Эпоха космических полетов началась с запуска советского спутника в 1957 году. За прошедшие с тех пор 63 года человечество значительно продвинулось в освоении ближнего и исследовании дальнего космоса. Дополнительный импульс развитию космонавтики дал выход на рынок частных компаний, позволивший американцам возобновить пилотируемые полеты в космос. Современные космические аппараты используются не только для фундаментальных исследований, но и поддерживают систему связи, транслируют интернет и ТВ сигнал, поставляют данные для глобального позиционирования (GPS, ГЛОНАСС, Galileo и Beidou), прогнозируют погоду и выполняют множество других функций.
В зависимости от возложенной задачи искусственные спутники запускаются на различные по высоте орбиты. Среди наиболее распространенных космических аппаратов задействованных на орбите Земли можно выделить космические станции, космические корабли, астрономические обсерватории, исследовательские лаборатории и другие.
Для решения задачи обеспечения связи и добычи научных данных используются многочисленные непилотируемые спутники, летающие в автономном режиме, не требующем экипажей и дополнительного техобслуживания. Среди таких спутников выделяют научно-исследовательские, несущие исследовательское оборудование и космические телескопы, и прикладные космические аппараты, главная задача которых решение практических задач обеспечения связи, испытания оборудования.
Автономные искусственные спутники не требуют использования топлива, а их полет контролируется из центра управления, размещающегося на Земле. Для решения конкретной задачи спутники снаряжаются определенным оборудованием и системой связи, что и обуславливает их размеры. Масса спутников может составлять от 20 кг до нескольких тонн. Так первый искусственный советский аппарат под кодовым названием «Простейший Спутник-1» был снабжен только системой удаленной радиопередачи и имел массу 28 кг.
Для выведения спутников на орбиту используются многоступенчатые ракеты, доставляющие аппараты за пределы земной атмосферы и задающих необходимую траекторию движения. В дальнейшем спутники движутся за счет земного притяжения, а для коррекции орбиты используются маневровые двигатели, что позволяет избегать взаимного столкновения, а также столкновения с космическим мусором.
При движении искусственных спутников используется несколько орбит, которые определяются в зависимости от предназначения космического аппарата.
Низкая, околоземная орбита, высота которой составляет от 300 до 500 км над уровнем моря, была популярна на заре космонавтики, а в настоящее время применяется для спутников выполняющих задачи дистанционного зондирования земной поверхности и атмосферы.
Полярная орбита располагается в плоскости полюсов Земли. Угол наклона орбиты к плоскости экватора Земли близок к 90 градусам. Учитывая, что Земля имеет сплюснутую у полюсов форму, для этих спутников устанавливают различные скорости вращения, позволяющие проходить аппарату через заданную широту в одно и то же время.
Геостационарная орбита имеет высоту более 35 тысяч км, располагается в экваториальной плоскости и имеет всего две устойчивые точки, а на протяжении остального пути траектория поддерживается искусственно.
Сильноэллиптическая орбита, представляет собой по форме эллипс, что обусловливает различную высоту, которая зависит от траектории. Учитывая большой размер, позволяет иметь несколько спутников над одной территорией, которые предназначены в основном для предоставления телекоммуникационных услуг. На этих орбитах также находятся космические обсерватории, изучающие далекий космос.
Круглая орбита обеспечивает расположение спутников на постоянной высоте над поверхностью Земли.
Для выполнения различных задач используются конкретные орбиты. Наиболее значимой для научных и прикладных спутников является геостационарная орбита. В связи с этим, отработавшие свой срок спутники удаляются с этих орбит.
При решении задач глобального позиционирования применяют круглые орбиты, имеющие постоянную, заданную высоту, что в свою очередь обеспечивает оптимальные условия для трансляции сигнала. В системе GPS спутники находятся на высоте около 20 тысяч км, а скорость вращения обеспечивает каждому спутнику два оборота в сутки вокруг Земли. Для постоянной трансляции данных в одной плоскости задействовано 4 спутника.
Еще один класс космических аппаратов – это пилотируемые космические корабли и станции, главным отличием которых от спутников является необходимость создания условий для поддержания жизнедеятельности экипажа и обеспечения возможности возвращения космонавтов на Землю. В результате управляемые корабли получают значительно более низкую орбиту, чем большинство искусственных спутников. В задачу управляемых космических аппаратов входит осуществление научных и прикладных исследований, изучение дальнего космоса и наблюдение за небесными телами. Также постоянно изучается влияние на человеческий организм длительного пребывания в состоянии невесомости, что необходимо для будущих длительных полетов на другие планеты.
Первый в истории человечества управляемый космический аппарат «Восток 1» с Юрием Гагариным на борту, был запущен в апреле 1961 года с первой космической скоростью. Перигей (нижняя точка орбиты) корабля Гагарина составлял 175 км, а апогей (наиболее удаленная точка от поверхности Земли) составил 320 км.
В настоящее время в связи с активным освоением ближнего космоса на орбите Земли скопилось огромное количество мусора, что и является одной из причин повышения перигея пилотируемых полетов до 400 км. Также это обусловлено снижением влияния атмосферы Земли на космические аппараты при увеличении высоты орбиты.
