Porozmawiajmy o podstawach

W dzisiejszym artykule odpowiemy na kilka podstawowych pytań, które mogą pojawiać się w głowach osób rozpoczynających swoją przygodę z tematyką kosmiczną.

Czy satelity są widoczne z Ziemi?

To zależy od momentu obserwacji oraz od położenia satelity na orbicie. Ogólnie rzecz biorąc, satelity są zbyt małe i poruszają się zbyt szybko, aby łatwo je dostrzec — pierwsza prędkość kosmiczna dla Ziemi wynosi 7,91 km/s.

Mimo to w niektórych przypadkach możliwa jest obserwacja satelitów gołym okiem. Dobrym przykładem są niezwykle popularne ostatnio satelity Starlink, których charakterystyczne „pociągi” można zobaczyć tuż po ich wyniesieniu na orbitę. Wynika to z faktu, że ich konstrukcja bardzo skutecznie odbija światło słoneczne. W odpowiedzi na krytykę środowiska astronomicznego — dotyczącą m.in. utrudniania obserwacji nieba i zniekształcania wyników badań — SpaceX zmienił konstrukcję satelitów, stosując powłoki o niższej refleksyjności. Rozwiązanie to częściowo ograniczyło problem, jednak nie wyeliminowało go całkowicie. Wraz z podnoszeniem orbity widoczność satelitów Starlink stopniowo maleje.

Innym przykładem bardzo dobrze widocznego satelity jest Międzynarodowa Stacja Kosmiczna (ISS), której przeloty można regularnie obserwować w różnych częściach świata — czasami są one nawet zapowiadane w mediach. Jej dobra widoczność wynika przede wszystkim z bardzo dużej powierzchni całej stacji, a zwłaszcza z rozległych paneli słonecznych, które odbijają znaczną część promieniowania słonecznego.

Dlaczego satelity nie spadają z orbity?

Satelity zazwyczaj nie ulegają awariom — ale dlaczego tak się dzieje? Czym różnią się od zwykłej elektroniki używanej na co dzień w domu?

Zacznijmy od samego procesu projektowania — każdy element i każdy system przechodzi wiele przeglądów projektowych, a komponenty są opracowywane zgodnie z obowiązującymi standardami (np. ECSS). Standardy te pomagają upewnić się, że inżynierowie uwzględnili wszystkie czynniki i wyzwania związane z misją oraz zaprojektowali satelitę z myślą o pracy w warunkach panujących w przestrzeni kosmicznej.

Zanim satelity zostaną wyniesione w przestrzeń kosmiczną, przechodzą niezwykle złożone i liczne testy — istnieją nawet specjalne typy modeli satelitów przygotowywane wyłącznie do badań. Są to m.in. modele laboratoryjne, modele do testów termicznych i strukturalnych, modele inżynieryjne, modele kwalifikacyjne, symulatory, a na końcu modele lotne oraz modele zapasowe.

Każdy z tych modeli przechodzi przypisane mu testy i spełnia określoną rolę w procesie budowy satelity — od wykrywania problemów przed lotem aż po testowanie bardziej ryzykownych manewrów. Dopiero po pomyślnym przejściu wszystkich wymaganych badań satelita może zostać dopuszczony do startu.

Dlaczego satelity pozostają na orbicie?

Satelita pozostaje na orbicie dzięki równowadze między siłą grawitacji a siłą dośrodkową. W idealnych warunkach satelita, raz umieszczony na orbicie, może pozostać na niej praktycznie bez końca — co ma zarówno swoje zalety, jak i wady. Zaletą jest brak konieczności zużywania paliwa do utrzymywania orbity. Wadą natomiast jest to, że satelita po uszkodzeniu — lub nawet po naturalnym zakończeniu swojej misji (np. w wyniku starzenia się komponentów czy degradacji paneli słonecznych) — pozostaje na orbicie przez bardzo długi czas. Zajmuje wtedy cenną przestrzeń orbitalną, stając się w praktyce śmieciem kosmicznym (space debris) i zwiększając ryzyko kolizji z innymi obiektami.

W rzeczywistości niewiele satelitów porusza się po idealnie kołowej orbicie. Z czasem wysokość orbity stopniowo się zmniejsza na skutek różnych zaburzeń, takich jak opór aerodynamiczny, promieniowanie słoneczne, oddziaływanie innych ciał niebieskich, pole magnetyczne Ziemi czy niejednorodność ziemskiego pola grawitacyjnego. Wpływ tych zaburzeń jest różny w zależności od wysokości orbity, jej inklinacji, powierzchni satelity, jego współczynnika odbicia czy masy. W przypadku niskich orbit okołoziemskich (LEO) największe znaczenie ma jednak opór aerodynamiczny, który stopniowo obniża orbitę obiektu. Poniższa grafika przedstawia średni czas życia satelity na danej orbicie w sytuacji, gdy nie wykonuje się manewrów podnoszenia orbity.

