ИСКУССТВЕННЫЕ СПУТНИКИ ЗЕМЛИ

ИСКУССТВЕННЫЕ СПУТНИКИ ЗЕМЛИ (ИСЗ), космические летательные аппараты, выведенные
на орбиты вокруг Земли и предназначенные для решения науч. и прикладных
задач. Запуск первого ИСЗ, ставшего первым искусств, небесным телом, созданным
человеком, был осуществлён в СССР 4 окт. 1957 и явился результатом достижений
в области ракетной техники, электроники, автоматич. управления, вычислит,
техники, небесной механики и др. разделов науки и техники. С помощью этого
ИСЗ впервые была измерена плотность верхней атмосферы (по изменениям его
орбиты), исследованы особенности распространения радиосигналов в ионосфере,
проверены теоретические расчёты и осн. технические решения, связанные с
выведением ИСЗ на орбиту. 1 февр. 1958 на орбиту был выведен первый амер.
ИСЗ "Эксшга-рер-1", а несколько позже самостоятельные запуски ИСЗ произвели
и др. страны: 26 нояб. 1965 - Франция (спутник "А-1"),
29 нояб. 1967 - Австралия ("ВРЕСАТ-1"), 11 февр. 1970 - Япония ("Осуми"),
24 апр. 1970 - КНР ("Китай-1"), 28 окт. 1971 - Великобритания ("Просперо").
Нек-рые спутники, изготовленные в Канаде, Франции, Италии, Великобритании
и др. странах, запускались (с 1962) с помощью амер. ракет-носителей. В
практике космич. исследований широкое распространение получило международное
сотрудничество. Так, в рамках науч.-технич. сотрудничества социалистич.
стран запущен ряд ИСЗ. Первый из них - "Интеркос-мос-1"- был выведен на
орбиту 14 окт. 1969. Всего к 1973 запущено св. 1300 ИСЗ различного типа,
в т. ч. ок. 600 советских и св. 700 американских и др. стран, включая пилотируемые
космич. корабли-спутники и орбитальные станции с экипажем.

Общие сведения
об ИСЗ. В соответствии с междунар. договорённостью космич. аппарат
называется спутником, если он совершил не менее одного оборота вокруг Земли.
В противном случае он считается ракетным зондом, проводившим измерения
вдоль баллнстич. траектории, и не регистрируется как спутник. В зависимости
от задач, решаемых с помощью ИСЗ, их подразделяют на научно-исследовательские
и прикладные. Если на спутнике установлены радиопередатчики, та или иная
измерит, аппаратура, импульсные лампы для подачи световых сигналов и т.
п., его наз. активным. Пассивные ИСЗ предназначены обычно для наблюдений
с земной поверхности при решении нек-рых науч. задач (к числу таких ИСЗ
принадлежат спутники-баллоны, достигающие в диаметре неск. десятков м).
Научи
о-и сследовательские ИСЗ служат для исследований Земли, небесных тел, космического
пространства. К их числу относятся, в частности, геофизические спутники,
геодезические спутники, орбитальные астрономии, обсерватории и др.
Прикладными ИСЗ являются связи спутники, метеорологические спутники,
ИСЗ
для исследования земных ресурсов, навигационные спутники, спутники
технич. назначения (для исследования воздействия космич. условий на материалы,
для испытаний и отработки бортовых систем) и др. ИСЗ, предназначенные для
полёта людей, наз. пилотируемыми кораблями-спутниками. ИСЗ на экваториальной
орбите, лежащей вблизи плоскости экватора, наз. экваториальными, ИСЗ на
полярной (или приполярной) орбите, проходящей вблизи полюсов Земли,- полярными.
ИСЗ, выведенные на круговую экваториальную орбиту, удалённую на 35 860
км
от поверхности Земли, и движущиеся в направлении, совпадающем с направлением
вращения Земли, "висят" неподвижно над одной точкой земной поверхности;
такие спутники наз. стационарными. Последние ступени ракет-носителей, головные
обтекатели и нек-рые др. детали, отделяемые от ИСЗ при выводе на орбиты,
представляют собой вторичные орбитальные объекты; их обычно не называют
спутниками, хотя они обращаются по околоземным орбитам и в ряде случаев
служат объектами наблюдений для науч. целей.

