Geosenkron yörünge - Geosynchronous orbit

Dünyanın yörüngesinde dönen jeosenkron uyduyu gösteren animasyon (ölçek değil).

Bir jeosenkron yörünge (bazen kısaltılmış GSO ), Dünya'nın kendi ekseni etrafındaki dönüşüyle , 23 saat, 56 dakika ve 4 saniye (bir yıldız günü ) ile eşleşen bir yörünge periyoduna sahip Dünya merkezli bir yörüngedir . Dönme ve yörünge periyodunun senkronizasyonu, Dünya yüzeyindeki bir gözlemci için, jeosenkron yörüngedeki bir nesnenin, bir yıldız günü periyodundan sonra gökyüzünde tam olarak aynı konuma geri döndüğü anlamına gelir. Bir gün boyunca, cismin gökyüzündeki konumu sabit kalabilir veya kesin özellikleri yörüngenin eğimine ve eksantrikliğine bağlı olan tipik olarak şekil-8 biçiminde bir yol izleyebilir . Dairesel bir jeosenkron yörünge, 35.786 km'lik (22.236 mi) sabit bir yüksekliğe sahiptir ve tüm jeosenkron yörüngeler bu yarı ana ekseni paylaşır.

Geosenkron yörüngenin özel bir durumu, Dünya'nın ekvator düzleminde dairesel bir jeosenkron yörünge olan yerdurağan yörüngedir . Yerdurağan yörüngedeki bir uydu, yüzeydeki gözlemciler için gökyüzünde aynı konumda kalır.

İletişim uydularına genellikle coğrafi olarak sabit veya coğrafi yörüngelere yakın olarak verilir, böylece onlarla iletişim kuran uydu antenleri hareket etmek zorunda kalmaz, ancak uydunun göründüğü gökyüzünde sabit bir konuma kalıcı olarak yönlendirilebilir.

Tarih

Yer eşzamanlı yörünge, bilim kurgu yazarı Arthur C. Clarke tarafından popülerleştirildi ve bu nedenle bazen Clarke Yörüngesi olarak adlandırıldı.

1929'da Herman Potočnik , hem genel olarak jeosenkron yörüngeleri hem de yer sabit Dünya yörüngesinin özel durumunu, uzay istasyonları için faydalı yörüngeler olarak tanımladı . Popüler literatürde bir jeosenkron yörüngenin ilk görünümü, Ekim 1942'de George O. Smith'in ilk Venüs Eşkenarlı hikayesindeydi , ancak Smith ayrıntılara girmedi. İngiliz bilimkurgu yazarı Arthur C. Clarke , 1945 tarihli Ekstra Karasal Röleler - Roket İstasyonları Dünya Çapında Radyo Kapsamı Verebilir mi? , Wireless World dergisinde yayınlandı. Clarke, The Complete Venus Equilateral'in girişinde bağlantıyı kabul etti . Clarke'ın ilk olarak yayın ve röle iletişim uyduları için yararlı olarak tanımladığı yörüngeye bazen Clarke Yörüngesi denir. Benzer şekilde, bu yörüngedeki yapay uyduların toplanması da Clarke Kuşağı olarak bilinir.

Syncom 2 : İlk jeosenkron uydu

Teknik terminolojide, jeosenkron yörüngeler, kabaca ekvatorun üzerindeyse, genellikle yerdurağan olarak adlandırılır, ancak terimler bir şekilde birbirinin yerine kullanılır. Spesifik olarak, jeosenkronize Dünya yörüngesi ( GEO ), jeosenkron ekvator yörüngesi veya jeostasyoner Dünya yörüngesi ile eşanlamlı olabilir .

İlk jeosenkron uydu, 1959'da Hughes Aircraft'ta çalışırken Harold Rosen tarafından tasarlandı. Sputnik 1'den esinlenerek , iletişimi küreselleştirmek için bir yerdurağan (jeosenkronize ekvator) uydu kullanmak istedi. ABD ve Avrupa arasındaki telekomünikasyon o zamanlar aynı anda sadece 136 kişi arasında mümkündü ve yüksek frekanslı radyolara ve bir denizaltı kablosuna bağlıydı .

