Umjetni satelit

Prvi zabilježeni umjetni satelit bio je Sputnik 1 koji je bio lansiran iz SSSR-a 1957.

Prvi hrvatski nanosatelit „CroCube” predstavljen u studenom 2023., a trebao bi u lipnju 2024. godine biti lansiran iz Kalifornije u orbitu raketom „Falcon 9” gdje će s 550 kilometara visine fotografirati Zemljinu površinu.

Meteorološki satelit u radu.

Vizualni primjer gibanja umjetnih satelita GPS-a zajedno sa Zemljinom vrtnjom.

Svemirski teleskop Hubble.

Međunarodna svemirska postaja.

Termoelektrični generator ili Peltierov element.

Sustav za termoregulaciju na umjetnom satelitu MESSENGER koji je bio u putanji oko planeta Merkura.

Newtonova zamišljena topovska kugla: ako bi top na nekoj uzvisini ispalio kuglu s brzinom manjom od brzine kruženja (v_k = 7,9 km/s ili prva kozmička brzina) ona bi imala putanju A ili B i pala bi na Zemlju; ako bi kugla išla brzinom kruženja ona bi imala kružnu putanju C i gibala bi se stalnom brzinom; ako bi kugla krenula brzinom većom od brzine kruženja ona bi putovala po elipsi D; ako bi kugla krenula brzinom većom od brzine oslobađanja (v_o = 11,2 km/s = druga kozmička brzina) ona bi putovala po hiperboli E i napustila bi Zemlju.

Za Zemlju (M = 6 ∙10²⁴ kg) brzina kruženja ili orbitalna brzina na samoj površini (r = 6 378 km) iznosila bi 7 910 m/s ili 7,91 km/s. Ta se brzina zove i prvom kozmičkom brzinom.

Umjetni satelit (od lat. satelles, genitiv satellitis: pratilac, pomoćnik) je automatska svemirska letjelica bez posade, koja se kao umjetno nebesko tijelo giba u putanji (orbiti) oko Zemlje, nekoga drugog planeta ili nebeskoga tijela. Da bi takvo tijelo postalo satelitom, lansira ga se s pomoću rakete nosača, raketoplana ili drugoga pogonskoga sustava, pri čem ono postiže odgovarajuću kozmičku brzinu, koja mu omogućuje da se bez daljnjega pogona giba stalnom putanjom sve dok ga sudari s česticama prašine ili plinova ne uspore. Putanja satelita podešava (korigira) se uz pomoć raketnih motora, pa o zalihama goriva ovisi radni vijek satelita (od nekoliko dana do više desetaka godina). Povijest umjetnih satelita poklapa se s poviješću astronautike, pa je tako ruski satelit Sputnjik 1 bio prvo ljudskom rukom izrađeno tijelo u svemiru.

Podjela

Danas umjetni sateliti sudjeluju u različitim ljudskim djelatnostima, a konstrukcijski i opremom razlikuju se ponajprije prema namjeni.

Telekomunikacijski sateliti

Podrobniji članak o temi: Telekomunikacijski satelit

Telekomunikacijski sateliti opremljeni su pojačalima i antenskim sustavima koji omogućuju istodobno uspostavljanje dvosmjernih komunikacija između točaka na Zemlji, prijenos analognih ili digitalnih signala (telefonskih, televizijskih, internetskih) elektromagnetskim valovima u visokofrekvencijskom području. Istoj skupini pripadaju radiodifuzijski sateliti, koji razašilju informacije (na primjer televizijski program) iz jednoga izvora širokomu krugu korisnika.

Sateliti za daljinska istraživanja

Sateliti za daljinska istraživanja snimaju Zemlju u vidljivom i infracrvenom dijelu spektra te provode radarska motrenja Zemlje. Suvremeni sateliti imaju velik broj mjernih kanala (do 224) te veliku razlučivost (do 1 metar), što omogućuje mnoge primjene u kartografiji, meteorologiji, geofizici, geodeziji, poljoprivredi, šumarstvu, ekologiji i tako dalje (daljinska istraživanja).

