Насколько я понимаю, ваши требования таковы:

1. На станции действует 24-часовая система учета рабочего времени, разделенная на 3 смены по 8 часов каждая.
2. Каждая смена укомплектована членами стран, стоящих перед станцией в течение этой смены. Обычно это составляет 1/3 организаций Земли.
3. Станция должна вращаться вокруг Земли таким образом, чтобы наблюдать за всем вращением Земли. Вы ожидаете, что для этого он должен быть стационарным.

Обсуждение:

Точки Лагранжа.

В астрономии и орбитальной механике точки Лагранжа — это положения в орбитальной конфигурации, при которых объект остается неподвижным относительно других тел. Пункт 3 автоматически удаляет типичные орбитальные позиции, такие как низкая околоземная орбита и геосинхронная околоземная орбита. Это оставляет точки Лагранжа как естественный отбор; но таких точек 4 для Земли и Луны и еще 4 для Земли и Солнца.

Точки Лагранжа Земля-Луна

Если мы посмотрим на систему Земля-Луна, L1 — естественная точка для выбора станции. Он расположен между Землей и Луной, имеет относительно быстрый доступ к любому телу и может с легкостью наблюдать за полным вращением Земли. При этом L1 ставит 2 проблемы:

1. L1 — неустойчивая точка. Если спутник немного дрейфует, он может выпасть из L1 в сторону Земли или Луны по нестабильной эллиптической орбите. К сожалению, это относится ко всем точкам Лагранжа, но не в равной степени. В зависимости от вашего научно-фантастического сценария это может не быть проблемой, если предположить, что станция имеет базовую мощность тяги, позволяющую удерживать ее в пределах точки Лагранжа.
2. L1 сильно связана с 27-дневной орбитой Луны. Как прямой результат, с точки зрения станции, за 24 часа она совершит 13,3-градусное движение вокруг Земли, в то время как Земля повернется на полные 360 градусов. Что касается станции, то она будет наблюдать за вращением Земли на 360-13,3 градуса или 346 градусов. Это означает, что если бы нулевой меридиан находился прямо под станцией, через 24 часа станции 13-я долгота была бы под ней, а через 48 часов — 26-я долгота и т. д. Для сравнения, это поместит Гринвич в 00:00. , ~ Неаполь, Италия, в 24:00, Бухарест, Румыния, в 48:00 и Мекка, Саудовская Аравия, в 72:00. Как вы понимаете, это нарушило бы предложенный равный баланс между сменами и мировыми державами. К сожалению, это относится и к каждой другой точке Лагранжа. ДАЛЬНЕЙШЕЕ ОБСУЖДЕНИЕ В НИЖНЕЙ ЧАСТИ ПОСТА

Точки Лагранжа Земля-Солнце

Если мы посмотрим на систему Земля-Солнце, многие из тех же точек для системы Земля-Луна по-прежнему применимы. Единственная существенная разница здесь — расстояние. Для Земли-Луны L1 составляет 326 390 км от Земли до Луны. Для системы Солнце-Земля L1 составляет 57 689 000 км от Земли до Солнца. Это поместит спутник далеко за пределы системы Земля-Луна.

Солнце-Земля L1

Для точки Солнце-Земля L1 1-й аргумент применим в равной степени; но второй аргумент почти исключен. Период обращения точки Лагранжа Земля-Солнце составляет 1 год или 365,25 дня. Следовательно, в течение одного 24-часового рабочего дня станция и Земля сместятся примерно на 1 градус по орбите. Это выходит около 1 дня для Земли. Технически примерно через полгода, в 00:00 часов, будет видна другая сторона земли; но теперь это резко сведено к минимуму.

ЭМ-излучение

К сожалению, L1 для системы Солнце-Земля испытывает сильное электромагнитное излучение.

Ответ: Солнце-Земля L2.

Если бы станцию ​​разместили на уровне L2, она сохраняла бы близкую синхронность с вращением Земли, не подвергаясь воздействию электромагнитного излучения на уровне L1. Замечу, что станция будет в 176 раз дальше от Земли, чем на L2 Земля-Луна; но вопрос о том, является ли это проблемой для вашего мира, зависит от вас.