O zamanki geleneksel bilgelik, bir uyduyu jeosenkron bir yörüngeye yerleştirmek için çok fazla roket gücü gerektireceği ve masrafı haklı çıkaracak kadar uzun süre hayatta kalmayacağıydı, bu nedenle düşük veya orta Dünya yörüngesindeki uydu takımyıldızlarına yönelik erken çabalar sarf edildi . Bunlardan ilki 1960'da pasif Echo balon uyduları , ardından 1962'de Telstar 1 idi. Bu projelerin sinyal gücü ve izleme ile jeosenkron uydular aracılığıyla çözülebilecek zorluklar olmasına rağmen, konsept pratik olarak görülmedi, bu yüzden Hughes genellikle fonları alıkoyuyordu. ve destek.

1961'de Rosen ve ekibi, çapı 76 santimetre (30 inç), yüksekliği 38 santimetre (15 inç) ve 11,3 kilogram (25 lb) ağırlığında silindirik bir prototip üretti; hafif ve küçüktü, o zamanlar mevcut olan roketler tarafından yörüngeye yerleştirilecek kadar küçüktü, dönüş stabilize edildi ve gözleme şeklinde bir dalga formu üreten dipol antenler kullanıldı. Ağustos 1961'de, çalışan uyduyu inşa etmeye başlamaları için sözleşme imzalandı. Syncom 1'i elektronik arıza nedeniyle kaybettiler , ancak Syncom 2 1963'te başarılı bir şekilde jeosenkron yörüngeye yerleştirildi. Eğik yörüngesi hala hareketli antenler gerektirmesine rağmen, TV yayınlarını aktarabildi ve ABD Başkanı John F. Kennedy'nin Nijeryalıları aramasına izin verdi. 23 Ağustos 1963'te bir gemiden başbakan Abubakar Tafawa Balewa .

Bugün uzaktan algılama, navigasyon ve iletişim sağlayan yüzlerce jeosenkron uydu var.

Gezegendeki en kalabalık kara konumlarının artık genellikle gecikme ve bant genişliği avantajları olan karasal iletişim tesislerine ( mikrodalga , fiber optik ) ve nüfusun %96'sını kapsayan telefon erişimine ve 2018 itibariyle %90 internet erişimine sahip olmasına rağmen, bazı kırsal ve Gelişmiş ülkelerdeki uzak bölgeler hala uydu iletişimine bağımlıdır.

Türler

sabit yörünge

Yerdurağan uydu (yeşil) her zaman ekvatorda (kahverengi) aynı işaretli noktanın üzerinde kalır.

Bir yerdurağan ekvator yörüngesi (GEO), Dünya'nın ekvator düzleminde yaklaşık 42.164 km (26.199 mi) (Dünya'nın merkezinden ölçülür) yarıçapına sahip dairesel bir jeosenkron yörüngedir. Böyle bir yörüngedeki bir uydu, ortalama deniz seviyesinden yaklaşık 35.786 km (22.236 mil) yüksekliktedir. Dünya yüzeyine göre aynı konumu korur. Eğer biri durağan yörüngede bir uydu görebilseydi, gökyüzünde aynı noktada süzülüyormuş gibi görünürdü, yani günlük hareket göstermezken Güneş, Ay ve yıldızlar onun arkasından gökyüzünü katederdi. Bu yörüngeler telekomünikasyon uyduları için kullanışlıdır .

Mükemmel kararlı bir coğrafi yörünge, yalnızca yaklaşık olarak tahmin edilebilecek bir idealdir. Uygulamada uydu, güneş rüzgarı , radyasyon basıncı , Dünya'nın yerçekimi alanındaki değişiklikler ve Ay ve Güneş'in yerçekimi etkisi gibi bozulmalar nedeniyle bu yörüngeden çıkar ve bilinen bir süreçte yörüngeyi korumak için iticiler kullanılır. olarak mevcut durumunu koruması .

Sonunda, iticiler kullanılmadan yörünge eğimli hale gelecek ve her 55 yılda bir 0° ile 15° arasında salınım yapacaktır. Uydunun kullanım ömrünün sonunda, yakıt tükenmeye yaklaştığında, uydu operatörleri eğimi düzeltmek ve yalnızca eksantrikliği kontrol etmek için bu pahalı manevraları atlamaya karar verebilir. Bu, zamanla daha az yakıt tükettiği için uydunun ömrünü uzatır, ancak uydu yalnızca NS hareketini takip edebilen yer antenleri tarafından kullanılabilir.

Yerdurağan uydular ayrıca, istasyon tutmadan 75 ° ve 255 ° 'lik iki sabit boylamdan biri etrafında sürüklenme eğiliminde olacaktır.