Co dokładnie mogą zobaczyć satelity?

Czy zastanawiałeś się kiedyś, jak dokładne są obserwacje satelitarne? Jaka jest praktyczna granica rozdzielczości? W technologiach satelitarnych, mówiąc o tym, co można zobaczyć na zdjęciu, używa się jednostki „metry na piksel” (meters per pixel). Różne satelity obserwacyjne — w zależności od zastosowanej technologii, wysokości orbity czy rozmiaru instrumentu — osiągają różne poziomy rozdzielczości. Co więcej, różne cele obserwacji wymagają różnych rozdzielczości. Jeśli celem misji jest analiza dużych zjawisk i trendów, takich jak obrazowanie całej planety na potrzeby badań (np. ocena zmian klimatu, użytkowania gruntów czy obserwacje termiczne), wystarczająca jest niższa rozdzielczość. Przykładem są satelity Landsat, obsługiwane przez NASA i USGS, których najnowsza generacja oferuje rozdzielczość przestrzenną 15 m, 30 m oraz 100 m (w zależności od pasma spektralnego). Jeśli natomiast celem jest bardzo dokładne obrazowanie konkretnych lokalizacji, potrzebna jest znacznie wyższa rozdzielczość. Takie możliwości oferują na przykład satelity firmy Maxar, których najlepsza rozdzielczość przestrzenna wynosi około 31 cm.

Na przykład teleskop Scanway STAR, który od początku 2023 roku wykonuje zdjęcia powierzchni Ziemi, osiąga rozdzielczość przestrzenną 25 metrów na piksel. Oznacza to, że każdy piksel na wykonanym obrazie odpowiada 25 metrom w rzeczywistości. Kolejny teleskop Scanway, projektowany dla satelity EagleEye, ma osiągnąć rozdzielczość 1 metra na piksel.

Jak wynoszone są satelity na orbitę?

Ogólnie rzecz biorąc, podróż każdego satelity zaczyna się od rakiety, która wynosi urządzenie w przestrzeń kosmiczną. To jednak dopiero początek — przyjrzyjmy się po kolei, jak wygląda ten proces:

Pierwszym przypadkiem są misje dedykowane dla satelitów kierowanych na bardzo wymagające orbity albo takich, które są bardzo ciężkie — a najczęściej połączenie obu tych czynników. W takich sytuacjach satelita jest wynoszony podczas dedykowanego startu, jako jedyny ładunek rakiety. Przykładem takiej misji jest niedawny start rakiety Falcon Heavy, która wyniosła satelitę Jupiter-3 na orbitę GTO (więcej o typach orbit można przeczytać tutaj). Satelita ten ważył aż 9200 kg. Mniejsze rakiety — takie jak Electron firmy Rocket Lab czy Vega Europejskiej Agencji Kosmicznej — a także rakiety rozwijane przez tzw. space startups, ze względu na swoje rozmiary są przeznaczone do wynoszenia mniejszych satelitów na dedykowane orbity przy bardziej przystępnych kosztach. Dzięki temu nie trzeba iść na kompromis między ceną a optymalną orbitą (co często zdarza się przy wspólnych startach). W przypadku indywidualnego startu wysokość orbity i jej inklinacja zależą w zasadzie tylko od możliwości rakiety oraz ustaleń z operatorem startu — oczywiście przy uwzględnieniu budżetu misji.

Jeśli satelita jest mniejszy, możliwe jest obniżenie kosztów poprzez skorzystanie ze startu współdzielonego (rideshare), w ramach którego na orbitę wynoszonych jest jednocześnie wiele satelitów. Zwykle trafiają one na tę samą orbitę (czasem dostępnych jest kilka wariantów), a rozwiązanie to najczęściej stosuje się w przypadku satelitów o podobnych zastosowaniach — na przykład konstelacji obrazujących Ziemię, które mogą być wynoszone na orbitę heliosynchroniczną podczas wspólnych startów. Taki typ startu wykorzystał satelita STAR VIBE firmy Scanway, który na początku 2023 roku został wyniesiony na orbitę o wysokości ponad 500 km w ramach misji Transporter-6.

Trzecim, rzadziej omawianym sposobem wynoszenia satelitów jest ich transport na Międzynarodową Stację Kosmiczną (ISS) w kapsułach zaopatrzeniowych. Satelita jest następnie umieszczany w specjalnym uchwycie przez astronautów z wykorzystaniem ramion robotycznych albo wypuszczany „z ręki” podczas spaceru kosmicznego.

Konstelacje satelitów — czym są?