Исправления:

Технически я предполагал, что орбита Земли идеально круглая. На самом деле это не так; это немного эксцентрично. В результате, когда Земля находится ближе к Солнцу в северные зимние месяцы, она движется намного быстрее, поэтому проходит больше радиальных градусов в день, а когда Земля находится дальше от Солнца в северные летние месяцы, она движется медленнее. В результате мои расчеты не будут точными; однако, учитывая задействованные астрономические масштабы, диапазон ошибок достаточно мал, чтобы его можно было квалифицировать как поверхностный расчет.

Обсуждение L1 Logistics

Вот диаграмма, которую я нарисовал: Принципиально, поскольку L1 вращается вокруг Луны, каждые 24 часа точки A, B, C, D всегда возвращаются в одно и то же положение; но станция будет вращаться под углом 13 градусов к отмеченным позициям L1, каждая над точками A, B, C и D соответственно. Теперь предположим, что у нас есть три смены, каждая из которых представляет страны голубого (CY), пурпурного (MG) и желтого (YW) наций ниже; и предположим, что смены отмечены как CY с 00:00 до 08:00, MG с 08:00 до 16:00 и YW с 16:00 до 24:00. Это означает, что через 9 дней Земля совершит 9 оборотов и окажется в том же положении; но станция пройдет 119,7 градусов вокруг Земли, или ~ 1/3 своей орбиты.В результате, когда CY начнет свою смену в 00:00 часов, они обнаружат, что прямо под ними находится начало территории MG . Обычно это указывает на то, что они заканчивают свою смену, а смена MG вот-вот начнется; но время станции 00:00. Если вы выберете L1, ваша станция должна будет использовать день 23.11 H со сменами каждые 7,7 часов (7 часов 42 минуты), чтобы гарантировать, что смены начинаются и заканчиваются над их соответствующими территориями.

Учитывая требование осмотреть всю Землю один раз в 24 часа, я вижу только два решения.

Вы можете либо выиграть 15 градусов (1 час) в час на вращении планеты, либо потерять 15 градусов в час.

Первый требует, чтобы вы эффективно (и точно) «обогнули» планету за один день ее вращения, а это означает, что вам нужно двигаться точно в два раза быстрее. Это переводит вас на 12-часовую орбиту вокруг планеты, что означает, что вы делаете 2 орбиты за один оборот Земли, что позволяет вам видеть каждую точку Земли, видя ее по 12 часов (180 градусов) на каждой орбите. Орбитальное расстояние 20 200 км (приблизительно) . Это позволяет выполнить требование «около Земли» и является стабильным и безопасным вариантом.

Последнее вынуждает вас выйти на солнечную орбиту, так как у вас нет эффективного движения относительно Земли ¹ . Однако вы не можете просто разделить орбиту, вам нужно сидеть в одном из гравитационно-нейтральных мест, иначе вы в конечном итоге столкнетесь с планетой, с которой делите орбиту. Эти безопасные места известны как точки Лагранжа и пронумерованы от L1 до L5 в зависимости от местоположения, показанного на изображении ниже, очерченного гравитационными контурами.

L3 находится не на той стороне Солнца, так что мы это спишем со счетов. L4 и L5 находятся на 60 градусов впереди и позади планеты соответственно, и они стабильны , но помещают вас слишком далеко, чтобы быть полезными. У них также есть недостаток в том, что они часто заняты троянами . L1, L2 ближе, но нестабильны , L2 более устойчив, чем L1. Это нарушает требование «около Земли», но, по-видимому, это то, что вы ищете.

Кстати, НАСА рекомендует L5 для долгосрочного проживания.

¹ Это проблема трех тел, телами являются Солнце, Земля и космическая станция. Солнце — это исходная точка, используемая для определения относительного движения других тел, а не вращения Земли.

Название вопроса и сам вопрос , похоже, не совпадают.

