РЕТРАНСЛЯТОР
«ТЕЛСТАР», «СИНКОМ» И ГЕОСТАЦИОНАРНАЯ ОРБИТА

Чем дальше орбита спутника, тем дольше длится виток. Где-то период должен сравняться с одним оборотом Земли, и спутник там, над экватором, будет висеть над одной точкой, словно на вершине невидимой башни. Герман Поточник, писавший под именем Германа Нордунга, в книге, датированной 1929 годом, поместил свою космическую станцию именно туда: 42 300 км от центра Земли, скорость 3080 м/с, «ровно 35 900 км над поверхностью Земли» — и представлял, как она связывается с Землёй на коротких волнах [1].

В октябре 1945 года Артур Кларк превратил эту идею в инженерное предложение в журнале Wireless World: орбита «радиусом 42 000 км имеет период ровно 24 часа»; одна станция покрыла бы полушарие, а три — над 30° в. д., 150° в. д. и 90° з. д. — весь мир, при мощности для вещания около 1,2 кВт [2]. Ни у того, ни у другого не было ракеты, способной туда долететь. Остальная часть справочника — двадцать лет, ушедших на то, чтобы её построить, и обходные пути.

Низкий спутник облетает Землю за полтора часа и проносится по небу. Поднимите его — и период растёт как степень 3/2 от размера орбиты, а скорость падает. Двигайте высоту: ниже 35 786 км спутник обгоняет вращающуюся Землю и смещается над ней к востоку, выше — отстаёт и смещается к западу. Смещение исчезает только на одной высоте.

Первые спутники связи лежат на той же кривой. Для эллиптической орбиты берите среднее самой низкой и самой высокой точек: орбита «Эхо-1» 1524 × 1684 км длится 118,3 минуты [3], «Телстара» 954 × 5637 км — около 158 [4], «Релея-1» 1322 × 7439 км — 185 [7]. Метки ниже рассчитаны по этим высотам; опубликованные периоды совпадают с точностью до десятой доли минуты.

Первый ретранслятор на орбите вообще не нёс электроники. «Эхо-1», запущенный 12 августа 1960 года, был шаром диаметром 30,48 м из майларовой плёнки толщиной 0,0127 мм и просто отражал радиосигналы между наземными станциями [3]. Зеркало дёшево, но теряет почти всё: сигнал рассеивается и по пути вверх, и снова по пути вниз. «Телстар-1», построенный в Bell Laboratories компании AT&T и запущенный 10 июля 1962 года, был активным ретранслятором — шаром диаметром 34,5 дюйма и массой 171 фунт, покрытым солнечными элементами [4], который усиливал принятый сигнал примерно в десять миллиардов раз и отправлял обратно [5].

«Телстар» летал по наклонной эллиптической орбите 593 × 3503 мили (954 × 5637 км) [4]. Чтобы ловить его, AT&T построила в Андовере (штат Мэн) рупорную антенну высотой с семиэтажный дом и массой 340 тонн, поворачивавшуюся под радиопрозрачным куполом высотой 160 футов [5]; её близнец стоял в Плёмёр-Боду в Бретани [22]. 11 июля первый трансатлантический телевизионный сигнал достиг Франции [5], а 23 июля вышла первая публичная прямая трансляция [6] — пригодная лишь примерно по 18 минут, пока «Телстар» был виден с обеих сторон океана [4].

«Телстар» прожил недолго. 9 июля 1962 года, за день до его запуска, США взорвали бомбу мощностью 1,4 мегатонны на высоте 400 км над Тихим океаном — испытание «Старфиш Прайм». Его электроны наполнили радиационные пояса потоком в сто раз больше предсказанного, а орбита «Телстара» проводила его через них на каждом витке. Часть его транзисторов отказала; инженеры нашли обходной путь, но повреждения накапливались, и в феврале 1963 года «Телстар» замолчал навсегда [6].

Собственный «Релей-1» НАСА, запущенный 13 декабря 1962 года на орбиту 1322 × 7439 км с наклонением 47,5°, наряду с ретранслятором нёс детекторы излучения, чтобы картировать те же пояса [7]. У средней орбиты есть преимущества — меньше высота, меньше задержка, меньше ракета, — но каждой наземной станции нужна поворотная антенна, а для непрерывной связи — много спутников: Джон Пирс из Bell Labs насчитал около 25 [6].

