人工衛星：何のために、どのように機能するか、タイプ、重要 - アルテ - 2025

衛星は地球または他の天体の周りを周回するために、車両または乗組員なしで空間に放出されるように具体的に構築された装置です。

人工衛星の構築に関する最初のアイデアは、SFの作者、たとえばジュールヴェルヌやアーサーC.クラークからのものです。後者は王立空軍のレーダー将校であり、第二次世界大戦の終わりに、通信ネットワークを維持するために地球の周りの軌道で3つの衛星を使用するという考えを思いつきました。

図1.地球を周回する人工衛星。出典：ウィキメディア・コモンズ。

当時、衛星を軌道に乗せる手段はまだありませんでした。米軍が1950年代初頭に最初の衛星通信を生み出すまでには、さらに数年かかりました。

アメリカとソビエト連邦の間の宇宙競争は人工衛星産業を後押ししました。最初に軌道に乗ったのは1957年のソビエトスプートニク衛星で、20〜40 MHzの範囲の信号を発しました。

これに続いて、コミュニケーションを目的とした米国によるエコーIの打ち上げが行われました。それ以来、軌道への多数の打ち上げは両方の力によって成功し、その後、多くの国が新しい技術に参加しました。

人工衛星とは何ですか？

-電気通信、ラジオ、テレビ、携帯電話メッセージの再送信用。

-地図作成や天文観測を含む科学的および気象学的研究。

-軍事情報機関の目的のため。

-ナビゲーションと位置情報の用途で、GPS（全地球測位システム）の1つとして最もよく知られています。

-地表面を監視する。

-宇宙ステーションで、地球外の生命を体験するように設計されています。

それらはどのように機能しますか？

アイザックニュートン（1643-1727）はプリンシピアで、衛星を軌道に乗せるために必要なものを確立しましたが、衛星の代わりに、丘の上から砲弾を発射しました。

弾丸は一定の水平速度で発射され、通常の放物線軌道をたどります。スピードを上げると、水平リーチはどんどん大きくなり、明らかなことでした。しかし、特定の速度で弾丸が地球の周りの軌道に入るのでしょうか？

地球は、8 kmごとに4.9 mの速度で表面に接する線から湾曲しています。休憩から解放されたオブジェクトは、最初の1秒間に4.9 m落下します。したがって、速度8 km / sのピークから水平方向に弾丸を発射すると、最初の1秒間に4.9 m落下します。

しかし、地球は砲弾の下を曲がるので、その時間には4.9 mも下降します。これは水平方向に動き続け、8 kmをカバーし、その1秒間は地球に対して同じ高さのままです。

当然のことながら、摩擦がない限り、次の1秒以降、その後のすべての秒で同じことが起こり、追加の推進力なしで弾丸が人工衛星に変わります。

ただし、空気抵抗による摩擦は避けられないため、ブースターロケットが必要です。

ロケットは衛星を非常に高い位置まで持ち上げます。大気が薄いほど抵抗が少なく、必要な水平速度が得られます。

そのような速度は、8 km / sより大きく11 km / s未満でなければなりません。後者は脱出速度です。この速度で投影されると、衛星は地球の重力の影響を放棄し、宇宙に行きます。

人工衛星の構造

人工衛星には、さまざまな種類の信号の受信、処理、送信を含む、その機能を実行するためのさまざまな複雑なメカニズムが含まれています。また、軽量で操作の自律性も必要です。

主な構造はすべての人工衛星に共通しており、目的に応じていくつかのサブシステムがあります。これらは、バスと呼ばれる、サポートとして機能する金属または他の軽量コンパウンドで作られたハウジングに取り付けられています。

バスで見つけることができます：

-データが処理されるコンピューターを含む中央制御モジュール。

-電波による通信とデータ送信用の送受信アンテナ、望遠鏡、カメラ、レーダー。

-衛星が日陰にあるときに必要なエネルギーと充電式バッテリーを得るための翼上のソーラーパネルのシステム。軌道に依存しますが、衛星が低軌道にある場合、バッテリーを充電するには約60分の太陽光が必要です。遠くにある衛星ほど、太陽放射にさらされる時間が長くなります。