Если разные страны видны в разное время суток, то станция не остается "положенной". Если вы хотите, чтобы он «стоял на месте», вам нужна геостационарная орбита на высоте 35 786 км.

Если, с другой стороны, вы не хотите, чтобы он «оставался на месте», но вы хотите, чтобы он пролетал над одной и той же частью Земли в одно и то же время каждый день, это совсем другое дело. В частности, похоже, что вы хотите, чтобы он совершал один оборот относительно системы координат, вращающейся вместе с землей, один раз в день, чтобы он проходил над каждой линией долготы каждые 24 часа.

Есть два способа сделать это: вы можете аппроксимировать это, двигаясь по орбите очень далеко — например, так же далеко, как Луна, или дальше, так что для всех практических целей станция будет полностью стационарной, а Земля вращается под ней. Если вы поместите его в любую из точек Лагранжа Земля-Солнце, это сработает идеально, но ближайшая из них (точка L1 на линии между Землей и Солнцем) находится на расстоянии около 1,5 миллиона километров. Не очень практично, если вам нужно общаться с землей почти в реальном времени или если вам нужно четко видеть вещи.

Вероятно, лучшим решением будет использование 12-часовой солнечно-синхронной (или полусинхронной ) орбиты. Таким образом, после одного оборота в том же положении по отношению к Солнцу (примерно на 2 минуты дольше, чем одна звездная орбита) Земля совершит половину оборота, и вы пройдете 1/2 Земли вдоль путь. А второй виток вы пролетите над другой половиной Земли. Таким образом, ваши три смены будут разделены на 2 орбиты.

Примерная высота такой орбиты 20 200 км.

Итак, согласно этому сайту , одна из формул для расчета свойств орбиты спутника выглядит следующим образом:

T^2/R^3 = (4*pi^2)/G*Mcen

T = период обращения в секундах

R = средний радиус в метрах

G = гравитационная постоянная

Mcen = масса тела, вокруг которого будет вращаться орбита (в данном случае Земля).

Мы знаем G и Mcen, и мы хотим, чтобы T было таким, чтобы с вашей точки зрения на Земле выход на орбиту занимал 24 часа. Мы могли бы либо вращаться медленнее, чем вращается Земля, но мы должны были бы находиться так далеко, что мы фактически стационарны, что было рассмотрено в других ответах. Другой вариант — двигаться быстрее, чем вращается Земля (точнее, в два раза быстрее), поэтому нам нужно будет совершить два оборота по орбите за 24 часа, что дает нам период обращения 12 часов.

Это потому, что орбита, пространство и все остальное описывается с точки зрения. Вот почему люди какое-то время думали, что Солнце вращается вокруг Земли, прежде чем мы поняли, что вращаемся вокруг него и вращаемся, вызывая тот же эффект. С точки зрения Луны она остается неподвижной, а Земля медленно вращается на небе. С точки зрения Земли, ваши станции проходят по небу ровно один раз в день в одно и то же время. С точки зрения какого-то отдаленного наблюдателя за пределами Солнечной системы Земля делает один оборот за двадцать четыре часа, а ваша станция делает один оборот вокруг нее за 48 часов. Движение в космосе зависит от перспективы.

Таким образом, вставив все числа: (12 часов равно)

43200 ^ 2 / R ^ 3 = (4 * пи ^ 2) / (6,673 x 10-11 * 5,972 × 10 ^ 24)

Умножьте G и Mcen:

43200 ^ 2 / R ^ 3 = (4 * пи ^ 2) / 3,9851156 * 10 ^ 14

Умножьте каждую сторону на GMcen и R^3:

43200 ^ 2 * 3,9851156 * 10 ^ 14 = 4 * пи ^ 2 * R ^ 3

Умножить левую часть

7,43718 * 10 ^ 23 = 4 * пи ^ 2 * R ^ 3

Разделите обе части на 4*pi^2.

1,88386*10^22 = R^3

кубический корень все

26608243,6243 = Р

Теперь у нас есть средний радиус орбиты 26 608 243,6243 метра. Хотя это из центра Земли. Радиус Земли составляет 6,371 миллиона метров, поэтому вычтите его, и мы получим приблизительную высоту для вашей станции в 20,2 тысячи километров .

