1.  A műholdas műsorszórásról

1.1. A műsorszóró műholdak elhelyezkedése,  pályájuk, a mozgásukkal kapcsolatos problémák

 

 

A Föld fölött keringő műholdak

 

 

A Földet körülvevő térben különböző rendeltetésű mesterséges holdakat, műholdakat helyeztek el, állítottak pályára. A műholdak pályájáról, mozgásából, a Földtől való távolságából a mesterséges hold rendeltetésére is lehet következtetni.

 

 

 

A különböző magasságokba fellőtt műholdak közül felhasználási céljuknak megfelelően beszélhetünk felderítő, meteorológiai, távközlési, navigációs, űrkutatási, hírközlési, műsorszóró műholdakról. A fent említett, Föld körül keringő műholdak jellegzetes pálya magasságát és keringési idejét az ábra szemlélteti.

 

Műholdas műsorszórásra az ún. geostacionárius pályán elhelyezkedő műholdakat használják elsősorban. Kepler a bolygók mozgását három törvényben – az 1600-as évek elején – írta le. A törvények alapját Newton tömegvonzástörvényei adják. Annak ellenére, hogy több száz éve ismert volt mindkét törvényrendszer, csak 1945-ben publikálták a jelenlegi TV-műsorszóró műholdak pályájának leírását. C. Clark angol fizikus ismerte fel először, hogy a geostacionárius pályán elhelyezkedő, a Földdel azonos szögsebességgel mozgó, általa akkor még űrállomásnak nevezett műholdak távközlésre kiválóan alkalmasak.

 

1945-ben, az elektroncsöves berendezések időszakában szinte elképzelhetetlen volt, hogy az űrállomás ember nélkül üzemeljen. Az elektroncsövek élettartama abban az időben csak néhány száz óra volt. Szükség lett volna tehát a fedélzeti berendezések időszakos szervizére, az ember jelenlétére is. Az elektroncsövet kiszorító félvezetők megjelenése, gyors fejlődése lehetővé tette, hogy a '60 -as évek műholdjai már csak ezeket az eszközöket tartalmazzák berendezéseikben. A második világháborút követően a rakétatechnika fejlődése, majd az első műhold pályára ál1ítása eltávolította a kutatókat Clark úrállomásának gondolatától (a geostacionárius pályán lévő űrállomásra és a visszautazás hatalmas energiát és költségeket jelent). Helyette maradt az ötlet a geostacionárius pályán lévő műhold, benne a felügyelet nélkül üzemelő berendezésekkel.

 

Űrállomást csak jóval alacsonyabban, alig néhány száz kilométerre a földfelszíntől tudnak üzemeltetni. A szállításhoz, utazáshoz még ide is hatalmas, drága rakétákra van szükség. A geostacionárius pálya bármelyik pontjáról a Föld felületének 42% -át láthatjuk. A Föld felületén lévő vevőállomásnak és antennájának álló helyzetűnek kell látnia a műholdat. Ennek feltétele az azonos szögsebesség. Ugyanazon idő alatt ugyanakkora szöggel fordul el a Föld felszínéhez rögzített antenna, mint a műhold antennája, azaz nincs köztük szögsebesség-különbség.

 

 

Az egyenlítő síkjában lévő kör alakú geostacionárius pályán 35 786 km magasan elhelyezkedő műhold a Földdel együtt mozog, azaz egy kerületet 24 óra alatt tesz meg.

A műhold által egy fordulat, azaz egy nap (24 óra) alatt megtett út (a külső kör kerülete) a Föld sugara + a pályamagasság kétszerese szorozva p-vel, azaz 3,14-el. Számszerűsítve:

 

6378 km + 35 786 km = 42 164 km.

 

Ez a geostacionárius körpálya sugara. A körpálya kerülete:

 

2 x 42 164 x 6,28 » 264 790 km.

 

A kör alakú geostacionárius pálya kerületén, azaz 264 790 km-nyi távolságon foglalnak helyet a műsorszóró műholdak. Annak ellenére, hogy állni látjuk őket, a körpályán másodpercenként 3064 km/s sebességgel száguldanak.