В соответствии
с междунар. системой регистрации космических объектов (ИСЗ, космических
зондов и др.) в рамках междунар. организации КОСПАР в 1957-1962
космич. объекты обозначались годом запуска с добавлением буквы греч. алфавита,
соответствующей порядковому номеру запуска в данном году, и арабской цифры
- номера орбитального объекта в зависимости от его яркости или степени
науч. значимости. Так, 1957а 2- обозначение первого советского ИСЗ, запущенного
в 1957; 1957а1 - обозначение последней ступени ракеты-носителя .этого ИСЗ
(ракета-носитель была более яркой). Поскольку кол-во запусков возрастало,
начиная с 1 янв. 1963 космич. объекты стали обозначать годом запуска, порядковым
номером запуска в данном году и заглавной буквой латинского алфавита (иногда
также заменяемой порядковым числом). Так, ИСЗ "Интер-космос-1" имеет обозначение:
1969 88А или 1969 088 01. В национальных программах космич. исследований
серии ИСЗ часто имеют также собств. названия: "Космос" (СССР), "Эксплорер"
(США), "Диадем" (Франция) и др. За рубежом слово "спутник" до 1969 использовалось
только применительно к сов. ИСЗ. В 1968-69 при подготовке междунар. многоязычного
космонавтич. словаря достигнута договорённость, согласно к-рои термин "спутник"
применяется к ИСЗ, запущенным в любой стране.

В соответствии
с разнообразием научных и прикладных задач, решаемых с помощью ИСЗ, спутники
могут иметь различные размеры, массу, конструктивные схемы, состав бортового
оборудования. Напр., масса наименьшего ИСЗ (из серии "ЕРС") - всего 0,7
кг;
сов. ИСЗ "Протон-4" имел массу ок. 17 т. Масса орбитальной станции
"Салют" с пристыкованным к ней космич. кораблём "Союз" была св. 25 т.
Наибольшая масса полезного груза, выведенного на орбиту ИСЗ, составляла
ок. 135 т (амер. космич. корабль "Аполлон" с последней ступенью
ракеты-носителя). Различают автоматические ИСЗ (научно-исследовательские
и прикладные), на к-рых работа всех приборов и систем управляется командами,
поступающими либо с Земли, либо из бортового программного устройства, пилотируемые
корабли-спутники и орбитальные станции с экипажем.

Для решения
нек-рых научных и прикладных задач необходимо, чтобы ИСЗ был определённым
образом ориентирован в пространстве, причём вид ориентации определяется
гл. образом назначением ИСЗ или особенностями установленного на нём оборудования.
Так, орбитальную ориентацию, при к-рой одна из осей постоянно направлена
по вертикали, имеют ИСЗ, предназначенные для наблюдений объектов на поверхности
и в атмосфере Земли; ИСЗ для астрономич. исследований ориентируются на
небесные объекты: звёзды, Солнце. По команде с Земли или по заданной программе
ориентация может изменяться. В нек-рых случаях ориентируется не весь ИСЗ,
а лишь отд. его элементы, напр. остронаправленные антенны - на наземные
пункты, солнечные батареи - на Солнце. Для того чтобы направление нек-рой
оси спутника сохранялось неизменным в пространстве, ему сообщают вращение
вокруг этой оси. Для ориентации используют также гравитационные, аэродинамич.,
магнитные системы - так наз. пассивные системы ориентации, и системы, снабжённые
реактивными или инерционными управляющими органами (обычно на сложных ИСЗ
и космич. кораблях),- активные системы ориентации. ИСЗ, имеющие реактивные
двигатели для маневрирования, коррекции траектории или спуска с орбиты,
снабжаются системами управления движением, составной частью к-рой является
система ориентации.

