2.15: Супутники, човники та космічні станції

Чому важливі супутники?

У 1900 році ураган 4 категорії спустошив Галвестон, штат Техас. Вона забрала життя від 6000 до 12 000 людей. На відміну від цього, число загиблих від урагану «Катріна» склало близько 1800 осіб. Чому різниця? Хоча ураган «Катріна» (і Харві та Марія та інші) був сучасною трагедією, без попереднього попередження багатьох погодних супутників було б набагато гірше.

Ракети

Люди не досягли космосу до другої половини 20 століття. Їм потрібно було якось прорватися повз земної гравітації. Ракета швидко рухається в одному напрямку. Пристрій приводиться в рух частинками, що вилітають з нього з великою швидкістю в іншу сторону.

Як працюють ракети

Ракети використовувалися протягом століть у війні та для феєрверків, перш ніж хто-небудь міг пояснити, як вони працювали. У 1687 році сер Ісаак Ньютон розробив свої закони руху. Третій закон говорить: На кожну дію існує рівноправна і протилежна реакція. Іншими словами, коли рух ракети штовхається в одному напрямку, ракета рухається в зворотному напрямку (рисунок нижче).

Ракета штовхає в одну сторону так, щоб вона рухалася в зворотному напрямку.

Довгий час багато людей вірили, що ракета не працюватиме в космосі. Не було б нічого, щоб ракета штовхнула проти. Але вони працюють! Паливо підпалюється в камері. Гази в камері вибухають. Вибух створює тиск, який змушує гази вийти з одного боку ракети. Ракета рухається в зворотному напрямку (малюнок нижче). Сила, що штовхає ракету, називається тягою.

Цей запуск космічного човника показує, як тяга ракети штовхає човник вгору в небо.

Ракетна революція

Протягом століть ракети приводилися в дію порохом або іншим твердим паливом. Ці ракети могли подорожувати лише на невеликі відстані. Приблизно на рубежі 20 століття були розроблені рідкопаливні ракети. Рідке паливо дало ракетам достатню потужність, щоб уникнути гравітації Землі. Використовуючи кілька етапів, порожні паливні контейнери можуть відпасти. Це зменшило масу ракети, щоб вона могла літати вище.

Супутники

Одним з перших застосувань ракет в космосі був запуск супутників. Супутник - це об'єкт, який обертається навколо більшого об'єкта. Орбіта - це круговий або еліптичний шлях навколо об'єкта. Природні об'єкти на орбіті називаються природними супутниками. Місяць - природний супутник. Створені людиною об'єкти на орбіті називаються штучними супутниками.

Як супутник залишається на орбіті

Закон Ньютона про всесвітнє тяжіння описує, як об'єкт може орбіти планети. Кожен об'єкт у Всесвіті притягується до кожного іншого об'єкта гравітацією. Гравітація також тримає вас від спливаючих в небо. Чому гравітація не призводить до того, що супутники врізаються в Землю?

Ньютон використав приклад, щоб пояснити, як гравітація робить можливим орбіту. Уявіть гарматне ядро, запущене з високої гори (рисунок нижче). Якщо гарматне ядро буде запущено з повільною швидкістю, воно впаде назад на Землю. Це показано як шляхи (A) та (B). Якщо гарматне ядро запускається з швидкою швидкістю, Земля вигинається з тією ж швидкістю, що і гарматне ядро падає. Гарматне ядро потім виходить на кругову орбіту, як на шляху (С). Якщо гарматне ядро запущено ще швидше, воно може вийти на еліптичну орбіту (D). Це може навіть залишити гравітацію Землі і піти в космос (E).

Ісаак Ньютон пояснив, як гарматне ядро, випущене з високої точки з достатньою швидкістю, могло обертатися навколо Землі.

На жаль, ідея Ньютона не спрацювала б в реальному житті. Гарматне ядро запущено на швидкій швидкості з гори. Еверест згорить в атмосфері. Однак ракета може запускатися прямо вгору, а потім вивести на орбіту. Він не згорить в атмосфері. Так ракета може нести супутник над атмосферою, а потім випустити супутник на орбіту.

Супутникові орбіти

Супутники мають різні види залежно від їх орбіти. Супутники можуть бути виведені на низьку орбіту. Ці супутники орбітають з півночі на південь над полюсами. Ці супутники переглядають різну частину Землі кожного разу, коли вони кружляють. Відеозйомка і метеорологічні супутники потребують такого типу зору.

Супутники можуть бути розміщені так, щоб вони орбіталися з тією ж швидкістю обертання Землі. Потім супутник залишається на тому ж місці на поверхні. Супутники зв'язку часто розміщуються на цих орбітах.

Типи супутників

Перший штучний супутник був запущений трохи більше 50 років тому. Тисячі зараз знаходяться на орбіті навколо Землі. Супутники також обертаються навколо Місяця, Сонця, Венери, Марса, Юпітера і Сатурна. Супутники мають безліч різних цілей. Існують супутники зв'язку і навігації. Існують супутники для фотографування поверхні планети.

