Тема_1_Космічні_літальні_апарати
.pdfТема 1
Космічні літальні апарати (КЛА)
Класифікація КЛА. Космічні літальні апарати, виведені на навколоземну орбіту чи у відкритий космічний простір поділяють на штучні супутники Землі, космічні кораблі та
орбітальні космічні станції і комплекси.
Космічні кораблі (КК) мають герметичну кабіну з усіма системами життєзабезпечення, можуть здійснювати маневри на орбіті і посадку своєї спускової частини.
Орбітальні станції (ОС) – це складні космічні системи, які можуть значний час перебувати на орбіті, стикуватися з іншими КЛА. Мають системи для зміни орбіти. Екіпажі КК доставляють на орбітальні станції за допомогою ракет-носіїв, серед яких відомі російські ракети «Союз». А нещодавно вперше в історії освоєння космосу двухстепенева ракета-носій приватної компанії SpaceX Ілона Маска (США) - Falcon 9 успішно вивела на навколоземну орбіту 30.05.2020 р. багаторазовий космічний корабель Crew Dragon Demo-2 з двома американськими астронавтами на борту - Дугласом Герлі і Робертом Бенкен, які успішно пристикувались 31.05.2020 р. до міжнародної орбітальної космічної станції (МКС). Ця міжнародна космічна станція працює в космосі вже близько 20 років з 2000 р. (нахил орбіти МКС – 51,6°, апогей 410 км, перигей – 408 км, період оберту – 92,68 хв.). 1 серпня після 62 денного перебування на станції космічний корабель з астронавтами відстикувався від МКС і 2 серпня 2020 р. Д. Герлі і Р. Бенкен успішно повернулись на Землю. Місце посадки (приводнення) капсули з астронавтами – Мексиканська затока поблизу Флориди.
Космічні комплекси (КК) об’єднують в один вузол орбітальні станції, транспортні космічні кораблі, спеціальні модулі, на які встановлюють різноманітну знімальну апаратуру і системи для передавання інформації на Землю. Таким комплексом і є МКС, який на початку складався з двох великих модулів – російського «Звєзда» і американського «Destiny» («Доля»). Сьогодні МКС налічує 15 модулів: 7 американських, 6 російських, 1 європейський і 1 японський. Загальна маса Станції – 420 тон, довжина - 109 м, ширина - 75 м. За 20 років на МКС побувало 50 міжнародних екіпажів, проведено сотні наукових експериментів. Станція й надалі буде нарощувати кількість модулів. Сьогодні у міжнародних наукових експериментах приймає участь 103 країни Світу.
Штучні супутники Землі (ШСЗ) поділяють на дві великі групи – технічні і дослідницькі. До технічних відносять супутники зв’язку і навігаційні.
Супутники зв’язку, безперервно ретранслюючи сигнали, забезпечують радіотелефонний, телеграфний, телевізійний і комп’ютерний зв'язок між наземними станціями Землі, які знаходяться на різних континентах. Ресурс їх роботи від 5 до 10 років.
Навігаційні супутники призначені для визначення положення кораблів, літаків, наземного транспорту і фізичних осіб у одній з просторових систем координат (американська GPS-NAVSTAR, європейська Galileo і російська ГЛОНАСС). Вони мають достатньо велику масу (близько 900 кг) і літають на висоті приблизно 20200 км. Система GPS-NAVSTAR налічує 31 супутник, які працюють у єдиній мережі і обертаються на 6 різних кругових орбітах, розташованих під кутом 60° одна до одної. На кожній орбіті розміщено по 4-5 супутників, період обертання яких навколо Землі дорівнює 12 годин. Таким чином, із будьякої точки Землі одночасно видно від 4 до 12 супутників. Передача сигналу з супутника відбувається на частоті 1575,42 Мгц. Система використовує час UTC і систему геодезичних координат WGS84. Робота супутників контролюється з 5 станцій, які розміщені у м.
Колорадо-Спрінгз (США), на атолі Дієго-Гарсія в Індійському океані, на острові Вознесіння у Атлантичному океані між Пд. Америкою і Африкою, атолі Кваджелейн і на Гавайских островах у Тихому океані. Вся інформація, що проходить через ці станції записується ними і передається на головну станцію на військовій базі Falcon (штат Колорадо). GPS-приймач обчислює власне місцезнаходження (просторові координати X, Y, Z чи географічні – широту φ, і довготу λ) з застосуванням методу трилатерації, вимірюючи час проходження сигналу від GPS-супутників, (тобто час затримки сигналу) і визначаючи відстань до супутників. Точність визначення просторових координат сучасними багаточастотними GPS-приймачами сягає декілька міліметрів.