Это своего рода альтернатива ответу Карима Элашмави.
Как они отмечают, лучшее, что вы можете сделать с одной станцией, — это поместить ее в одну из точек Лагранжа, но у них есть проблемы.

Точка Земля/Солнце L1 находится слишком далеко от Земли и имеет довольно высокое излучение.
Точка Земля/Солнце L2 имеет более низкое излучение, но также находится далеко, и вы всегда будете видеть только ночную сторону Земли.
Точка L1 Земля/Луна будет достаточно близко, но вы будете привязаны к лунному циклу день/ночь, который длится 28 дней, поэтому половину цикла вы будете видеть дневной стороной Земли, а половину цикла — дневной стороной Земли. увидел бы ночную сторону Земли, которая не идеальна.
Ни одна из этих точек не является стабильной, поэтому вам придется постоянно следить за своим положением и вносить поправки, чтобы оставаться на месте.

Если вы не хотите использовать технологию магического уровня, у вас не может быть орбиты, которая остается исключительно между Землей и Солнцем и находится в пределах орбиты Луны. По сути, вам придется постоянно расходовать тягу, чтобы зависнуть в этом положении.

Поэтому я хотел бы предложить решение «PQ»; Иметь три космические станции на геостационарной орбите. Каждая станция будет оставаться активной, пока наблюдаемая ею часть земного шара находится в дневное время. У этого есть дополнительное преимущество, заключающееся в том, что не будет обратной стороны планеты, которую не могла бы видеть ни одна из станций, что может быть полезно для аварийных ситуаций и управления дорожным движением.

Вы хотите, чтобы ваша станция наблюдала один полный оборот Земли. Я понимаю, что это означает, что за один день люди на станции видят, как вся земля проходит под ними.

Геостационарная орбита

представляет собой круговую орбиту на высоте 35 786 километров (22 236 миль) над экватором Земли и следует направлению вращения Земли.

Это помогает мне увидеть это. Вот мое изображение с Землей в виде циферблата. Станция вращается по орбите, удерживая 12 под собой, когда Земля вращается. Чтобы оставаться выше 12, станция должна совершить оборот вокруг Земли за 1 день.

Теперь используйте тот же 24-часовой орбитальный путь на высоте 35 786 км, который используют геостационарные спутники, но пойдите ретроградно . Это опасные орбиты!

Тем не менее спутник на ретроградной орбите может представлять серьезную опасность для других спутников, особенно если он находится в поясе Кларка, где вращаются геостационарные спутники.

Теперь спутник движется против вращения Земли. В 12 часов спутник снова окажется над своей начальной точкой, увидев, как под ним вращается половина всей Земли. Затем он видит, как другая половина всей земли снова движется мимо и через 24 часа снова оказывается над исходной точкой.

Это отвечает на вопрос, что станция действительно совершает одно вращение каждый день. А потом еще один, в тот же день. В вопросе не указывается «одна и только одна» ротация за день.

Эммм... ладно, я думаю, что единственное решение - поместить его на отдельную, но ориентированную на Землю орбиту, так что либо L4, либо L5 на троянской орбите, либо L3 .на обратной стороне Солнца. Все эти положения позволяют осуществлять неинтерпретированное наблюдение Земли и стабильную пространственную связь между станцией и Землей, но ни одно из них не вращается вокруг Земли. Любая орбита Земли будет иметь период смещения, поэтому станция не сможет работать по часам, согласованным с Землей, станция будет облетать Землю за 12 часов, пока мир вращается, или какой-либо другой период, не соответствующий наблюдениям. L1 и L2 также отвечают всем требованиям с точки зрения орбитальной стабильности, но они сами по себе нестабильны из-за лунной гравитации, хотя они намного ближе к Земле, и стоимость топлива для поддержания положения в зоне Лагранжа может стоить того, чтобы уменьшить сигнал задержки (сигналам скорости света требуется 32 минуты для прохождения туда и обратно на L3, что-то порядка 11 минут для троянцев, 10 секунд для L1 и L2).

