нельзя отметать тот факт, что запуски можно (и удобнее и выгоднее) производить с космодрома Плесецк. Технология вывода КА на высокоэллиптические орбиты отработана многолетней эксплуатацией таких систем.

Что касается минусов, то, конечно же, главный — большее количество спутников, необходимых для организации круглосуточного вещания.