Дослідницькі супутники поділяються на геофізичні, астрономічні, метеорологічні та ресурсні.
Геофізичні супутники застосовують для вивчення верхніх шарів атмосфери і найближчого до Землі космічного простору. До них належать російські супутники серії «Космос», американські GOES, SeaSat, NOAA та інші.
Астрономічні супутники Землі є літаючими обсерваторіями, винесеними за межі земної атмосфери і обладнаними астрономічними приладами для спостереження за зірками, планетами і Сонцем. Серед найбільш успішних проектів – запуск у 1990 р. на навколоземну орбіту американського оптичного телескопу «Габбл» (Hubble Space Telescope) (рис.1). Телескоп успішно працює і може використовуватися до 2030-2040 років. На березень 2021 р. заплановано вивести на орбіту його
наступника James Webb Space Telescop (JWST).
Рис. 1. Телескоп «Габбл» на орбіті
Метеорологічні супутники (МС) ведуть безперервне знімання денної і нічної сторін Землі сканерами у видимій, інфрачервоній та мікрохвильовій ділянках спектра. Вони забезпечують моніторинг хмарного покриву Землі та дають різноманітну інформацію про стан погоди, зокрема:
-вертикальний профіль температури атмосфери;
-швидкість і напрям приповерхневого вітру;
-температуру поверхні морів та іншу.
Крім того МС збирають інформацію з платформ геофізичного моніторингу, приймають і ретранслюють сигнали надзвичайних ситуацій у межах систем пошуку і порятунку Коспас, Sarsat, а також визначають місцезнаходження джерел тих сигналів.
До метеорологічних належать американські супутники серій TIRUS, Nimbus, ECCA, NOAA, GOES, колишні радянські серії «Метеор» і сучасні російські «Електро», європейські Meteosat, японські GMS, індійські INSAT, китайські FY-2 та інші.
Ресурсні супутники Землі (супутники дистанційного зондування Землі)
Супутники дистанційного зондування Землі, використовують для всебічного вивчення Землі. Дані ресурсних супутників використовують для розвитку економіки, вивчення природних ресурсів, а також для розв’язання комплексу наукових та комерційних задач. Для цього необхідно, щоб супутникова система забезпечувала постійну чи періодичну інформацію про одні і ті самі регіони Землі за приблизно однакових умов освітленості. Ресурсні супутники – це порівняно невеликі апарати. Раніше вони мали вигляд циліндрового контейнера заввишки 3,5 м з крилами-панелями сонячних батарей, які слугують основним джерелом електрики на борту супутників. Контейнер складався з двох відсіків: верхнього енергоапаратного і нижнього приладового, де розміщено знімальну апаратуру. Тепер конструкція апаратів є набагато складнішою. Щоб забезпечити постійне спостереження за Землею з необхідною точністю вимірювань, ресурсні ШСЗ повинні мати високу точність орієнтації і стабілізації власних швидкостей обертання навколо центра маси. Супутник, що вільно летить в космічному просторі, безладно обертається під впливом зовнішніх сил. Для знімання необхідно у певний спосіб повернути супутник – орієнтувати його і стабілізувати на час знімання, тобто зберегти правильну орієнтацію. З різних режимів орієнтації для знімання найважливіша так звана орбітальна орієнтація, тобто стабілізована тривісна орієнтація відносно Землі, за якої одна вісь супутника, що збігається з оптичною віссю знімальної системи, незмінно спрямована вниз по місцевій вертикалі до Землі, друга – за заданим курсом, а третя – перпендикулярна до площини орбіти. Інформацію про необхідну корекцію для орієнтації супутника отримують від давачів. Похибка орієнтації супутника становить близько 1°. Коливання супутника під час польоту мають плавний характер.
1. Супутники ERTS, Landsat (оба США), Метеор-Природа, Ресурс-О (Росія), SPOT (Франція), ERS, Envisat (ЄКА), ALOS (Японія), Radarsat (Канада), TerraSAR-X (Німеччина), COSMOSkyMed (Італія), EROS-A1 (Ізраїль), Ikonos, QuickBird, WorldView, GeoEye (усі США) та інші.
