Геостационарна орбита

Питали ли сте се защо сателитите за спътникова телевизия или т.н. геостационари спътници са точно на 36 000 км. (или по точно 35 786 км. ) нито повече нито по малко.

В тази статия ще се опитам да дам пояснения по въпроса.

Първо малко пояснения.

Геостационарна орбита е кръгова орбита точно над Земния екватор (0° географска ширина), на 35 786 km над земната повърхност, с орбитален период, равен на периода на завъртане на Земята. Така спътник на геостационарна орбита би изглеждал сякаш виси неподвижно над дадена точка от земната повърхност.

Тази особеност прави орбитата подходяща за комуникационни спътници, тъй като спътник с такава орбита винаги стои в една и съща част на небето над дадена точка и към него лесно може да се насочи неподвижна антена.

Идеята за геостационарна орбита първо е била разработена от Артър Кларк и публикувана през 1945г. Според него тази орбита би била много полезна за комуникационни сателити. Поради тази причина, геостационарната орбита често се нарича Орбита на Кларк.

Геосинхронна орбита е орбита с период на въртене, равен на сидеричния период на въртене на Земята около собствената ѝ ос и посока, еднаква с посоката на въртене на Земята.

сидеричен период  – времето между 2 последователни преминавания на наблюдавано от Земята сателит през една и съща спрямо звездите точка от небесната сфера.)

Неин частен случай е геостационарната орбита. За разлика от геостационарната орбита, геосинхронната може да бъде и с елиптична форма, и синклинация (наклон на орбитата) . Погледнато от Земята, тяло на геосинхронна орбита се движи, например при елиптична орбита с наклон описва осморки.

Сателит на геосинхронна орбита има орбитален период, равен на ротационния период на Земята.

Не стои на едно и същото място над Земята, връща се на същото място над Земята всеки ден по едно и също време.

Защо геостацонарните спътници са на височина 36 000км.?

Орбиталната надморска височина от 36000 км не е само оптималното разстояние, според Нютоновата механика, но е и единственото възможно разстояние за геостационарна орбита.

 Обяснението е сравнително лесно и може да се намери по-долу:

Геостационарна орбита е кръгова орбита около екватора, на която спътникът остава над една и същата точка на Земята. Това означава, че сателитът завършва пълна орбита на всеки 24 часа (по точно 23ч. 56м. 4с.).

За да се задържи сателита в кръгова орбита с радиус r се изисква центробежна сила за поддържане на орбитатата.: 

Центробежната сила = центроустремителното ускорение (а) по масата (m)

центроустремителното ускорение  

m е масата на сателита, w е ъгловата скорост на сателита , обикновено измерена в радиани за секунда (радиани са единица за измерване на ъгъли, пълен кръг е равен на 2п  радиана)).

Силата която привлича сателита към Земята е гравитацията, която според закона на Нютон за всеобщото привличане е:

G  – Нютоновата константа на гравитацията или универсална гравитационна константа. Тя е експериментално определена и в система SI нейната стойност е:

(в различни източници в Интернет стойността на константата след 2 знак след десетичната запетая се различават)

M – масата на Земята;

m – масата на сателита

r – разстоянието между Земята и сателита

За да има равновесие в системата (Земя – сателит) центробежна сила трябва да е равна на силата на привличане.

От полученото уравнение трябва да намерим r

m – масата на сателита отпада от уравнението;

умножаваме двете страни на уравнението с r2

разделяме двете страни на уравнението на w2

Ъгловата скорост на сателита е равна на:

Където Т е периода на въртене около Земята, но тъй като сателита трябва да се върти със същия период като Земята следователно Т = 24 часа по точно 23часа. 56мин. 4сек. = 86164сек.

Масата на Земята е равна на

Заместваме във формулата за r

Това е разстоянието от център на Земята до сателита. За да изчислим разстоянието от повърхността на земята до сателита трябва от r да извадим радиуса на Земята – R.

R = 6371km.

Следователно разстоянието от център на Земята до сателита е:

h =  42167 – 6371 = 35796 km.

 Е това е, нядявам се че съм Ви помогнал за отговора на въпроса.

Източници на информация:

https://bg.wikipedia.org

http://www.clipartpanda.com/clipart_images/house-clip-art-87-house-clip-1489629

 http://www.freepngimg.com/png/17922-satellite-png-hd

 http://gifmaker.me/

Posted in Наука | Tagged , | Leave a comment

Параболична антена

  В тази статия съм се опитал да събера информация от различни източници в Интернет за параболичните антени. Малко история, теория, видове, приложения и разгледах един проблем за изчисляване на фокуса на параболична антена. Идеята на тази статия е да Ви даде обща информация по въпроса.