 

Műholdpályák

 

A pálya alakja szerint beszélhetünk:

 

                        kör pályáról:     - egyenlítői síkú

- sarki síkú

- ferde síkú

                elliptikus pályáról

A pálya méretei szerint:

                        Kör pályák                  - LEO (alacsony körpálya)

- MEO (közepes körpálya)

- GEO (geostacionárius pályák)

                       

                        elliptikus pálya:             - Molnyija típusú pálya

 

Elliptikus pálya:

 

A Föld az ellipszis egyik fókuszában helyezkedik el. Az elliptikus pályán mozgó szatellitek Földhöz képesti mozgása az apogeum közelében viszonylag lassú, ezért az apogeum alatti területről a műhold hosszabb perióduson keresztül látható, mint a perigeum alatti területről. Az egyenlítői síkkal 64°-os szöget bezáró elliptikus pálya azért különleges jelentőségű, mert apogeumának földrajzi szélessége közel változatlan. Ennek következtében minden egyes periódus alkalmával az apogeum közelében a Föld azonos felületéről látható. (3. ábra)

 

 

Geostacionárius pálya:

 

Ezen a pályán, a bevezető részben már említett tulajdonságokon kívül, a következőképpen helyezkednek el a műholdak.

A műholdra ható centrifugális erőnek egyensúlyt kell tartania a Föld és a műhold között ható tömegvonzási erővel! Ebből a feltételből meghatározható a műhold keringési sebessége. Ezt abszolút keringési sebességnek is nevezik. A hozzá tartozó idő, vagyis egy Föld körüli fordulat ideje az abszolút keringési idő.

A földi megfigyelő egy adott földi pontról a műholdat nem a keringési időnek megfelelő periódusonként fogja észlelni, mert a Föld is forog a saját tengelye körül.

Azt az időt, amely alatta műhold ugyanarra az észlelési pozícióra jut, miközben megkerüli a Földet: relatív keringési időnek nevezzük.

 

Egy műhold egyenlítői síkú körpályán mozog a Föld tengely körüli forgási irányában (kelet felé). A műhold egy Föld körüli fordulatot az abszolút keringési idő alatt tesz meg. Ez alatt az idő alatt természetesen a Föld is forog a tengelye körül, vagyis a földi megfigyelési pont is elfordul. Ennek következtében a műholdnak további utat kell a pályán megtennie, hogy ismét a földi észlelési pont fölé kerüljön. Az ehhez szükséges idő a relatív keringési idő.

A következő táblázat a különböző pályamagasságokhoz tartozó abszolút és relatív keringési időket tartalmazza:

 

Pályamagasság [km]

Abszolút keringési idő [óra]

Relatív keringési idő [óra]

7 900

4,8

6,0

10 400

6,0

8,0

13 900

8,0

12,0

20 300

12,0

24,0

35 752

24

¥

 

 

A táblázat utolsó sorában, amikor az abszolút keringési idő megegyezik a Föld tengely körüli körülfordulási idejével, akkor a relatív keringési idő végtelen. Ez azt jelenti, hogy a műhold állandóan ugyanazon földi megfigyelési pont felett látható, azaz a műhold keringési szögsebessége megegyezik a Föld tengely körüli forgásának szögsebességével. Az ilyen műhold pályát nevezzük geostacionárius (GEO) pályának. A műhold az egyenlítői síkban kering és forgási iránya kelet- nyugati.

Az eddigiekből következik, hogy a geostacionárius pálya kiemelten megkülönböztetett műholdpálya. A földi vevőállomás antennájával nem kell állandón követni a műholdat, elég azt egyszer beállítani. Ez azt is jelenti, hogy ezen a pályán található a világon a legtöbb műhold.