Для вивчення природних ресурсів Землі з космосу запущено багато ШСЗ. Одними з перших ресурсні супутники запустили США. У липні 1972 р. полетів перший з таких супутників ERTS (Earth Resources Technological Satellite). На ньому вперше було випробувано телевізійний спосіб знімання (до того знімали фотокамерами). У січні 1975 р. запущено другий супутник цієї серії, який перейменували на Landsat з аналогічною апаратурою. Нині Landsat-1, 2, 3, 4 вже не діють. На рис. 1.1 подано принципову схему супутників Landsat-1, 2, 3; на рис. 1.2 – Landsat-4, 5. Landsat-6 не вийшов на розрахункову орбіту і згорів у щільних шарах атмосфери. Landsat-7 (рис. 1.3) перебуває на орбіті і передає дані. Супутник Landsat 8 запущено в лютому 2013 р. на сонячно-синхронну орбіту висотою 705 км. Період знімання – кожні 16 днів. Космічні знімки застосовують у геологогеографічних дослідженнях і господарській діяльності. Багатоспектральне знімання ефективне для вивчення забруднення водойм, уражень рослинності, дослідження стану сільськогосподарських культур. У 1974 р. почала працювати радянська система вивчення природних ресурсів з космосу за допомогою супутників-автоматів «Метеор-Природа» (рис. 1.4). Ресурсні супутники «Метеор-Природа» виводились на сонячно-синхронну субполярну орбіту висотою в одних випадках 900 км і нахилом 82,5°, в інших – 650 км і нахилом 98°. Їх було оснащено багатоспектральними телевізійними камерами. Термін роботи одного носія – півтора-два роки, після чого його замінювали на інший, забезпечуючи регулярне передавання на Землю інформації, отриманої в різних спектральних діапазонах. Інформацію
використовували спеціалісти сільського господарства, лісівники, геологи, географи, океанологи, гідрологи, екологи та фахівці інших галузей. За час експлуатації супутників територію, що входила до складу Радянського Союзу, було знято понад 600 разів сенсорами низької і середньої розрізнювальної здатності.
Рис. 1.1. Ресурсні супутники Landsat-1, 2, 3 (США): 1 – сонячні батареї; 2 – антена; 3 – система контролю висоти; 4 – електронна система запису випромінювання; 5 – система вимірювання висоти; 6 – багатоспектральний сканер MSS; 7 – телевізійні камери RBV; 8 – антена реєстрації метеорологічної інформації
Рис. 1.2. Ресурсні супутники Landsat-4, 5 (США): 1 – передавальна антена; 2 – антена системи позиціювання; 3 – багатоспектральний сканер MSS; 4 – сонячні батареї; 5 – багатоспектральний сканер TM; 6 – модуль енергетичного живлення; 7 – модуль контролю орбітальної системи; 8 – модуль контролю висоти
Рис. 1.3. Ресурсний супутник Landsat-7 (США)
Рис. 1.4. Штучний супутник Землі «Метеор-Природа» (СРСР)
З 1991 р. на орбіті для вивчення природних ресурсів Росії задіяні супутники серії «Ресурс». Окремі прилади дистанційного зондування, методику обробки й інтерпретації інформації, що надходить, а також особливості практичного застосування супутників першого покоління «Ресурс-О1» відпрацьовували на космічних апаратах серії «МетеорПрирода». Основною відмінністю супутників типу «Ресурс-О1» є можливість передавання з борту ШСЗ цифрових зображень, завдяки чому споживачам стали доступні не тільки багатоспектральні фотографії земної поверхні, але й оцифровані знімки на магнітних носіях. Орбітальний сегмент системи складається з одного космічного апарата, що перебуває в оперативному використанні. Супутник «Ресурс-О» українська ракета-носій «Зеніт» виводила на сонячно-синхронну орбіту. Сьогодні інформаційні можливості сканувальних систем на базі ШСЗ «Ресурс-О» майже збігаються з можливостями американської системи Landsat. Вони виконують знімання з розрізненням 150 і 35 м. Відомими ресурсними ШСЗ, зображеннями з якого тривалий час користувались і нині користуються спеціалісти країн Європи, є серія французьких супутників SPOT (Systeme Probatoire d’Observation de la Terre).