Параболичната антена е антена, която използва параболичен рефлектор, извита повърхност с формата на парабола на напречното й сечение, за насочване на радиовълни. Основното предимство на параболичната антена е, че тя има висока насоченост. Антената функционира като „фенерче с рефлектор” за насочване на радиовълните в тесен лъч, или получаване на радио вълни от само една определена посока. Параболичните антени са едни от най – добрите антени с насочено действие. Това означава, че може да осигурят много тесен лъч на насочено действие.  За да се постигне тесен лъч, размера на параболичния рефлектор трябва да бъде много по-голям от дължината на вълната на радиовълните за които се използва, затова параболичните антени се използват за честоти от УКВ честотния диапазон и по – високи, при които дължинината на вълната е достатъчно малка, за да е удобен размера на рефлектора.

Параболични антени се използват като антени за комуникация от точка до точка, за радиорелейни комуникации, безжични WAN / LAN комуникации за пренос на данни, сателитни комуникации и комуникационни антени на космически апарати. Те се използват и в радиотелескопите.

Малко история по въпроса.

Параболичната антена е използвана от немския физик Хайнрих Херц при неговото откритие на радио вълните през 1887 г. Той е използвал цилиндрични параболични рефлектори с искрови диполни антени в техния фокус за предаване и приемане на радиовълни по време на своите експерименти.

Интересно свойство на параболата!

Принципа на работа на параболичната антена е, че точков източник на радиовълни поставен във фокусната точка в предната част на параболичен рефлектор от проводящ материал ще бъдат отразени и насочени във вълнов лъч по оста на рефлектора и обратно, при входяща вълна успоредна на оста ще бъде насочена към фокусната точка синфазно.

Параболични антени са базирани на геометричното свойство на параболоида, че пътеките FB1A1FB2A2 и FB3A3 са с еднаква дължина. Поради тази причина вълна, излъчена от антената във фокуса F ще бъде отразено в изходящо плоска вълна  пътуваща успоредно на оста на рефлектора y.

Антената намираща се във фокуса на рефлектора е типичен полувълнов дипол или най-често се използва малка рупорна антена от различен вид, наричана „фиидхорн” (feed horn). В по-сложните параболични антени, като например Касегрейн и Григориан, се използва вторичен рефлектор за насочване на енергията от параболичния рефлектор на антената, който се намира далеч от фокусната точка.

При параболични антени  за микровълнови честоти, микровълните преминават от фиидхорна до предавателя или приемника с вълновод. Поради високата цена на вълноводите, в много от параболични антени ВЧ електрониката на приемника се намира във фокуса на рефлектора точно след фиидхорна, и получения сигнал се преобразува в по-ниска междинна честота, така че може да се отведе към приемника с по-евтин коаксиален кабел. Това обикновено се нарича (LNA – low noise amplifier). По същия начин, при предаване, микровълновия предавател може да бъде разположен в точката на фокуса на рефлектора.

Предимство на параболичните антени е, че тя може да се използва за широк честотен спектър. Всичко, което е необходимо за да се промени работната честотата е да се замени фиидхорна намиращ се във фокуса на антената. Някои параболични антени предават или приемат на няколко работни честоти с няколко фиидхорна, монтирани във фокусната точка, близо един до друг

Основни видове параболични антени.

Според вида на рефлектора


    – Параболична антена – Рефлекторът е оформен като параболоид. Това е най-често срещаният тип. Тя излъчва тесен лъч по оста на параболоида.

 – Закрита параболична антена – Поставя се цилиндричен метален щит (цилиндър), който се поставя на ръба на параболичната антена. Щитът предпазва антената от електромагнитни излъчвания, които не са по основната ос на антената. Използва се за предотвратяване на смущения в наземни радиорелейни линии, където антените са разположени близо едина до друга и използващи еднакви честоти. Щитът е покрит отвътре с микровълнов абсорбиращ материал. Щитът може да намали обратния лист на антената до 10 децибела.

    – Цилиндрична антена – Рефлекторът е крива само в една посока и плоска в другата. Радиовълните постъпват на фокус не в точка, а в линия. Поставя се диполна антена разположена по протежение на фокусната линия. Цилиндрични параболични антени излъчват ветрилообразен лъч. Извитите краища на отражателя понякога са затворени с плоски плочи, за да се екранират краищата на антената.

