IV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
КОСМОС НА СЛУЖБЕ ЧЕЛОВЕЧЕСТВУ (ИСТОРИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ КОСМИЧЕСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ В ИНТЕРЕСАХ СТРАНЫ, ОБЩЕСТВА, КАЖДОГО ЧЕЛОВЕКА)
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
На космические исследования, космические программы и запуски ракет тратиться очень иного ресурсов и средств. В проекте бюджета России 2017-го года на космическую деятельность заложено порядка 173,24 миллиардов рублей. Бюджет американской NASA составляет около 19,3 миллиарда долларов. Финансирование CNSA – Китайского космического агентства – составляет, по неофициальным данным, около 6 миллиардов долларов в год. Точные суммы ведомство не раскрывает. Европейское космическое агентство тоже не скупится: в прошлом году потратило 5,25 миллиарда долларов. Логичный вопрос: какая с этого польза обычному жителю планеты Земля? И какие результаты мы имеем уже сегодня.
1. Спутниковая картография
Спутниковая картография- это фотографирование поверхностей Земли из космоса. Человечество нуждалось в картах всегда. Сотни лет назад мореплаватели и путешественники уже нанесли расположение материков, большинства островов, крупных рек и гор. К началу 20 века «белых» мест на карте мира практически не осталось, но все-таки точность местоположения большинства объектов оставляла желать лучшего.Теперь, благодаря современной аппаратуре снимки получаются высокого разрешения и качества. На их основе (соединяя снимки вместе) делаются очень точные карты. Все спутниковые изображения, сделанные и опубликованные НАСА, распространяются как общественное достояние и совершенно свободны. Другие страны также проводят программы по спутниковой фотосъёмке (в частности, европейские страны совместно работают над проектами ERS (European Remote-Sensing Satellite) и Envisat). Также существует ряд частных компаний, выполняющих коммерческие проекты спутниковой фотосъёмки. В России для фотосъёмки использовались спутники серии Дон. К началу XXI века результаты спутниковой фотосъёмки получили широкое распространение благодаря общедоступности и простоте работы с ними, например, несколько картографических сайтов предоставляет бесплатный доступ к спутниковым фотографиям. Сегодня имея доступ в интернет даже с мобильного телефона эти изображения можно увидеть в приложении или на сайте — Google Maps, Яндекс.Карты и др. Отдельные сайты предоставляют лишь результаты спутниковой съёмки, позволяя работать с базами снимков: NASA World Wind(рис.1), TerraServer-US, Космоснимки, LandsatLook Viewer (USGS). Спутниковые изображения находят применение во многих отраслях деятельности — сельском хозяйстве, геологических и гидрологических исследованиях, лесоводстве, охране окружающей среды, планировке территорий, образовательных, разведывательных и военных целях. Такие изображения могут быть выполнены как в видимой части спектра, так и в ультрафиолетовой, инфракрасной и других частях диапазона. Также существуют различные карты рельефа, выполненные с помощью радарной съёмки.
Рис. 1
Спутниковая картография NASA World Wind
2. Спутниковая связь
Спутниковая связь – это космическая беспроводная связь, осуществляемая посредством передачи электромагнитных волн между ретранслятором на искусственном спутнике Земли и наземной станцией. Благодаря высокой орбите спутников связи и большому перекрытию земной поверхности такая связь доступна в любой точке Земли. В первые годы исследований использовались пассивные спутниковые ретрансляторы (примеры — спутники «Эхо» и «Эхо-2»), которые представляли собой простой отражатель радиосигнала (часто — металлическая или полимерная сфера с металлическим напылением), не несущий на борту какого-либо приёмопередающего оборудования. Такие спутники не получили распространения. Все современные спутники связи являются активными. Активные ретрансляторы оборудованы электронной аппаратурой для приема, обработки, усиления и ретрансляции сигнала. Благодаря этому по спутниковой связи можно не только говорить, как по мобильному телефону, но и передавать данные, поэтому в настоящее время большее распространение получили спутниковое телевидение, спутниковый интернет.Двухсторонний спутниковый интернет, телефония, корпоративная спутниковая сеть, мобильная спутниковая связь, видео-конференц-связь, аудио-конференц-связь, передача данных различного объема, спутниковые каналы связи – вот далеко не полный список возможностей спутниковой связи.И хотя телефонной спутниковой связи сейчас гораздо меньше распространены, чем обычная мобильная связь, но без них не обойтись в тех районах где нет вышек, мобильной связи: крайний Север, открытые океаны, Тайга, джунгли. Активно пользуются спутниковой связью на кораблях, самолётах, люди, работающие в отдалённых регионах. Телефон спутниковой связи выглядеть почти также как мобильный, но обязательной выносной антенной (как на телефонах 90-х годов). В спутниковой связи действуют те же законы, что и в сотовой, существует ряд операторов, оказывающих услуги спутниковой связи. Как правило, это те же компании, что запускают свои спутники в космос. У каждого из них свои особенности, свои минусы и плюсы. На данный момент, существует четверка основных операторов спутниковой связи, в их число входят: "Иридиум"(рис.2), Thuraya, "Глобалстар" и "Инмарсат". Спутниковое телевидение более распространенно комплект аппаратуры для приёма сигнала продаётся в магазинах электроники (Триколор ТВ, НТВ плюс). Спутниковый интернет также требует аппаратуры с принимающей антенной, позволяет быть независимым от интернет провайдеров и проводного подключения.