Энергопитание
бортовой аппаратуры большинства ИСЗ осуществляется от солнечных батарей,
панели к-рых ориентируются перпендикулярно направлению солнечных лучей
или расположены так, чтобы часть из них освещалась Солнцем при любом его
положении относительно ИСЗ (т. н. всена-правленные солнечные батареи).
Солнечные батареи обеспечивают длительную работу бортовой аппаратуры (до
неск. лет). На ИСЗ, рассчитанных на ограниченные сроки работы (до 2-3 недель),
используются электрохимич.
источники тока - аккумуляторы, топливные элементы. Нек-рые ИСЗ имеют на
борту изотопные генераторы электрич. энергии. Тепловой режим ИСЗ, необходимый
для работы их бортовой аппаратуры, поддерживается системами терморегулирования.

В ИСЗ, отличающихся
значит, тепловыделением аппаратуры, и космич. кораблях применяются системы
с жидкостным контуром теплопередачи; на ИСЗ с небольшим тепловыделением
аппаратуры в ряде случаев ограничиваются пассивными средствами терморегулирования
(выбор внеш. поверхности с подходящим оптич. коэфф., теплоизоляции отд.
элементов).

Передача науч.
и др. информации с ИСЗ на Землю производится с помощью радиотелеметрических
систем (часто имеющих запоминающие бортовые устройства для регистрации
информации в периоды полёта ИСЗ вне зон радиовидимости наземных пунктов).

Пилотируемые
корабли-спутники и нек-рые автоматич. ИСЗ имеют спускаемые аппараты для
возвращения на Землю экипажа, отд. приборов, плёнок, подопытных животных.

Движение
ИСЗ. ИСЗ выводятся на орбиты с помощью автоматич. управляемых многоступенчатых
ракет-носителей, к-рые от старта до нек-рой расчётной точки в пространстве
движутся благодаря тяге, развиваемой реактивными двигателями. Этот путь,
называемый траекторией выведения ИСЗ на орбиту, или активным участком движения
ракеты, составляет обычно от неск. сотен до двух-трёх тыс. км. Ракета
стартует, двигаясь вертикально вверх, и проходит сквозь наиболее плотные
слои земной атмосферы на сравнительно малой скорости (что сокращает энергетич.
затраты на преодоление сопротивления атмосферы). При подъёме ракета постепенно
разворачивается, и направление её движения становится близким к горизонтальному.
На этом почти горизонтальном
отрезке сила тяги ракеты расходуется не на преодоление тормозящего действия
сил притяжения Земли н сопротивления атмосферы, а гл. обр. на увеличение
скорости. После достижения ракетой в конце активного участка расчётной
скорости (по величине и направлению) работа реактивных двигателей прекращается;
это - так наз. точка выведения ИСЗ на орбиту. Запускаемый космич. аппарат,
к-рый несёт последняя ступень ракеты, автоматически отделяется от неё и
начинает своё движение по нек-рой орбите относительно Земли, становясь
искусств, небесным телом. Его движение подчинено пассивным силам (притяжение
Земли, а также Луны, Солнца и др. планет, сопротивление земной атмосферы
и т. д.) и активным (управляющим) силам, если на борту космич. аппарата
установлены спец. реактивные двигатели. Вид начальной орбиты ИСЗ относительно
Земли зависит целиком от его положения и скорости в конце активного участка
движения (в момент выхода ИСЗ на орбиту) и математически рассчитывается
с помощью методов небесной механики. Если эта скорость равна или превышает
(но не более чем в 1,4 раза) первую космическую скорость (ок. 8
км/сек
у поверхности Земли), а её направление не отклоняется сильно от горизонтального,
то космич. аппарат выходит на орбиту спутника Земли. Точка выхода ИСЗ на
орбиту в этом случае расположена вблизи перигея орбиты. Выход на орбиту
возможен и в других точках орбиты, напр, вблизи апогея, но поскольку в
этом случае орбита ИСЗ расположена ниже точки выведения, то сама точка
выведения должна располагаться достаточно высоко, скорость же в конце активного
участка при этом должна быть несколько меньше круговой.

В первом приближении
орбита ИСЗ представляет собой эллипс с фокусом в центре Земли (в частном
случае - окружность), сохраняющий неизменное положение в пространстве.
Движение по такой орбите наз. невозмущённым и соответствует предположениям,
что Земля притягивает по закону Ньютона как шар со сферич. распределением
плотности и что на спутник действует только сила притяжения Земли.