Профилирани антени -. Съвременните рефлекторни антени могат да бъдат произвеждани от профили с различна форма.

        Оформени рефлектори – Параболичния рефлектор може да се оформи с некръгово сечение, и/или различни кривини в хоризонтална и вертикална посока, за да се промени формата на лъча. Това често се използва в радарните антени. Като общо правило е че колкото повече е широка антената в дадена напречна посока, толкова е по-тесен основния лъча от диаграмата на насочено действие в тази посока.

Антена “Портокалова кора” – Използва се при сканиращи  радари, това е дълъга и тясна антена с формата на буквата “С”. Антената има тесена вертикален лъч..

Според мястото на разположение на фиидхорна


             – С централно разположен фиидхорн – Това е най-често срещаният тип антени, при тях фиидхорна се намира в предната част на рефлектора във неговия фокус, по оста. Недостатък на този тип е, че фиидхорна и неговите държачи блокират част от лъча (създават радиосянка), която ограничава ефективната отразяваща повърхност.

– Офсетова – Рефлекторът е асиметричен сегмент на параболоид, така че фокусът и фиидхорна, се намират от едната страна на рефлектора. Целта при този вариант е да се измести фиидхорна от пътя на лъча, така че да не се блокира (няма радиосянка). Този вариант се използва широко в домашните сателитни телевизионни антени.

– Касегрейн – При антените Касегрейн, фиидхорна се намира върху или зад рефлектора Радиовълните от фиидхорна се отразяват обратно от вторичния рефлектор (хиперболоид) към основния рефлектор, който формира изходящия лъч. Едно от предимствата на тази конфигурация е, че фиидхорна, с неговите вълноводи и електроника не трябва да са пред основния рефлектор, те се използват за антени със сложнени или големи по размер фиидхорни, като например големи сателитни комуникационни антени или радиотелескопи.

– Григориан – Подобно на дизайна Касегрейн, но вторичния рефлектор е вдлъбнат, (елипсоид).

Изчисляване фокуса на параболична антена

Позицията на фокуса на параболичната антена се изчислява от диаметъра на параболичната антена и нейната  дълбочина.

На фигурата по-долу е показана, парабола с фокус F (0, f) и неговата направляващата на у = -f.

Използва се определението за парабола. Всяка точка M (x, y) на параболата е на еднакво разстояние от фокуса F (0, f) и направляващата D (x, -f). Следователно:

двете отсечки са равни FM = MD

дължината на 

дължината на

получава се уравнението

Повдигаме на квадрат двете страни и преобразуваме уравнението.

След преобразуване ще се получи уравнението на параболата с участието на фокусното разстояние f.

Сега ще Ви покажа практическо приложение, в която ние знаем размерите на параболичната антена и искаме да намерим фокусно разстояние. На фигурата по-долу са показани параметрите, които можем да измерим самостоятелно.

D е диаметърът на антената;

d е дълбочината на съда;

f е фокусното разстояние.

Точките  

   и  

лежат на параболата, следователно

Което дава връзка между диаметъра D,  дълбочина d и фокусното разстояние f на рефлектора.

Горната формула помага при намиране на положението на фиидхорна на параболични антени, тъй като дава фокусното разстояние F. Разбира се на практика формата на съда не е перфектна парабола и следователно са необходими малки корекции, когато позиционираме фиидхорна.

Източници на информация:

www.satellite-calculations.com/Satellite/reflector.htm

www.rfwireless-world.com/calculators/parabolic-dish-antenna-calculator.html

www.qsl.net/pa2ohh/jsparabolic.htm

www.analyzemath.com/parabola/parabola_focus.html

https://en.wikipedia.org/wiki/Parabolic_antenna

               



Posted in Антени, Радиоастрономия | Tagged , , | Leave a comment

Какво представлява “Водородната линия”?

Защо в радиоастрономията се наблюдава честотата 1420 MHz?

През 30-те години на миналия век е забелязано, че съществува радио “шум”, който варира в ежедневен цикъл на Земята и изглежда, че е с извънземен произход. След първоначалните предположения, че това се дължи на Слънцето, се установява, че радиовълните идват от центъра на нашата галактиката .

През 1944г., Хендрик Ван де Хюлст (Hendrik C. van de Hulst) докато е студент в университета Утрехт, Холандия, прогнозира съществуването на водородни емисионни линии с дължина на вълната 21,2 cm въз основа на физиката на водородния атом, той предсказва, че неутралният водород може да произведе радиация с честота 1420,4058 MHz поради двете близки енергийни нива в основното състояние на водородния атом.