Десятки супутників збирають дані про Землю. Супутники NASA Landsat роблять детальні знімки материків Землі та прибережних районів. Інші супутники вивчають океани, атмосферу, полярні крижані покриви та інші системи Землі. Ці дані допомагають нам відстежувати зміни клімату. Інші довгострокові зміни на планеті також найкраще видно з космосу. Супутникові знімки допомагають вченим зрозуміти, як системи Землі впливають один на одного. Різні супутники відстежують різні довжини хвиль енергії.

Космічні станції

Люди мають присутність у космосі на Міжнародній космічній станції (МКС) (рисунок нижче). Сучасні космічні станції будуються поштучно, щоб створити модульну систему. Основною метою МКС є наукові дослідження, особливо в медицині, біології та фізиці.

Фотографія Міжнародної космічної станції була зроблена з космічного човника Атлантида в червні 2007 року.

Космічні човники

Ремесла, призначені для польоту людини в космос, як і місії «Аполлон», були дуже успішними. Вони також були дуже дорогими і не могли перевозити багато вантажів. Їх можна було використовувати тільки один раз. Для оснащення МКС НАСА знадобився космічний апарат, який був багаторазовим. Це потрібно, щоб мати можливість перевозити великі одиниці техніки. Вантаж може включати супутники, космічні телескопи або секції космічної станції. Отриманий космічний апарат називається космічним човником (рисунок нижче).

Атлантида на стартовому майданчику в 2006 році. З 1981 року космічний човник був основним транспортним засобом США для перевезення людей та великого обладнання в космос.

Космічний човник має три основні частини. Частина, з якою ви, мабуть, найбільш знайомі, - це орбітальний апарат. Орбітальний апарат має крила, як у літака. Коли космічний човник запускається, орбітальний апарат кріпиться до величезного паливного бака, який містить рідке паливо. З боків паливного бака розташовані дві великі «бустерні ракети». Все це потрібно для того, щоб вивести орбіту з атмосфери Землі. Опинившись у космосі, орбітальний апарат може бути використаний для випуску обладнання (наприклад, супутника або матеріалів для Міжнародної космічної станції). Він може бути використаний для ремонту існуючого обладнання, такого як космічний телескоп Хаббл. Космонавти можуть навіть проводити експерименти прямо на борту орбітального апарату.

Коли місія завершена, орбітальний апарат знову потрапляє в атмосферу Землі. Судно летить назад на Землю більше схоже на планер, ніж літак. Програма Space Shuttle виконала 135 місій між 1981 і 2011 роками, коли решта човників були звільнені. Оскільки космічні човники пішли на пенсію, МКС обслуговується російськими космічними кораблями «Союз».

Відвідати пенсіонерські шатли можна по всій країні:

• Підприємство в Музеї морського повітряно-космічного простору «Безстрашний», Нью-Йорк.
• Відкриття в Національному музеї авіації та космонавтики, Шантильї Вірджинія.
• Атлантида в Космічному центрі Кеннеді, штат Флорида.
• Endeavour в Каліфорнійському науковому центрі, Лос-Анджелес.

SpaceX

30 травня 2020 року NASA та SpaceX відправили Роберта Бенкена та Дугласа Херлі на Міжнародну космічну станцію з Космічного центру Кеннеді у Флориді. Ці астронавти випробовували ракету SpaceX Falcon 9 та космічний корабель Crew Dragon на їх здатність транспортувати людей до та з Міжнародної космічної станції.

Ця ілюстрація показує космічний корабель Crew Dragon на низькій орбіті Землі.

Цей історичний запуск є першим комерційно побудованим космічним апаратом, який виводить космонавтів на орбіту Землі. Це також перший раз, коли в США запустили своїх астронавтів з землі США, оскільки програма космічного човника НАСА закінчилася в 2011 році. Falcon 9 також перша ракета, яка може відправляти речі на орбіту Землі, а потім повторно використовувати для іншого польоту.

Ці дивовижні перші сприяють програмі комерційних екіпажів НАСА, яка співпрацює NASA з приватними компаніями для побудови космічних транспортних систем, щоб зробити космічні подорожі та дослідження дешевшими та ефективнішими.

Наукова п'ятниця: Як LEGO човник потрапив до космосу

Як би ви отримали LEGO човник до космосу? У цьому відео Science Friday Рауль Оаїда, 18-річний, прикріпив човник LEGO, відеокамеру та GPS-трекер до величезної гелієвої кулі та відправив їх у космос. Чаттл досяг висоти 115000 футів, перш ніж відправитися назад на Землю.

Резюме

• Ракети виводяться в космос частинками, що вилітають одним кінцем на високій швидкості. Це дозволяє їм уникнути сили тяжіння.
• Тисячі штучних супутників орбіти Землі. Супутники використовуються для візуалізації, зв'язку, навігації та проживання людини.
• Космічні станції постійно заселені людьми. Люди досягають космічної станції космічним човником.

Рецензія

1. Як працює ракета?
2. Чому в цей час так багато супутників, що обертаються навколо Землі?
3. Як штучні супутники залишаються на орбіті? Чи так природні супутники, як Місяць, залишаються на орбіті?

Дізнатися більше

Використовуйте наведені нижче ресурси, щоб відповісти на наступні питання.

1. Як вчені вивчають Землю з космосу?
2. Що робить супутник Aqua?
3. Що робить супутник Terra?

4. Що таке «Ландсат»?
5. Чому це важливо?
6. Що було вивчено з знімків Landsat?