衛星はこの放射線に長時間さらされるため、他のシステムへの損傷を防ぐために保護システムが必要です。

露出した部分は非常に熱くなりますが、日陰では変化を調整するのに十分な雰囲気がないため、非常に低温になります。このため、ラジエーターは熱を排除する必要があり、アルミニウムカバーは必要に応じて熱を節約する必要があります。

人工衛星の種類

軌道に応じて、人工衛星は楕円形または円形になります。もちろん、各衛星には割り当てられた軌道があり、これは通常、地球が回転する方向と同じ方向であり、非同期軌道と呼ばれます。何らかの理由で衛星が反対方向に移動する場合、衛星には逆行軌道があります。

重力下では、オブジェクトはケプラーの法則に従って楕円形の経路を移動します。人工衛星はこれを免れませんが、一部の楕円軌道には非常に小さな偏心があり、円形と見なすことができます。

軌道は、地球の赤道に対して傾けることもできます。傾きが0ºの場合は赤道軌道、90 areの場合は極軌道です。

衛星の高度も重要なパラメータです。1500〜3000 kmの高さが最初のファンアレンベルトであり、その高い放射率のために避けられる領域だからです。

図2.人工衛星の軌道、高度、速度。使われなくなった衛星は墓地の軌道に入りますが、すべての軌道に残骸があります。出典：ウィキメディア・コモンズ。

衛星軌道

衛星の軌道は、ミッションに応じて選択されます。これは、さまざまな操作に適した高さが多少あるためです。この基準によれば、衛星は次のように分類されます。

- LEO（低軌道）、それらは、500〜900キロ高く、約1時間半と90°の傾斜期間と、円形のパスを記述する。それらは携帯電話、ファックス、個人用ポケットベル、車両およびボートに使用されます。

- MEO（中地球軌道）、彼らは5000〜12000キロ、50°の傾きと約6時間の期間の間に高度です。携帯電話にも採用されています。

- GEO（静止地球軌道）、または静止軌道、二つの用語の間に小さな違いがあるものの。前者は傾斜が可変である可能性がありますが、後者は常に0°です。

いずれにせよ、彼らは標高-36,000 km程度です。彼らは1日の周期で円軌道を移動します。そのおかげで、ファックス、長距離電話、衛星テレビなどのサービスを利用できます。

図3.人工衛星の軌道の図。1）地球。2）レオ。3）MEO、4）静止軌道。出典：ウィキメディア・コモンズ。

静止衛星

当初、通信衛星の周期は地球の自転とは異なりましたが、これによりアンテナの配置が困難になり、通信が失われました。解決策は、その周期が地球の自転の周期と一致するような高さに衛星を置くことでした。

このようにして、衛星は地球と一緒に軌道を回り、地球に対して固定されているように見えます。衛星を静止軌道に置くのに必要な高さは35786.04 kmで、クラークベルトとして知られています。

軌道の高さは、ニュートンの万有引力の法則とケプラーの法則から派生した次の式を使用して、周期を確立することによって計算できます。

ここで、Pは周期、aは楕円軌道の準長軸の長さ、Gは重力の普遍定数、Mは地球の質量です。

このようにして、地球に対する衛星の方向は変化しないため、衛星と常に接触していることが保証されます。

地球の最も重要な人工衛星

スプートニク

図4.史上初の軌道上の人工衛星、スプートニクのレプリカ。出典：ウィキメディア・コモンズ。

それは人類の歴史の中で最初の人工衛星であり、1957年10月に旧ソビエト連邦によって軌道に乗せられました。この衛星は、スプートニクプログラムの一環として、他の3つが続きました。

最初のスプートニクは非常に小さくて軽量で、主にアルミニウムが83 kgありました。20〜40 MHzの周波数を放射する能力があり、3週間軌道に乗った後、地球に落下しました。

スプートニクのレプリカは今日、ロシア連邦、ヨーロッパ、さらにはアメリカの多くの美術館で見ることができます。

スペースシャトル

もう1つの有名な有人ミッションは、1981年から2011年に運用され、ハッブル宇宙望遠鏡と国際宇宙ステーションの打ち上げに加えて、1981年から2011年まで運用されていた宇宙輸送システムSTSまたはスペースシャトルでした。他の衛星の修理。