След като тази линия е била открита, Ван де Хюлст участва с Ян Оорт (Jan H. Oort) и Мюлер (C.A. Muller) в използването и в радиоастрономията.

21 см линия (1420,4 MHz) за първи път е открита през 1951г. от Х.Ъ.Еуен (Harold Irving Ewen)  и Е.М.Пърсел (Edward Mills Purcell) от Харвардския университет и публикувана след като данните им са потвърдени от холандските астрономи Мюлер и Оорт  и от У.Н. Кристиансен (Wilbur Norman Christiansen) и  Хайндман (J.V. Hindman) в Австралия. След 1952г. са направени първите карти на неутралния водород в Галактиката, които за първи път разкриват спиралната структура на Млечния път.

Физика на водородния атом.

Атомният водород образува около 75% от масата на елементите във Вселената. Некомпактните звезди са съставени главно от водород в плазмено състояние. На Земята несвързани водородни атоми се срещат изключително рядко, като почти всичкият водород е под формата на химични съединения или на двуатомен водороден газ (H2).

Водородната линия се отнася за спектрална линия на електромагнитното излъчване, която се създава чрез промяна на енергийното състояние на неутрални водородни атоми. Това електромагнитно излъчване е с точната честота  1 420 405 751.7667 ± 0,0009Hz, което е еквивалентно на дължината на вълната във вакуум от 21,1061140542cm. Тази дължина на вълната попада в микровълновия диапазон на електромагнитния спектър и се наблюдава често в радиоастрономията, тъй като тези радиовълни могат да проникнат през големите облаци междузвезден космически прах, които са непрозрачни за видимата светлина .  

Електронът в неутралния атомен водороден атом (т.е. единични водороден атом, за разлика от молекулярния водород – Н2) може да претърпи „преход на въртене“, при който спиновото свойство на неговите електрони да е противоположно на протона в атома, привеждайки атома в по-ниско енергийно състояние и излъчващ фотон. Обратното също е възможно с абсорбцията на 21 см фотон. Това означава, че спинът на електрона може да се промени, за да бъде същият като протона и да доведе атома до по-високо енергийно състояние.

Преходът е се получава много рядко, за един водороден атом, който се среща веднъж на всеки 11 милиона години, но за огромните количества водород, които съществуват в галактиките и междузвездните облаци, има достатъчно преходи за излъчване на постоянен сигнал.

Спонтанно възникване на прехода е малко вероятно да се види в лаборатория на Земята, но може да бъде изкуствено предизвикана с помощта на водороден мазер . Обикновено се наблюдава в астрономически условия като водородни облаци в галактиктиките.

Това откритие довело до пробив в изучаването на Космоса от радиоастрономията. При 21 см радиацията от атомен водород прониква много по-далеч от видимата светлина, като действа като маркер за най-разпространеното вещество във Вселената (макар и само в неговата атомна форма), което позволява картографирането на големи скалирани структури във видимия спектър от прах и газ.

Къде се използва водородната линия?

В радиоастрономията

Електромагнитното излъчване на  21cm е в радиочестотния спектър (в L – поддиапазон на УКВ диапазон). Електромагнитната енергия в този диапазон може лесно да премине през земната атмосфера и да бъде наблюдавана от Земята с малко смущения.

Ако приемем, че водородните атоми са равномерно разпределени в галактиката, всяка линия на видимост през галактиката ще разкрие водородна линия. Единствената разлика между всяка от тези линии е доплеровото изместване, което всяка от тези линии има. Следователно, може да се изчисли относителната скорост на всяки обект на нашата галактика . Кривата на въртене на нашата галактика е изчислена с помощта на 21 см водородна линия. Тогава е възможно да се използва графиката на кривата на въртене и скоростта, за да се определи разстоянието до определена точка в галактиката.

Наблюденията на водородната линия също са използвани индиректно за изчисляване на масата на галактиките, за ограничаване на промените във времето на универсалната гравитационна константа и за изучаване на динамиката на отделните галактики.

В космологията

Водородната линията е от голям интерес за космологията на Големия взрив, защото това е единственият известен към момента начин да се изследват “тъмните векове” от рекомбинация до рейонизация . Включително червеното изместване на тази линия.

Има две приложения.