Перший супутник запущено у лютому 1986 p. (рис. 1.5), інші – у 1990, 1993, 1997, 2002 і 2007 рр. Інформацію використовують для картографування, землекористування, сільського і
лісового господарства, планування містобудівництва, для складання цифрових карт місцевості і контролю за змінами стану природного середовища. Період обертання SPOT – 97,56 хв. і роблячи 369 витків, в кожен 26-й день він знімає одну й ту саму місцевість на поверхні Землі. Знімання виконується у багатоспектральному діапазоні із середньою та малою розрізнювальною здатністю. Середньо і дрібномасштабні дослідження земної поверхні здійснюють з українсько-російського супутника «Океан-О» (рис. 1.6), який вивела у 1999 р. українська ракета-носій «Зеніт-2» на субполярну сонячно-синхронну орбіту з нахилом до екваторіальної площини 98°. Орбіта майже колова, її висота 660 км. Період обертання супутника – 94 хв. Це супутник важкого класу, його маса в повністю заправленому стані становить 6360 кг, габарити в розкритому стані на орбіті – близько 12x12 м із урахуванням сонячних батарей. На борту супутника встановлено унікальний вимірювальний комплекс з 11 приладів, що доповнюють один одного своїми інформаційними можливостями. Спочатку передбачали використовувати супутник для досліджень акваторій морів та океанів. Пізніше його призначення переглянули з урахуванням сучасних потреб України. Виділили такі основні напрями використання даних зі супутника: забезпечення потреб сільського господарства України; гідрометеорологічне забезпечення, контроль надзвичайних ситуацій природного і техногенного характеру; пошук корисних копалин та інші геологічні дослідження; моніторинг земельних, водних, лісових, сільськогосподарських ресурсів в інтересах народного господарства і державного управління; екологія і стан довкілля; океанологічні дослідження, зокрема забезпечення рибальства, безпека судноплавства. Європейське космічне агентство ESA здійснило запуск європейського супутника дистанційного зондування Землі ERS (рис. 1.7) на полярну орбіту у липні 1991 р. В проектуванні і створенні супутника брала участь і Канада.
Рис. 1.5. Космічний супутник SPOT-1 (Франція)
Рис. 1.6. Космічний супутник «Океан-О» (Україна, Росія)
Супутник ERS-2 Європейського космічного агентства (ESA) виведений на сонячносинхронну орбіту із середньою висотою 785 км 21 квітня 1995 року, на ньому встановлено радіолокаційну систему AMI-SAR. Відомим ресурсним супутником, запущеним за сприяння Європейського космічного агентства у 2002 p., був супутник Envisat. Він забезпечує безперервність спостережень і став найбільшим космічним апаратом ESA для спостережень Землі. На рис. 1.8 подано схему космічного апарата Envisat-1, який було обладнано удосконаленою радіохвильовою апаратурою.
Супутник дистанційного спостереження Землі ALOS (Advanced Land Observing Satellite) (рис. 1.9) запустило восени 2005 року Японське аерокосмічне дослідницьке агентство (JAXA). Окрім оптичних сенсорів високої та середньої розрізненності, супутник обладнано поляриметричною радіолокаційною апаратурою РСА PALSAR (Phased Array L- band Synthetic Aperture Radar).
Radarsat-2 (рис. 1.10) – це канадський радіолокаційний супутник нового покоління, який прийшов на зміну Radarsat-1, причому між ними забезпечено зворотну сумісність. Radarsat-2 запущено наприкінці 2007 року російським носієм «Союз». Супутник обладнано досконалою РСА високого просторового розрізнення з гнучкими режимами поляризації, можливістю знімання як праворуч, так і ліворуч та бортовим накопичувачем даних великої ємкості.
Перший німецький радіолокаційний супутник ДЗЗ TerraSAR-X (рис. 1.11) створила фірма EADS Astrium на замовлення Німецького аерокосмічного центру (DLR). Супутник призначено для отримання радіолокаційних зображень земної поверхні високого розрізнення з метою наукових досліджень та комерції.
Ряд космічних апаратів радіолокаційного спостереження COSMOSkyMed
(Constellation of Small Satellites for Mediterranean Basin Observation) розробило Італійське космічне агентство разом з міністерством оборони Італії. Воно об’єднує чотири супутники, обладнані інтерферометричними РСА надвисокої просторової розрізненості – менше ніж 1 м на місцевості. Супутники виведено на навколо полярну орбіту, висота 619 км.
Серед інших ресурсних супутників світу, які здійснюють знімання з середнім розрізненням і передають на приймальні станції тисячі якісних зображень Землі, варто назвати серію індійських супутників IRS (Indian Remote Sensing satellite system), запущених з полігону Тюратам у 1988 р.