Такие факторы,
как сопротивление земной атмосферы, сжатие Земли, давление солнечного излучения,
притяжения Луны и Солнца, являются причиной отклонений от невозмущённого
движения. Изучение этих отклонений позволяет получать новые данные о свойствах
земной атмосферы, о гравитационном поле Земли. Из-за сопротивления атмосферы
ИСЗ, движущиеся по орбитам с перигеем на высоте несколько сот км, постепенно
снижаются и, попадая в сравнительно плотные слои атмосферы на высоте 120-130
км
и ниже, разрушаются и сгорают; они имеют, таким образом, ограниченный
срок существования. Так, напр., первый советский ИСЗ находился в момент
выхода на орбиту на высоте ок. 228 км над поверхностью Земли и имел
почти горизонтальную скорость ок. 7,97 км!сек. Большая полуось его
эллиптич. орбиты (т. е. среднее расстояние от центра Земли) составляла
ок. 6950 км, период обращения 96,17 мин, а наименее и наиболее
удалённые точки орбиты (перигей и апогей) располагались на высотах ок.
228 и 947 км соответственно. Спутник существовал до 4 янв. 1958,
когда он, вследствие возмущений его орбиты, вошёл в плотные слои атмосферы.

Орбита, на
к-рую выводится ИСЗ сразу после участка разгона ракеты-носителя, бывает
иногда лишь промежуточной. В этом случае на борту ИСЗ имеются реактивные
двигатели, к-рые включаются в определённые моменты на короткое время по
команде с Земли, сообщая ИСЗ дополнит, скорость. В результате ИСЗ переходитна
другую орбиту. Ав-томатич. межпланетные станции выводятся обычно сначала
на орбиту спутника Земли, а затем переводятся непосредственно на траекторию
полёта к Луне или планетам.

Наблюдения
ИСЗ. Контроль движения ИСЗ и вторичных орбитальных объектов осуществляется
путём наблюдений их со спец. наземных станций. По результатам таких наблюдений
уточняются элементы орбит спутников и вычисляются эфемериды для предстоящих
наблюдений, в т. ч. и для решения различных научных и прикладных задач.
По используемой аппаратуре наблюдения ИСЗ разделяются на оптич., радиотехнич.,
лазерные; по их конечной цели - на позиционные (определение направлений
на ИСЗ) и дальномерные наблюдения, измерения угловой и пространственной
скорости.

Наиболее простыми
позиционны-м и наблюдениями являются визуальные (оптические), выполняемые
с помощью визуальных оптических инструментов и позволяющие определять небесные
координаты ИСЗ с точностью до нескольких минут дуги. Для решения науч.
задач ведутся фотографич. наблюдения с помощью спутниковых фотокамер,
обеспечивающих
точность определений до 1-2" по положению и 0,001 сек
по времени.
Оптич. наблюдения возможны лишь в том случае, когда ИСЗ освещён солнечными
лучами (исключение составляют геодезич. спутники, оборудованные импульсными
источниками света; они могут наблюдаться и находясь в земной тени), небо
над станцией достаточно тёмное и погода благоприятствует наблюдениям. Эти
условия значительно ограничивают возможность оптич. наблюдений. Менее зависимы
от таких условий радиотехнич. методы наблюдений ИСЗ, являющиеся осн. методами
наблюдений спутников в период функционирования установленных на них спец.
радиосистем. Такие наблюдения заключаются в приёме и анализе радиосигналов,
к-рые либо генерируются бортовыми радиопередатчиками спутника, либо посылаются
с Земли и ретранслируются спутником. Сравнение фаз сигналов, принимаемых
на неск. (минимально трёх) разнесённых антеннах, позволяет определить положение
спутника на небесной сфере. Точность таких наблюдений ок. 3' по положению
и ок. 0,001 сек по времени. Измерение доплеровского смещения частоты
(см. Доплера эффект) радиосигналов даёт возможность определить относит,
скорость ИСЗ, минимальное расстояние до него при наблюдавшемся прохождении
и момент времени, когда спутник был на этом расстоянии; наблюдения, выполняемые
одновременно из трёх пунктов, позволяют вычислить угловые скорости спутника.