Рис.2 Спутниковая связь Иридиум
3. Глобальная система место определения (GPS)
Полное название Navstar Global Positioning System. Navstar (рис.3) — сокращенное название спутниковой навигационной системы для определения времени и расстояний (Navigation Satellite Time and Ranging System). С помощью компьютеров и спутников GPS она способна круглосуточно определять местоположение любого объекта на Земле.В основе системы GPS лежит идея о том, что можно определить точное местоположение объекта с помощью триангуляция (метода пеленгации нескольких целей тремя приемниками). Путем объединения сигналов группы спутников, триангуляции и спутниковой локации производится расчет местоположения объекта на Земле с помощью измерения расстояния от него до каждого из нескольких спутников, находящихся в космосе. Спутники действуют как точки привязки в пространстве. Знание расстояний от каждого из спутников до точки на земной поверхности позволяет точно определять местоположение объекта.Первоначально GPS была разработана в США для военных целей, но сегодня она доступна любому человеку в любой стране. Первый спутник, необходимый для работы GPS, был запущен в 1978 году. Сегодня вся система включает в себя 31 спутник Navstar плюс 3 активных спутника-дублера. Эти спутники выведены на орбиту высотой 22 180 километров и наклонением 55 градусов по отношению к экватору. При такой конфигурации по крайней мере четыре спутника всегда будут в зоне видимости приемника, находящегося в любой точке земного шара в любой момент времени. Ещё введены в эксплуатацию система места определения ГЛОНАСС(Россия): 23 активных спутника, на высоте 19 400 км; Galileo (Европа): 10 активных спутников, на высоте 23 222 км; Beidou (Китай): 20 активных спутников, на высоте от 21 500 км. Все эти системы дополняют друг друга, используются совместно. Приёмник сигнала GPS есть в любом современном мобильном телефоне или навигаторе благодаря ему пользователь может видеть своё местоположение и передвижение на карте. Используется водителями, путешественниками, в самолётах, кораблях и т.д.
Рис.3 NavstarGlobalPositioningSystem
2.4. Метеорология
Метеорология- прогнозирование погоды по данным, полученным со спутников. В течение последних 30 лет метеорологические спутники присылают информацию о погоде на Земле.С помощью искусственныхспутников Земли можно получить много дополнительной информации, причем не только над малонаселенными и труднодоступными участками земного шара. В частности, ИСЗ (искусственные спутники Земли) весьма оперативно обеспечивают получение данных о границе снежного покрова и всех её изменениях, об облачности атмосферных фронтов и циклонов, дополняя и уточняя данные сети наземных метеорологических станций. Очень существенна получаемая с ИСЗ информация о дымовых облаках над промышленными районами и над лесными массивами, возникающих в результате индустриального загрязнения воздуха и лесных пожаров. На снимках из космоса отчетливо видны очаги загрязнений над промышленными центрами, видно их перемещение, особенности структуры, позволяющие судить о концентрации примесей и высоте их распространения. Дымовые шлейфы от заводов, морских судов и пятна дымки промышленных загрязнений могут отчетливо видеть космонавты, но систематическое их изучение возможно только по космическим снимкам, на которых четко фиксируются все очаги загрязнений. В одной публикации НАСА говорится: «Эти спутники не только дают нам возможность лучше понимать нашу окружающую среду, но они также помогают нам защищаться от ее опасностей». В ней дальше замечается, что в 1969 году на миссисипское побережье Мексиканского залива обрушился ураган и причинил ущерб имуществу в 1,4 миллиарда американских долларов. «Но благодаря прогнозу метеорологического спутника жизнь потеряло только 256 человек, и большинство из них могли бы быть даже спасены, если обратили бы внимание на ранние предупреждения об эвакуации района». Конечно, эти преимущества могли бы использоваться и в других частях Земли, которые часто страдают от страшных воздействий муссонов и ураганов. В настоящее время за погодой следят шестнадцать спутников НАСА и два российских.