На самом деле 48-часовая экваториальная орбита (вдоль истинного экватора вращения), которая следует за орбитой Земли, должна иметь «время круга» 24 часа, я думаю, что это удовлетворяет ваши потребности. Итак, радиус орбиты примерно 67000 км, скорость 2,5 км/с, совмещенная с вращением Земли, кто-то, вероятно, укажет, почему это на самом деле не работает, но это работает в моей голове и, кажется, работает на бумаге. Станция совершает оборот вокруг Земли за 48 часов, но время полета будет соответствовать 24-часовому циклу.

Вы упомянули, что это научно-фантастический проект, поэтому я подойду к этому вопросу скорее как писатель, чем как астрофизик. Самый простой способ, которым я мог бы объяснить механику, состоял бы в том, чтобы изначально разместить станцию ​​над международной линией перемены дат. Затем поддерживайте геосинхронную орбиту, противоположную вращению Земли, но лишь настолько, чтобы через 12 часов международная линия перемены дат (потому что линия огибает земной шар) снова проходила под станцией. Через 24 часа станция должна вернуться туда, где она изначально находилась над международной линией перемены дат.

Немного другой ответ, чем другие.

Два возможных места для станции на орбите Земли, которые будут почти соответствовать вашим требованиям.

Один из них — построить станцию ​​на Луне стороной, постоянно обращенной к Земле. Другой — установить свою космическую станцию ​​на той же орбите, что и Луна, но на противоположной стороне Земли. Вероятно, для поддержания орбиты потребуется некоторое активное поддержание станции.

Я полагаю, что для обоих этих мест время, которое потребуется станции, чтобы снова оказаться прямо над одной и той же точкой на Земле, составляет чуть менее 25 часов (разделено на три смены по 8 часов 20 минут, которые включают небольшое перекрытие).

Это означает, что будет происходить постепенный сдвиг в том, какой Shift отвечает за какие части планеты. Однако, если абсолютно необходимо, чтобы одни и те же люди работали в одних и тех же частях планеты, было бы довольно просто настроить графики смен для перемещения персонала из одной смены в другую в соответствии с их географией.

С избыточным персоналом в каждой смене (в любом случае это необходимо для болезни, отгулов, отпуска на Землю и случайных похищений инопланетянами) запланировать такую ​​смену абсолютно тривиально.

Не совсем понятно, что именно вы подразумеваете под «оно останется относительно Земли» (я также не понял связанную ссылку).

• Если вы хотите, чтобы СС была зафиксирована относительно Земли, чтобы она казалась «подвешенной» в фиксированной точке, вам нужна геостационарная орбита. Обратите внимание , что круговая геосинхронная орбита будет казаться фиксированной, хороший вариант - иметь геосинхронную орбиту с большим эксцентриситетом, которая будет рисовать вертикальную «восьмерку» на Земле, затрачивая на одну гораздо больше времени, чем на другую; это используется для того, чтобы спутник находился «в основном» над США и Канадой, пролетая над Бразилией в течение гораздо более короткого периода времени.
• Если вы хотите оставаться фиксированным относительно оси Земля-Солнце, чтобы казалось, что оно проходит над определенной точкой всегда в одно и то же время суток, тогда вам нужно поместить вашу станцию ​​в положение Лагранжа на орбите Земли; в этом случае вам лучше всего подойдет L1 (между Землей и Солнцем), который находится ближе всего к Земле, чуть дальше орбиты Луны; примечание : L1 — это неустойчивое положение, поэтому его необходимо активно удерживать с помощью двигателей ориентации или подобных устройств.
• Разумным компромиссом было бы "зафиксировать" систему Земля-Луна, в этом случае рекомендуются позиции L4/L5; У вас будет небольшая ежедневная задержка в положении СС по отношению к системе Земля-Солнце, но она будет ближе (на том же расстоянии, что и Луна) и на стабильной орбите (коррекция не требуется).

Уточните, пожалуйста, какая альтернатива вам нужна.