Дальномерные
наблюдения осуществляются путём измерения промежутка времени между посылкой
радиосигнала с Земли и приёмом после ретрансляции его бортовым радиоответчиком
ИСЗ. Наиболее точные измерения расстояний до ИСЗ обеспечивают лазерные
дальномеры (точность до 1-2 м и выше). Для радиотехнич. наблюдений
пассивных космич. объектов используются радиолокац. системы.

Научно-исследовательские
ИСЗ. Аппаратура, устанавливаемая на борту ИСЗ, а также наблюдения ИСЗ
с наземных станций позволяют проводить разнообразные геофизич., астрономич.,
геодезич. и др. исследования. Орбиты таких ИСЗ разнообразны - от почти
круговых на высоте 200-300 км до вытянутых эллиптич. с высотой апогея
до 500 тыс. км. К н.-и. ИСЗ относятся первые сов. спутники, сов.
ИСЗ серий "Электрон", "Протон", "Космос"', амер. спутники серий
"Авангард", "Эксплорер", "ОГО", "ОСО", "ОАО" (орбитальные геофизические,
солнечные, астрономич. обсерватории); англ. ИСЗ "Ариель", франц. ИСЗ "Диадем"
и др. Н.-и. ИСЗ составляют около половины всех запущенных ИСЗ.

С помощью науч.
приборов, установленных на ИСЗ, изучаются нейтральный и ионный состав верхней
атмосферы, её давление и темп-pa, а также изменения этих параметров. Концентрация
электронов в ионосфере и её вариации исследуются как с помощью бортовой
аппаратуры, так и по наблюдениям прохождения сквозь ионосферу радиосигналов
бортовых радиомаяков. С помощью ионозондов детально изучены структура верхней
части ионосферы (выше гл. максимума электронной концентрации) и изменения
электронной концентрации в зависимости от геомагнитной широты, времени
cyток и т. п. Все результаты исследований атмосферы, полученные с помощью
ИСЗ. являются важным и надёжным экспериментальным материалом для понимания
механизмов атмосферных процессов и для решения таких практич. вопросов,
как прогноз радиосвязи, прогноз состояния верхней атмосферы и т. п.

С помощью ИСЗ
обнаружены и исследуются радиационные пояса Земли. Наряду с космич.
зондами ИСЗ позволили исследовать структуру магнитосферы Земли и
характер её обтекания солнечным ветром, а также характеристики самого солнечного
ветра (плотность потока и энергию частиц, величину и характер "вмороженного"
магнитного поля) и др. недоступные для наземных наблюдений излучения Солнца
- ультрафиолетовое и рентгеновское, что представляет большой интерес с
точки зрения понимания солнечно-земных связей. Ценные для научных исследований
данные доставляют также и нек-рые прикладные ИСЗ. Так, результаты наблюдений,
выполняемых на метеорологич. ИСЗ, широко используются для различных геофизич.
исследований.

Результаты
наблюдений ИСЗ дают возможность с высокой точностью определять возмущения
орбит ИСЗ, изменения плотности верхней атмосферы (в связи с различными
проявлениями солнечной активности), законы циркуляции атмосферы, структуру
гравитац. поля Земли и др. Специально организуемые позиционные и дальномерные
синхронные наблюдения спутников (одновременно с нескольких станций) методами
cnyтниковой
геодезии позволяют осуществлять геодезич. привязку пунктов, удалённых
на тысячи км друг от друга, изучать движение материков и т. п.

Прикладные
ИСЗ. К прикладным ИСЗ относят спутники, запускаемые для решения тех
или иных технич., хоз., воен. задач.

Спутники связи
служат для обеспечения телевизионных передач, радиотелефонной, телеграфной
и др. видов связи между наземными станциями, расположенными друг от друга
на расстояниях до 10-15 тыс. км. Бортовая радиоаппаратура таких
ИСЗ принимает сигналы наземных радиостанций, усиливает их и ретранслирует
на др. наземные радиостанции. Спутники связи выводитятся на высокие орбиты
(до 40 тыс. км).К ИСЗ этого типа относятся сов. ИСЗ "Молния",
амер.
ИСЗ "Синком", ИСЗ "Интелсат" и др. Спутники связи, выведенные на стационарные
орбиты, постоянно находятся над определёнными районами земной поверхности.