Първо, чрез картографиране на интензитета на червеното изместване на 21cm лъчение, то може по принцип да осигури много прецизна картина на спектъра и материята в периода след рекомбинацията.

Второ, тя може да предостави картина за това как Вселената е била реионизирана, като неутрален водород, който е йонизиран от радиацията от звезди или квазари, което ще се появи като дупки в 21 cm фон.

Въпреки това, наблюденията на 21 cm са много трудни за извършване от Земята. Наземните експерименти за наблюдение на слабия сигнал се смущават от телевизионни предаватели и йоносферата, Наблюденията трябва да бъдат осъществявани от много изолирани места, където да се елиминират смущенията.

Има идеи наблюденията да се извършват, на обратната страна на Луната (където биха били защитени от смущенията от наземни радиосигнали). Малко се знае и за други ефекти, като синхротронната емисия и свободната емисия на Галактиката. Въпреки проблемите при наблюденията на 21cm, заедно с космическите наблюдения на гравитационните вълни, се разглеждат като следващия голям пробив в наблюденията на космологията, след космическия микровълнова фон.

Търсене на интелигентен извънземен живот SETI (Search for Extra-Terrestrial Intelligence)

Златни плочи, прикрепени към космическите апарати Pioneer 10 (1972г.) и Pioneer 11 (1973г.)

Посланията на двете плочи е индентично в космическите кораби “Пионер-10” и “Пионер-11”. Златните плочки са с размер 152х229 мм, на които е показана информация за строежа на Слънчевата система, за положението й в нашата Галактиката спрямо няколко пулсара и за вида на разумните същества, които населяват третата планета – хората. Авторът на посланието е астрономът и астрофизик Карл Сейгън (Carl Sagan), а изображенията са направени от съпругата му Линда Сейгън (Linda Sagan).

Златни плочи, прикрепени към космическите апарати Вояджър-1 (1977г.) и Вояджър-2 (1977г.)

На плочите е изобразен свръхфиния преход на атомен водород и използват дължината на вълната като стандартна скала за измерване на фигурите на плочите. Например височината на жената в изображението се показва като осем пъти 21см или 168см. По подобен начин е използвана и за включените в плочите на сондите  Пионер (Pioneer) 10 и 11, както и сондите Вояджър (Voyager) 1 и 2. На тази плочи позицията на Слънцето е изобразена по отношение на 14 пулсара, чийто период на въртене около 1977г. е даден като кратно на честотата на прехода на атомния водород. Създателите на плочите твърдят, че една напреднала цивилизация ще може да използва местата на тези пулсари, за да локализира Слънчевата система по време на пускането на космическия кораб.

1420MHz се смята за благоприятна честота от програмата SETI за търсене на сигнали от потенциални извънземни цивилизации. През 1959 г. италианският физик Джузепе Кокони (Giuseppe Cocconi) и американският физик Филип Морисън (Philip Morrison) публикуват “Търсене на междузвездни комуникации” (“Searching for Interstellar Communications”) , документ, предлагащ 21cm водородна линия и потенциала на микровълните при търсенето на междузвездни комуникации. Според Джордж Басала (George Basalla) трудът на Кокони и Морисън “предостави разумна теоретична основа” за тогавашната програма SETI.

По същия начин Пьотр Маковецки (Pyotr Makovetsky) предложи SETI да използва честота, която е равна на

 π × 1420.40575177 MHz = 4.46233627 GHz

или

2π × 1420.40575177 MHz = 8.92467255 GHz

Тъй като π е ирационално число, такива честоти не биха могли да бъдат произведени по естествен начин като хармонични и би означавало нейния изкуствен произход. Такъв сигнал не би бил смущаван от водородната линия или от някой от нейните хармоници.

Източници на информация:

https://en.wikipedia.org/wiki/Hendrik_C._van_de_Hulst

https://en.wikipedia.org/wiki/Jan_Oort

http://volim63gtenet.mydomain.com/webservice3/old-mike/Mike/n3eaq_files/1420.htm

http://volim63gtenet.mydomain.com/webservice3/old-mike/Mike/n3eaq_files/1420_theo.htm

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/quantum/h21.html

https://ethw.org/w/images/b/be/Parkes_and_21cm_History.pdf

https://en.wikipedia.org/wiki/Hydrogen_line

https://slideplayer.com/slide/8433742

https://bg.wikipedia.org/Пионер 10

https://bg.wikipedia.org/златна плоча на Вояджър

Posted in Радиоастрономия | Tagged , , , , | Leave a comment