Eliptik ve eğimli jeosenkron yörüngeler

Yarı başucu uydu yörüngesi

Geosenkron yörüngelerdeki birçok nesne, eksantrik ve/veya eğik yörüngelere sahiptir. Eksantriklik, yörüngeyi elips şeklinde yapar ve bir yer istasyonunun bakış açısından gökyüzünde EW'de salınıyormuş gibi görünürken, eğim, yörüngeyi ekvatora kıyasla yatırır ve bir yer istasyonundan NS salınıyormuş gibi görünmesini sağlar. Bu etkiler bir analemma oluşturmak için birleşir (şekil-8).

Eliptik/eksantrik yörüngelerdeki uydular, yönlendirilebilir yer istasyonları tarafından izlenmelidir .

Tundra yörüngesi

Tundra yörüngesi, uydunun zamanının çoğunu tek bir yüksek enlem konumunda ikamet ederek geçirmesini sağlayan eksantrik bir Rus jeosenkron yörüngesidir. Donmuş bir yörünge olan 63.4°'lik bir eğimde oturur, bu da istasyon tutma ihtiyacını azaltır . Bir alan üzerinde sürekli kapsama sağlamak için en az iki uyduya ihtiyaç vardır. Kuzey ABD ve Kanada'da sinyal gücünü artırmak için Sirius XM Uydu Radyosu tarafından kullanıldı .

yarı başucu yörünge

Qzss (QZSS'nin) 42, bir eğimde bir jeosenkron yörüngede veren üç uydu sistemi ° ve 0.075 merkez arasındaki mesafedir. Her uydu Japonya'da bulunur ve sinyallerin kentsel kanyonlardaki alıcılara ulaşmasına izin verir ve ardından hızla Avustralya üzerinden geçer.

Başlatmak

Yerdurağan Aktarım Yörüngesinden (GTO) Yer Eşzamanlı Yörüngeye (GSO) bir geçiş örneği.
  EchoStar XVII  ·   Dünya .

Geosenkron uydular, doğuya, ekvatorun dönüş hızıyla eşleşen bir ilerleme yörüngesine fırlatılır. Bir uydunun fırlatılabileceği en küçük eğim, fırlatma alanının enlemidir, bu nedenle uyduyu ekvatora yakın bir yerden fırlatmak, daha sonra ihtiyaç duyulan eğim değişikliği miktarını sınırlar . Ek olarak, ekvatora yakın bir yerden fırlatma, Dünya'nın dönüş hızının uyduya bir destek vermesini sağlar. Fırlatma sahasının doğusunda su veya çöl bulunmalıdır, böylece başarısız roketler nüfuslu bir alana düşmez.

Çoğu fırlatma araçları doğrudan içine jeosenkronize uyduları yerleştirmek yere eşzamanlı aktarım yörüngede (GTO), bir ile eliptik yörüngede apoje GSO yükseklikte ve düşük yerberi . Yerleşik uydu tahriki daha sonra perigee'yi yükseltmek, daireselleştirmek ve GSO'ya ulaşmak için kullanılır.

Bir kez geçerli bir jeo-durağan yörüngeye girdikten sonra, uzay aracı, sırasıyla Doğuya veya Batıya doğru belirgin bir "sürüklenme" sağlamak için yeni periyot bir yıldız gününden daha kısa veya daha uzun olacak şekilde yarı ana eksenlerini ayarlayarak boylamsal konumlarını değiştirebilir. İstenen boylamda, uzay aracının periyodu jeosenkronize geri yüklenir.

Önerilen yörüngeler

eyalet teklifi

Bir statite , yörüngesini değiştirmek için güneşten gelen radyasyon basıncını bir güneş yelkenine karşı kullanan varsayımsal bir uydudur .

Yerkürenin karanlık tarafı üzerindeki konumunu yaklaşık 30 derecelik bir enlemde tutacaktır. Dünya tabanlı bir izleyicinin bakış açısından her 24 saatte bir gökyüzünde aynı noktaya dönecekti, bu nedenle işlevsel olarak jeosenkron bir yörüngeye benzeyecekti.

Uzay asansörü

Geosenkron yörüngenin başka bir şekli de teorik uzay asansörüdür . Bir uç yere bağlandığında, yer sabit kuşağının altındaki irtifalar için asansör, yalnızca yerçekiminden daha kısa bir yörünge periyodu sağlar.