Метеорологические
спутники предназначены для регулярной передачи на наземные станции телевизионных
изображений облачного, снегового и ледового покровов Земли, сведений о
тепловом излучении земной поверхности и облаков и т. п. ИСЗ этого типа
запускаются на орбиты, близкие к круговым, с высотой от 500-600 км до
1200- 1500 км', полоса обзора с них достигает 2-3 тыс. км. К
метеорологич. спутникам относятся нек-рые сов. ИСЗ серии "Космос", спутники
"Метеор",
амер. ИСЗ "Тирос", "ЭССА", "Нимбус". Проводятся эксперименты по глобальным
метеорологич. наблюдениям с высот, достигающих 40 тыс. км
(сов.
ИСЗ "Молния-1", амер. ИСЗ "АТС").

Исключительно
перспективными с точки зрения применения в нар. х-ве являются спутники
для исследования природных ресурсов Земли. Наряду с метеорологич., океанографии,
и гидрологич. наблюдениями такие ИСЗ позволяют получать оперативную информацию,
необходимую для геологии, с. х-ва, рыбного промысла, лесного х-ва, контроля
загрязнений природной среды. Результаты, полученные с помощью ИСЗ и пилотируемых
космич. кораблей, с одной стороны, и контрольные измерения с баллонов и
самолётов - с другой, показывают перспективность развития этого направления
исследований.

Навигационные
спутни-к и, функционирование к-рых поддерживается спец. наземной системой
обеспечения, служат для навигации мор. кораблей, в т. ч. подводных. Корабль,
принимая радиосигналы и определяя своё положение относительно ИСЗ, координаты
к-рого на орбите в каждый момент известны с высокой точностью, устанавливает
своё местоположение. Примером навигационных ИСЗ являются амер. спутники
"Транзит", "Навсат".

Пилотируемые
корабли-спутники. Пилотируемые корабли-спутники и обитаемые орбитальные
станции являются наиболее сложными и совершенными ИСЗ. Они, как правило,
рассчитаны на решение широкого круга задач, в первую очередь - на проведение
комплексных науч. исследований, отработку средств космич. техники, изучение
природных ресурсов Земли и др. Впервые запуск пилотируемого ИСЗ осуществлён
12 апр. 1961: на советском космическом корабле-спутнике "Восток" лётчик-космонавт
Ю. А. Гагарин совершил полёт вокруг Земли по орбите с высотой апогея 327
км-20
февр. 1962 вышел на орбиту первый амер. космич. корабль с космонавтом Дж.
Тленном на борту. Новым шагом в исследовании космич. пространства с помощью
пилотируемых ИСЗ был полёт сов. орбитальной станции "Св-люти", на к-рой
в июне 1971 экипаж в составе Г. Т- Добровольского, В. Н. Волкова и В. И.
Пацаева выполнил широкую программу науч.-технич., медико-биологич. и др.
исследований.

О запусках
всех пилотируемых кораблей и орбитальных станций см. табл. в ст. Космонавтика.
См.
также Астродинами-ка, Орбиты небесных тел, Орбиты искусственных космических
объектов, Космические скорости, Космический летательный аппарат.

Илл. см. на
вклейке, табл. XXIX, XXX (стр. 352-353).

Лит.: Александров
С. Г., Федоров Р. Е., Советские спутники и космические корабли, 2 изд.,
М., 1961; Эльясберг П. Е., Введение в теорию полёта искусственных спутников
Земли, М., 1965; Руппе Г. О., Введение в астронавтику, пер. с англ., т.
1, М., 1970; Левантовский В. И., Механика космического полёта в элементарном
изложении, М., 1970; Кинг-Хили Д., Теория орбит искусственных спутников
в атмосфере, пер. с англ., М., 1966; Рябов Ю. А., Движение небесных тел,
М., 1962; Меллер И., Введение в спутниковую геодезию, пер. с англ., М.,
1967. СмКосмический летательный аппарат.
Н. П. Ерпылёв, М. Т. Крошкин, Ю. А. Рябов, Е. Ф. Рязанов.

А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я