スペースシャトルは非同期の軌道を持っていて、地球を行き来できるので再利用できました。5つのフェリーのうち、チャレンジャーとコロンビアの2つが乗組員とともに偶然に破壊されました。

GPS衛星

全地球測位システムは、世界中のどこにいても人や物を正確に見つけることで広く知られています。GPSネットワークは少なくとも24個の高高度衛星で構成され、そのうち4個の衛星が地球から見えます。

彼らは高度20,000 kmで軌道に乗っており、周期は12時間です。GPSは、三角測量と同様の数学的手法を使用して、三角測量と呼ばれるオブジェクトの位置を評価します。

GPSは、人や車両の位置を特定するだけでなく、地図作成、測量、測地、救急活動、スポーツなどの重要なアプリケーションにも役立ちます。

ハッブル宇宙望遠鏡

これは、地球の大気や光害が遠方の光を遮ったり歪ませたりせずに、太陽系、星、銀河、遠方の宇宙のこれまでにない比類のない画像を提供する人工衛星です。

図5.ハッブル宇宙望遠鏡の図。出典：ウィキメディア・コモンズによるNASA。

したがって、1990年の打ち上げは、天文学における最近の目覚ましい進歩でした。ハッブルの巨大な11トンの円柱は、高度340マイル（548 km）で地球を周回し、周期は96分です。

2020年から2025年の間に非アクティブ化され、ジェームズウェッブ宇宙望遠鏡に置き換えられる予定です。

国際宇宙ステーション

ISS（国際宇宙ステーション）として知られ、世界中の5つの宇宙機関によって管理されている軌道を回る研究所です。これまでのところ、現存する最大の人工衛星です。

他の衛星とは異なり、宇宙ステーションには人間が乗っています。少なくとも2人の宇宙飛行士の固定乗務員に加えて、駅には観光客も訪れています。

ステーションの目的は主に科学的です。無重力の影響が調査され、天文学、宇宙、気候の観測が行われる4つの研究所があり、生物学、化学、およびさまざまなシステムに対する放射線の影響に関するさまざまな実験も行われています。

チャンドラ

この人工衛星は、地球の大気に吸収されて地表からは研究できないX線を検出する観測所です。NASAは、スペースシャトルコロンビアを経由して1999年に軌道に乗せました。

イリジウム通信衛星

それらは、100分の周期で、LEOタイプの軌道で高度780 kmの66の衛星のネットワークを構成します。それらは、モトローラの電話会社によって、アクセスできない場所での電話通信を提供するために設計されました。ただし、非常に高額なサービスです。

ガリレオ衛星システム

これは、欧州連合が開発した測位システムで、GPSに相当し、民生用です。現在22の衛星が稼働していますが、まだ建設中です。オープンバージョンでは、1メートルの精度で人や物を見つけることができ、GPSシステムの衛星と相互運用できます。

Landsatシリーズ

それらは地球の表面を観測するために特別に設計された衛星です。彼らは1972年に作業を開始しました。とりわけ、地形のマッピング、極での氷の移動と森林の広がりに関する情報の記録、および採掘の調査を担当しています。

グロナスシステム

これは、ロシア連邦の地理位置情報システムであり、GPSおよびガリレオネットワークに相当します。

人工衛星の観測

人工衛星は太陽光を反射し、太陽が沈んだとしても、光の点として見ることができるため、アマチュアは地球から見ることができます。

それらを見つけるには、電話に衛星検索アプリケーションの1つをインストールするか、衛星を追跡するインターネットサイトを調べることをお勧めします。

たとえば、ハッブル宇宙望遠鏡は肉眼で見ることができますが、どこを見るかわかっていれば、より良い双眼鏡で見ることができます。

衛星観測の準備は流星群観測と同じです。雲がなく、月がない、または月が地平線上にない、非常に暗くて晴れた夜に最良の結果が得られます。光害から離れれば離れるほど、暖かい服や温かい飲み物を持参する必要があります。

参考文献

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2. Giancoli、D。2006。物理学：アプリケーションの原則。6日。エドプレンティスホール。
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5. 人工衛星とは何ですか？それらはどのように機能しますか？回収元​​：youbioit.com
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