Emekli uydular

Küçük beyaz noktalarla çevrili uzaydan Dünya
Uzay enkazının bilgisayar tarafından oluşturulmuş bir görüntüsü. İki enkaz alanı gösterilmiştir: jeosenkronize uzay ve düşük Dünya yörüngesi.

Geosenkronize uydular , konumlarını korumak için bazı istasyonların korunmasını gerektirir ve itici yakıtı bittiğinde ve artık kullanışlı olmadıklarında daha yüksek bir mezarlık yörüngesine taşınırlar . Yörüngeyi hafifçe yükseltmekten çok daha fazla yakıt gerektireceğinden ve GSO'lara binlerce yıllık ömür veren atmosferik sürüklenme ihmal edilebilir olduğundan, jeosenkronize uyduları yörüngeden çıkarmak mümkün değildir.

Emeklilik süreci giderek daha fazla düzenleniyor ve uyduların yaşamlarının sonunda sabit sabit kuşağın 200 km üzerinde hareket etme şansının %90 olması gerekiyor.

Uzay enkazı

Geosenkron yörüngelerdeki uzay enkazı, çoğu GSO uydusu aynı düzlem, irtifa ve hızda yörüngede döndüğünden, tipik olarak LEO'dan daha düşük bir çarpışma hızına sahiptir; bununla birlikte, eksantrik yörüngelerdeki uyduların varlığı, 4 km/s'ye kadar çarpışmalara izin verir. Bir çarpışma nispeten olası olmasa da, GSO uydularının herhangi bir enkazdan kaçınma yeteneği sınırlıdır.

Çapı 10 cm'den az olan enkaz Dünya'dan görülemez, bu da yaygınlıklarını değerlendirmeyi zorlaştırır.

Riski azaltma çabalarına rağmen, uzay aracı çarpışmaları meydana geldi. Avrupa Uzay Ajansı telekom uydu Olympus-1 a çarptı meteoroid 11 Ağustos 1993 tarihinde ve sonunda taşındı mezarlık yörüngede ve 2006 yılında Rus Express-AM11 iletişim uydusu olan mühendis rağmen, bilinmeyen bir nesnenin çarpması ve gösteremez hale gelmiştir uyduyla bir mezarlık yörüngesine göndermek için yeterli temas süresi vardı. 2017, her iki AMC-9 ve Telkom-1 bilinmeyen bir nedene bağlı olarak parçalandı.

Özellikler

Bir dünya dışı gözlemcinin ( ECI ) ve kendi dönüş hızında ( ECEF ) dünya etrafında dönen bir gözlemcinin bakış açısından, bir jeosenkron uydunun bir eğimdeki yörüngesi .

Bir jeosenkronize yörünge aşağıdaki özelliklere sahiptir:

Dönem

Tüm jeosenkron yörüngeler, tam olarak bir yıldız gününe eşit bir yörünge periyoduna sahiptir. Bu, uydunun diğer yörünge özelliklerinden bağımsız olarak her (yıldız) günde Dünya yüzeyinin üzerindeki aynı noktaya döneceği anlamına gelir. Bu yörünge periyodu, T, aşağıdaki formül aracılığıyla yörüngenin yarı ana ekseni ile doğrudan ilişkilidir:

nerede:

a yörüngenin yarı ana ekseninin uzunluğudur
bir standart yerçekimi parametre merkez gövdenin

Eğim

Bir jeosenkron yörünge herhangi bir eğime sahip olabilir.

Uyduların genellikle sıfır eğimi vardır, bu da yörüngenin her zaman ekvator üzerinde kalmasını sağlar, bu da onu bir yer gözlemcisinin bakış açısından (ve ECEF referans çerçevesinde) enlem açısından sabit kılar .

Bir başka popüler eğilim, bir Tundra yörüngesi için 63.4°'dir; bu, yörüngenin perigee argümanının zamanla değişmemesini sağlar.

Yer izi

Bir coğrafi yörüngenin özel durumunda, bir uydunun yer izi , ekvator üzerinde tek bir noktadır . Sıfır olmayan bir eğime veya eksantrikliğe sahip bir jeosenkron yörüngenin genel durumunda , yer izi aşağı yukarı çarpık bir sekiz şeklidir ve yıldız günde bir kez aynı yerlere geri döner.

Ayrıca bakınız

Referanslar

Dış bağlantılar