Meteorološki sateliti

Podrobniji članak o temi: Meteorološki satelit

Meteorološki sateliti snimaju Zemlju iz polarnih ili stacionarnih putanja (geostacionarni satelit), u vidljivom ili infracrvenom području spektra elektromagnetskog zračenja, s razlučivosti predmeta veličine od 1 do 2 kilometra prilagođenom meteorološkim potrebama. Često prikupljaju i prenose podatke iz automatskih meteoroloških postaja sa Zemlje.

Geodetski i geofizički sateliti

Podrobniji članak o temi: Geodetski satelit

Geodetski i geofizički sateliti služe za određivanje veličine i oblika Zemlje, koordinata promatranih točaka na njezinoj površini, za mjerenje Zemljina gravitacijskoga polja, praćenje gibanja Zemljinih tektonskih ploča, motrenje seizmički aktivnih područja, mjerenje položaja Zemljine osi rotacije, precizno određivanje trajanja dana i drugo.

Navigacijski sateliti

Podrobniji članak o temi: Globalni položajni sustav

Navigacijski sateliti organizirani su u funkcionalne sustave, koji daju podatke uz pomoć kojih prijenosni prijamnici na Zemlji mogu precizno odrediti svoj položaj. Takav je globalni položajni sustav ili GPS, koji je u posljednje doba postao nezamjenljiv, kako za navigaciju zrakoplova, brodova i slično, tako i pri geodetskim radovima.

Astronomski sateliti

Podrobniji članak o temi: Astronomski satelit

Astronomski sateliti opremljeni su mjernim instrumentima za bilježenje podataka u svim frekvencijskim područjima.

Istraživački sateliti

Podrobniji članak o temi: Istraživački satelit

Istraživački sateliti lansiraju se radi proučavanja neke skupine pojava (fenomena), kao što su međudjelovanja (interakcije) Zemljine i Sunčeve magnetosfere, gornjih slojeva Zemljine atmosfere, elementarnih čestica visoke energije, bioloških pojava vezanih uz bestežinsko stanje i tako dalje.

Vojni sateliti

Vojni sateliti mogu biti telekomunikacijski, izviđački, navigacijski, meteorološki, te sateliti za elektroničko izviđanje, za otkrivanje lansiranja raketa i tako dalje, a postojale su ideje da ih se koristi kao obrambeno oružje (na primjer rat zvijezda).

Dijelovi

Umjetni sateliti, kao složeni konstrukcijski sklopovi, sadrže niz posebnih cjelina i rješenja prilagođenih radu u svemiru.

Mehanička konstrukcija

Mehanička konstrukcija satelita mora izdržati opterećenja i vibracije kojima je izložena tijekom lansiranja, kao i velike promjene temperature (na primjer pri zalasku satelita obasjanoga Suncem u Zemljinu sjenu). Izloženi dijelovi konstrukcije podložni su trošenju zbog udara čestica svemirske prašine, a problem predstavlja i nakupljanje statičkoga elektriciteta. Dio mehaničke konstrukcije satelita može biti hermetično zatvoren.

Upravljački sustav

Upravljački sustav sastoji se od elektroničkog računala koje upravlja radom satelita u skladu s podatcima o stanju satelita, predviđenim programom rada te naredbama iz upravljačkoga središta sa Zemlje. Sigurnost rada omogućuje pričuvni sustav, na koji se može prebaciti upravljanje satelitom, naredbom iz upravljačkoga središta ili reakcijom podsustava za samostalno otkrivanje i izoliranje kvara.

Sustav za vezu

Sustav za vezu osigurava satelitu komunikaciju s upravljačkim središtem na Zemlji. Sastoji se od primopredajne antene, radioprijamnika i radioodašiljača te uređaja koji informacije prilagođavaju prijenosu. Komunikacije sa satelitima održavaju se radijskim, a u novije doba i laserskim primopredajnicima.

Izvori elekrične energije

Izvori elekrične energije odabiru se u skladu s energetskim potrebama i predviđenim vijekom satelita. Za kraće su letove izvor energije gorivni članci ili akumulatori. Za satelite duljega radnog vijeka, uobičajeni su izvor sunčane baterije upotpunjene akumulatorima za razdoblje dok se satelit nalazi u Zemljinoj sjeni. Nuklearni izvori koriste se kod satelita s visokom potrošnjom energije (na primjer kod vojnih satelita za radarsko promatranje).