Рис.4 наблюдения со спутников погоды
2.5. Ближайшие перспективы
Основатель SpaceX Илон Маск представил проект сверхтяжелой Big Falcon Rocket (рис.5), у которой будет несколько «побочных» вариантов применения в том числе полеты между континентами Земли. Многоразовая ракета-носитель BFR высотой 106 метров, диаметром девять метров, с полезной нагрузкой до 150 тонн, по словам Маска, сможет вывести в космос межпланетный космический корабль, оборудованный 40 кабинами для астронавтов. Глава SpaceX уточнил, что в каждой такой кабине, скорее всего, поместятся два-три человека, таким образом, всего в корабле смогут разместиться около 100 человек. Из-за предельно низкой стоимости пусков и одновременно высокой грузоподъемности BFR она может использоваться для скоростных перевозок людей между удаленными друг от друга точками планеты. Как отметил предприниматель, топливо в таком случае требуется только для выхода в космос и приземления — в самом космосе сопротивление отсутствует, а установившаяся скорость составит 27 000 километров в час. Поэтому перемещение из одной точки планеты в другую будет занимать не более получаса для подавляющего большинства крупных городов мира и не более часа — для достижения любой точки Земли.
Также Россия собирается всерьёз и надолго заняться вопросом освоения Луны (рис.6). Первые высадки человека на Луну планируется совершить в 2030 году, после чего — начать развёртывание посещаемой лунной базы с лабораторией. Там, по словам Дмитрия Рогозина, планируется разместить инструментарий изучения глубин Вселенной, лабораторию изучения лунных минералов, метеоритов, опытное производство полезных веществ, газов, воды из реголита. Затем будут размещены испытательные полигоны для накопления и передачи энергии на расстояние, для испытаний новых двигателей. Задача, по словам Рогозина, грандиозная, архисложная и амбициозная, но при этом реализуемая. Она будет свидетельствовать о технологической зрелости России, о создании стратегического интеллектуального и промышленного задела для будущих поколений.Как отмечает Дмитрий, большинство российских учёных считают, что Луна — важнейший объект для фундаментальных научных исследований. Её происхождение во многом проливает свет на наиболее сложные вопросы космогонии: рождение Солнечной системы, её развитие и будущее. Кроме того, Луна — ближайший источник внеземного вещества, полезных ископаемых, минералов, летучих соединений, воды. Луна — естественная платформа для технологических исследований и испытаний новой космической техники. Мнение о необходимости освоения Луны разделяют также объединённая Европа, Китай, Япония, Индия
Рис. 5- Big Falcon Rocket
Рис. 6
Компьютерная графика Луны
6. Отдалённые перспективы
Заселение планет (чтобы сделать их пригодными для жизни человека) пока связанно с трудностями, которые современная наука пока не способна преодолеть. Люди уже высаживались на Луне, планируется дальнейшие пилотируемые полеты к Луне и Марсу. Возможно создание на них обитаемых баз(станций). Практическая перспектива- добыча полезных ископаемых. На Луне планируют добывать гелий. Редкие металлы планируют добывать с астероидов (за Марсом). Есть проект по добыче водорода на Юпитере. Хотя на нём невозможно сделать высадку, но можно построить орбитальную станцию в верхних слоях атмосферы. Имеющийся опыт создания орбитальных станций Земли позволит построить такие же станции вокруг других планет, что упростит и ускорит связь и транспортировку между ними и Землей.
Рис.7 Компьютерная графика Марса
Заключение
Возможно новейшие открытия в области физики позволят добиться больших скоростей в космических полётах, увеличение массы, которую смогут выводить в космос ракеты и это приблизит нас к освоению других планет и даже галактик.Прогресс не стоит на месте и исследования о космосе не стали исключением. Уже сейчас создаются сервисы на основе машинного обучения и нейронных сетей, которые способны самостоятельно добавлятьи изучать объекты.
Список использованных источников и литературы:
1.Вселенная. Большая серия знаний. / Коллектив авторов. – «Русское энциклопедическое товарищество», 2001; - ООО ТД «Издательство Мир книги», 2006.
2.Только факты. Необходимая информация всегда под рукой. / Гл. ред. Н. Ярошенко; перевод и издание на русском русском языке. – ЗАО «Издат. дом Ридерз Дайджест», 2008.
Ресурсы сети Интернет:
1)http://gagadget.com/how-it-works/28893-kak-sozdayutsya-kartyi-kratkaya-istoriya-kartografii/ (дата обращение 12.11.2017)
2)https://www.kp.ru/guide/sputnikovaja-svjaz.html (дата обращение 12.11.2017)
3)http://agrotehnology.com/tochnoe-zemledelie/ideologi/global-position-system-ili-po-nashemu-dzhi-pi-es-sistema-globalnogo-pozicionirovaniya-gps (дата обращение 12.11.2017)
4)http://mirznanii.com/a/114/ispolzovanie-iskusstvennykh-sputnikov-zemli-v-meteorologicheskikh-nablyudeniyakh-i-prognozakh-pogody (дата обращение 12.11.2017)
5)http://www.forbes.ru/tehnologii/350839-iz-nyu-yorka-v-moskvu-za-polchasa-raketa-ilona-maska-smozhet-peremeshchatsya (дата обращение 21.11.2017)
6)https://3dnews.ru/818248 (дата обращение 1.11.2017)