Zawsze raźniej w grupie — dotyczy to także satelitów. Z definicji konstelacja to grupa satelitów znajdujących się na jednej (lub kilku podobnych) orbitach, które współpracują ze sobą w celu realizacji wspólnego zadania. Konstelacją, z której korzystamy na co dzień, jest system GNSS, lepiej znany jako GPS. System ten obejmuje 32 aktywne satelity (oraz 6 zapasowych) znajdujące się na orbicie o wysokości około 20 180 km. Istnieją również jego zagraniczne odpowiedniki, rzadziej wykorzystywane w krajach zachodnich — chiński BeiDou oraz rosyjski GLONASS. Każdy satelita w tych systemach działa niezależnie, jednak aby poprawnie określić pozycję przy użyciu GPS, odbiornik musi jednocześnie „widzieć” co najmniej cztery satelity. Każdy dodatkowy satelita poprawia dokładność pomiaru poprzez zmniejszenie tzw. DOP (Dilution of Precision).

Innym typem konstelacji jest formacja satelitarna. Składa się ona również z co najmniej dwóch obiektów, jednak w tym przypadku dopiero ich ścisła współpraca pozwala zrealizować założone zadanie. Przykładem takiego systemu są satelity z programu Intruder, które dzięki współdziałaniu są w stanie śledzić sygnał z wykorzystaniem triangulacji.

Jak działają satelity?

Odpowiedź na to pytanie jest jednocześnie prosta i bardzo złożona — można na nie odpowiedzieć na wielu różnych poziomach. Załóżmy więc, że mówimy o obiekcie, który nie jest pasywny, a jego zadanie polega na czymś więcej niż tylko na samym przebywaniu w przestrzeni kosmicznej.

Satelita składa się z kilku podstawowych podsystemów:

• Moduł napędowy — nie jest to podsystem obowiązkowy i zazwyczaj nie występuje w małych satelitach. Jego obecność jest jednak bardzo przydatna, ponieważ umożliwia zmianę pozycji na orbicie oraz okresowe podnoszenie jej wysokości.
• Moduł komunikacyjny — umożliwia wymianę danych z zespołem inżynierów na Ziemi.
• Moduł przechowywania danych — satelita nie zawsze znajduje się w zasięgu stacji naziemnej, dlatego dane zebrane podczas pozostałej części orbity muszą być przechowywane do momentu, gdy będzie możliwe ich przesłanie.
• System wymiany ciepła (kontroli termicznej) — w przestrzeni kosmicznej nie ma powietrza, dlatego wymiana ciepła przez konwekcję nie jest możliwa. Dużym wyzwaniem jest zarówno przegrzewanie się komponentów satelity, jak i ich nadmierne wychłodzenie, które może uniemożliwić prawidłową pracę systemów.
• Struktura — to do niej mocowane są wszystkie pozostałe systemy. Można powiedzieć, że stanowi ona szkielet całego satelity, na którym opiera się cała konstrukcja.
• AOCS – Attitude and Orbit Control System — system umożliwiający kontrolę orientacji satelity na orbicie oraz jej zmianę, na przykład z wykorzystaniem kół reakcyjnych lub silników manewrowych.
• System zasilania — różne urządzenia wymagają różnych napięć lub częstotliwości zasilania. System zasilania odpowiada za dostarczanie i dystrybucję energii tam, gdzie jest potrzebna. W jego skład wchodzą również panele słoneczne.
• Ładunek użyteczny (payload) — na przykład teleskopy czy eksperymenty naukowe. Są to wszystkie elementy, które nie są bezpośrednio potrzebne do samego utrzymania satelity na orbicie, lecz realizują właściwe cele misji. Wszystkie te systemy są ze sobą powiązane i współzależne — awaria nawet jednego z nich może uniemożliwić pełne funkcjonowanie satelity.

Jak satelity komunikują się z inżynierami?

Aby inżynier mógł skontaktować się z satelitą, konieczne jest posiadanie anten zarówno na pokładzie satelity, jak i na Ziemi. Transmisja z segmentu naziemnego odbywa się z miejsc nazywanych stacjami naziemnymi (ground stations). Znajdują się w nich anteny nadawcze i odbiorcze oraz całe systemy umożliwiające przesyłanie danych. Oczywiście inżynierowie nie chcą, aby osoby trzecie miały dostęp do pozyskiwanych danych, dlatego sygnał jest często szyfrowany. Stacje naziemne mogą być także obsługiwane zdalnie i współdzielone przez wiele firm, dzięki czemu operatorzy nie muszą posiadać własnej, prywatnej infrastruktury w danej lokalizacji.

Masz więcej pytań dotyczących satelitów lub ładunków kosmicznych?
Daj nam znać pod adresem space@scanway.pl — z przyjemnością na nie odpowiemy!