 

Erről a pályáról a műhold a Föld felszínének közel 42%- át látja, vízszintes antenna kilövési szögnél. Ha földi antenna kilövési szögét nem engedjük 5° alá (az 5° „védőszög” a terepakadályok illetve a földi mikrohullámú rendszerek miatt), az adatok valamelyest módosulnak: az ellátható terület 38%. A földi állomások a ±76,3° szélességi körökig telepíthetők. A műholdról látható terület két átellenes pontja közötti távolság kb. 17 000 km. Ez az adat azt jelenti, hogy három geostacionárius műholddal a Föld körbe fogható és az egész Földre kiterjedő, globális műholdas távközlő rendszer hozható létre. (ilyen pl. az INTELSAT, INMARSAT)

 

 

A mesterséges holdak mozgásával kapcsolatos problémák

 

A geostacionárius pályára való jutás energiaigényes művelet. A Földtől mintegy 36 000 km távolra lévő pályára kell feljuttatni a több tonna súlyú berendezést. A szállítást nagyteljesítményű hordozórakéták végzik. A felhasznált energia csökkentésére, a költségek megtakarítása céljából szükség van a Föld forgásából adódó energiára is; amennyiben az egyenlítő síkjában, vagy ahhoz közel lévő területről indítjuk keleti irányba (a Föld forgásának irányába) a rakétákat, akkor a lehető legkevesebb üzemanyagra van szükség. Emiatt a geoszinkron pályára műholdat szállító rakétákat kilövő-, indítónhelyeket az Egyenlítőhöz közel telepítik. (Pl. Francia- Guayana)

A geostacionárius pályára juttatás sorrendje a következő lehet: az Egyenlítő síkjából induló rakéta az átmeneti pályára juttatja a műholdat

-         erről a pályáról a műholdon lévő hajtómű a Földtől távoli pontban (apogeum) felgyorsítja a műholdat a geostacionárius pályához szükséges sebességre (3 075 m/s)

-         a pályán való további manőverekkel éri el a kijelölt helyét

 

Egy műhold várható élettartama 13-16 év, emellett a pályára állítás kb. fél évet vesz igénybe, ez nem olyan sok, ha ezzel energiát nyerünk a jó pályára való állítással.

 

A pályára állítás vázlata a 4. Ábrán látható. A fenti módon pályára állított műhold helyes, pályán való mozgását több erő is befolyásolja. A mesterséges égitestek mozgásával kapcsolatos problémák igen változatosak, és sok esetben igen eltérőek a klasszikus égi mechanikai feladatoktól. A legfőbb különbség az, hogy a mesterséges égitestekre többféle eltérítő erő hat. Egy Föld körüli pályán keringő mesterséges holdra a következő fő eltérítő tényezők hatnak: a Föld inhomogén, nem egyenletes tömegeloszlása, a Nap és a Hold vonzása, a légköri súrlódás és a sugárnyomás.

 

A mesterséges holdak mozgásának vizsgálatakor a Föld nem tekinthető tömegpontnak. A holdak közelsége miatt figyelembe kell venni, hogy a Föld kiterjedt égitest, amelynek a sűrűségeloszlása nem gömbszimmetrikus. A legnagyobb eltérítő erők a mesterséges holdak mozgásában éppen a Föld lapultságától és tömegeloszlásának inhomogenitásaitól származnak. Ezek a legnagyobbak a közeli holdakra. Nagyobb problémát jelentenek a szinkron pályákon keringő műholdakra a légköri súrlódás és a sugárnyomás okozta eltérítések. A légköri súrlódás 150- 1 000 km között jelentős.

A műholdat olyan kockában kell tartanunk, melynek egy-egy oldala 0,1°- nak, azaz kb. 75 km- nek felel meg. A helystabilizálással szembeni elvárások szerint a földről vezérelt pályakorrekciónak: 0,05° - on belül kell a műhold helyzetét tartani.

 

Lényegesen nehezebb a helyzet az egy csoportot alkotó műholdak esetén, amikor ugyanabba a dobozba több műhold van (pl. ASTRAl és Hot-Bird csoport). A helyek pontos tartása csak a felvitt hajtóanyaggal működő fedélzeti hajtóművekkel lehetséges. A helystabilitás mellett a helyzetstabilizálás is lényeges. A kis földi területet besugárzó kb. 2 fokos nyalábbal működő antennákat, és ennek megfelelően a műholdat, 0,1 fok körüli pontossággú, háromtengelyes stabilizáló rendszerrel kell ellátni

A geostacionárius pályán lévő műholdak egymáshoz viszonyított helyzete 2 fokos pályakiosztás mellett, a helyzetek ±0,05 fokos pontossággal való tartása az 5. ábrán látható.

 

 

 

 

 

VisszA a kezdőoldalra