Sustav za termoregulaciju

Sustav za termoregulaciju omogućuje održavanje podsustava satelita unutar predviđenih temperaturnih vrijednosti, to jest osigurava odvođenje topline s dijelova satelita obasjanih Suncem. U hermetično zatvorenim dijelovima satelita kritične se točke mogu hladiti i strujenjem plina, najčešće dušika.

Sustav za orijentaciju

Sustav za orijentaciju dobiva podatke o položaju satelita uz pomoć mjernih davača (senzora) ili žiroskopa. Za održavanje željenoga stabilnog položaja te za promjene položaja, to jest putanje (orbite), sateliti su najčešće opremljeni raketnim motorima. Te se promjene proračunavaju tako da se izvedu s najmanjim utroškom goriva, pa se prelazak s putanje manjega na putanju većega polumjera provodi takozvani Hohmannovom transfernom putanjom, u čijoj se najudaljenijoj točki, kada satelit ima najmanju brzinu, prema potrebi, mijenja i ravnina putanje.

Prva kozmička brzina

Podrobniji članak o temi: Brzina kruženja

Prva kozmička brzina ili brzina kruženja v_k ovisi o gravitacijskoj konstanti nebeskoga tijela G, njegovoj masi M i o polumjeru kružne staze r:

$v_{k}={\sqrt {\frac {G\cdot M}{r}}}$

Iako zbog otpora atmosfere staze satelita oko Zemlje na visinama manjima od 200 kilometara nisu moguće, prva kozmička brzina na površini Zemlje teoretski iznosi 7,91 km/s, na površini Mjeseca 1,68 km/s, Marsa 3,56 km/s.

Kruženje satelita

Isaac Newton je shvatio da je kružno gibanje sastavljeno od dviju komponenti, od gibanja stalnom brzinom po pravcu i od jednoliko ubrzanog gibanja sa smjerom prema središtu kruženja. Kad ne bi bilo privlačenja, tijelo bi jednolikom brzinom v_k odmicalo po pravcu i za vrijeme t prešlo put v_k∙t. No istodobno, zbog gravitacijskog privlačenja, tijelo pada prema centru i u tom padu, u vrijeme t, prevali put gt²/2. Ako tijelo ipak ostaje na kružnici, mora biti da ono u vrijeme t za toliko odmakne od kružnice za koliko ujedno i padne na kružnicu! Taj proces prisutan je na svakom mjestu kružnice, na svakom ma kako malom odsječku puta. Ako bi brzina gibanja v bila manja od brzine kruženja v_k, to tijelo bi zbog slobodnog pada prišlo središtu Zemlje više nego što bi se u jednolikom gibanju po pravcu od nje odmaknulo, pa bi tako prelazilo s kružnice većeg polumjera na kružnicu manjeg polumjera, te bi u spirali napokon palo na Zemlju.

Prisilimo li neko tijelo da se na vrtuljku giba brzinom v, tada ono u smjeru prema centru ima ubrzanje g (centripetalno ubrzanje). Između brzine gibanja v po kružnoj stazi polumjera r i centripetalne akceleracije g postoji veza:

$g={\frac {v^{2}}{r}}$

Giba li se tijelo po kružnici i pojačamo li centripetalnu silu, porast će i ubrzanje i brzina. No ako je sila privlačenja gravitacijska, a u centru gibanja nalazi se masa M, tada je centripetalna akceleracija posve određena i jednaka izrazu:

$g=G\cdot {\frac {M}{r^{2}}}\$

Tim uvjetom se za dani polumjer staze od svih mogućih centripetalnih ubrzanja odabire samo jedno ubrzanje (akceleracija), a njoj odgovara samo jedna, posve određena brzina. Izjednačavanjem gornjih dvaju izraza, dobivamo:

$v=v_{k}={\sqrt {\frac {G\cdot M}{r}}}$

Za Zemlju (M = 6 ∙10²⁴ kg) brzina kruženja ili orbitalna brzina na samoj površini (r = 6 378 km) iznosila bi 7 910 m/s ili 7,91 km/s. Ta se brzina zove i prvom kozmičkom brzinom. Na svakoj drugoj razini iznad površine Zemlje brzina kruženja ima drugu vrijednost.

Vidi još

• sateliti: Kosmos 2421, Kosmos 2428

Poveznice

• Zemaljska satelitska stanica