Рис. 1.7. Ресурсний супутник ERS-1 (ESA): 1 – сонячні батареї; 2 – платформа; 3 – лазерний рефлектор; 4 – сканувальний радіометр; 5 – мікрохвильова апаратура; 6 – радіолокаційна антена SAR; 7 – три антени скаттерометра; 8 – антена радіолокаційного вимірювання висоти; 9 – модуль керування; 10 – антена для повідомлень та обслуговування
Рис. 1.8. Космічний апарат Envisat-1 (ESA): 1 – удосконалений радіометр AATSR; 2 – спектрометр для картографування атмосфери; 3 – мікрохвильовий радіометр MWR; 4 – антена Ka-діапазону; 5 – сканер ScaRab; 6 – антена X-діапазону; 7 – антена радіолокатора із синтезованою апертурою ASAR; 8 – лазерний відбивач LLR системи точного визначення параметрів орбіти; 9 – антена радіолокаційного висотоміра; 10 – прилад глобального моніторингу озонового шару; 11 – спектрометр MERIS; 12 – інтерферометр
Рис. 1.9. Космічний апарат ALOS (Японія)
Рис. 1.10. Космічний апарат Radarsat-2 (Канада)
Рис. 1.11. Космічний апарат TerraSAR-X (ФРН)
Кінець XX – початок XXI ст. характеризується бурхливим розвитком носіїв космічної апаратури для отримання даних високого розрізнення – метри і сантиметри на місцевості. Перший з таких супутників, Ikonos-2 (США), виведено на орбіту, висота якої 681 км, 24 вересня 1999 року (рис. 1.12). Замовникам пропонуються стандартні зображення розміром
11×11 км.
5 грудня 2000 р. з російського космодрому «Свободный» в Сибірі стартував ізраїльський супутник EROS-A1, який став другим супутником, що збирає інформацію про земну кулю з високою розрізнювальною здатністю. Його запущено на сонячно-синхронну субполярну орбіту, висота якої 480 км. 250-кілограмовий супутник є найлегшим у світі супутником такого класу. На ньому розташовано сенсори, які виконують знімання поверхні Землі з розрізненням 1,8 м у панхроматичному режимі.
Менше ніж за рік американська корпорація Digital Globe успішно реалізувала проект запуску супутника з сенсорами субметрового розрізнення. Це поклало початок новій ері отримання космічних зображень з розрізненням, що становить десятки сантиметрів на місцевості. Такий супутник, QuickBird (США) (рис. 1.13), виведено на орбіту, висота якої 450 км, 18 жовтня 2001 року. Високоякісна оптична система, унікальний блок приймачів, бортовий запам’ятовувальний пристрій великої ємкості і надзвичайна маневреність дають цьому супутникові змогу одержувати знімки з просторовим розрізненням 61 см.
WorldView-1, новітній супутник компанії DigitalGlobe забезпечує панхроматичне космічне знімання розрізненням 0,51 м в смузі поперечного захоплення 50 км. Функціонуючи на висоті 450 км, WorldView-1 забезпечує період повторного спостереження 1,7 доби та огляд 750 000 км2 на добу. Супутник також обладнано прецизійною апаратурою геолокації з можливостями стереознімання. Слід сказати, що висока якість продукції Ikonos- 2 та QuickBird-2 пояснюється значною мірою тим, що обидві системи є репліками попередніх американських космічних проектів спеціального призначення.
Космічний апарат WorldView-2 запущено 8 жовтня 2009 року. Космічний апарат WorldView-2 розробляли паралельно зі створенням супутника WorldView-1. Головною особливістю цього апарату є наявність восьми канального спектрометра високої роздільної здатності. Супутник WorldView-2 виведено на сонячно-синхронну орбіту висотою 770 км, що забезпечує його проходження над будь-яким районом Землі кожні 1–2 дні (залежно від широти). Космічний апарат на момент створення цього каталогу є найкращим у світі за такими показниками, як ціна, геометрія, роздільна здатність, якість зображення та легкість обробки.
GeoEye-1 був запущений у вересні 2008 року. Супутник обертається на полярній сонячно-синхронній орбіті висотою 684 км, забезпечує ре-візит території через 1–3 дні (залежно від широти). Власником супутника є американська корпорація GeoEye Inc. Супутник призначений для отримання цифрових зображень земної поверхні з просторовим розрізненням 41 см в панхроматичному режимі та 1,65 м в мультиспектральному режимі. GeoEye-1 підтримує режим стереознімання, за допомогою якого можна побудувати цифрову модель рельєфу з точністю 1 м CE90 в плані та 3 м LE90 по висоті. Групу з п’яти міні-супутників RapidEye запущено з космодрому Байконур ракетою-носієм «Дніпро» 29 серпня 2009 року. Супутники, власником яких є німецька компанія RapidEye AG виведено на сонячно-синхронну орбіту висотою 630 км.
Рис. 1.12. Загальний вигляд супутника Ikonos-2 (США)
Рис. 1.13. Штучний супутник Землі QuickBird-2 (США)
Рис. 1.14. Штучний супутник Землі WorldView-2 (США) і знімок м. М’янма (Бірма)
Рис. 1.15. Загальний вигляд супутника GeoEye-1 і розрізнення, яке дають знімальні системи супутників Ikonos, GeoEye-1, GeoEye-2 (усі США).