«Синком» фирмы Hughes Aircraft был противоположной ставкой: маленький вращающийся цилиндр диаметром 71 см и массой 68 кг с топливом, 29 Вт от солнечных элементов и ёмкостью в один двусторонний телефонный разговор [8][23]. «Синком-2», запущенный 26 июля 1963 года, вышел на 24-часовую орбиту и 16 августа остановился над 55° з. д. — первый геосинхронный спутник. Но его орбита была наклонена к экватору на 33°, и каждые сутки он рисовал высокую узкую восьмёрку от 33° с. ш. до 33° ю. ш. [8].

«Синком-3», запущенный 19 августа 1964 года, после бокового манёвра третьей ступени ракеты имел наклон 16°; остальное убрали его апогейный двигатель и двигатели ориентации, и он вышел на наклонение 0,1° над экватором на долготе 180° — первый геостационарный спутник. Той осенью он передавал через Тихий океан прямые телетрансляции Олимпиады в Токио [9]. 6 апреля 1965 года за ним последовал коммерческий вариант — «Эрли Бёрд», позднее «Интелсат-1», с 240 телефонными каналами или одним телевизионным, для точки 28° з. д.; он вступил в строй 28 июня, был рассчитан на 18 месяцев и проработал почти четыре года [10][11].

Геостационарный спутник не остаётся геостационарным сам по себе. Луна и Солнце выводят его орбиту из плоскости экватора: если ничего не делать, наклон орбиты нарастает примерно до 15° и возвращается обратно за 53 года [18]. «Синком-3» и «Эрли Бёрд» выключены в 1969 году, и с тех пор ими никто не управлял; по элементам CelesTrak за октябрь 2026 года их наклонения 7,27° и 7,46° [21] — как раз то, что предсказывает 53-летний цикл примерно через 62 года. Работающие спутники каждые несколько недель тратят топливо, чтобы гасить этот дрейф, поэтому срок жизни геостационарного спутника обычно заканчивает топливо, а не электроника.

Восьмёрка — не просто курьёз. Наклонный синхронный спутник в течение суток качается к северу и к югу, и наземная антенна с узким лучом должна за ним следить — ровно то, от чего должна была избавить геостационарная орбита. Некоторые операторы в конце срока службы спутника сознательно перестают исправлять наклон, чтобы сэкономить топливо, и мирятся со следящими антеннами. Суточное качание «Синкома-2» на ±33° — крайний случай.

Геостационарный спутник стоит над экватором, поэтому чем севернее вы живёте, тем ниже он висит на вашем небе; севернее примерно 81° он вообще под горизонтом (глава 06). Из Москвы на 55,75° с. ш. он поднимается не выше 26° над горизонтом; из Норильска, за Полярным кругом, — едва на 12°, достаточно низко, чтобы его закрывали холмы и здания. Для страны, раскинувшейся на севере, экватор — неудачное место для ретранслятора.

Советским ответом стал длинный эллипс с наклонением 63,4°, периодом 12 часов и эксцентриситетом 0,722 [13]. Перигей — низко над южным полушарием; апогей, почти в 40 000 км, — высоко над северным, где спутник движется медленнее всего и задерживается на часы. «Молния-1», запущенная 23 апреля 1965 года, передавала телевидение между Москвой и Дальним Востоком [12]; первые спутники «Молния-1» на самом деле летали с наклонением около 65° — достаточно близко к критическому, чтобы их апогей смещался лишь на несколько градусов в год [24]; с 1967 года сеть «Орбита» — сначала 20 приёмных станций, через десять лет уже 73 — доставляла московские программы на Крайний Север, в Сибирь, на Дальний Восток, Урал и в Среднюю Азию [14].

С высоты 35 786 км спутник видит Землю шаром размером 17°. Его горизонт простирается на 81,3° дуги от точки под ним, и он может обслуживать шапку, покрывающую 42 % планеты, — «половину земного шара» Кларка за вычетом полосы у края, где спутник слишком низко на небе. Наземным антеннам обычно нужно, чтобы он был хотя бы на 5–10° над горизонтом. Три спутника через 120° и тогда перекрываются вдоль экватора, как и писал Кларк [2]; но полюса не покрываются никогда.

Цена — расстояние. Вверх к спутнику и обратно вниз — не меньше 71 572 км, около 0,24 с со скоростью света, и почти 0,28 с между станциями на краю зоны обзора. Вопрос и ответ проходят вверх-вниз дважды — около полусекунды (0,48–0,56 с), знакомая пауза спутникового телефонного разговора. Двигайте ниже минимальный угол места и широту наземной станции.

У каждого спутника есть своя позиция, и за ней следят. Геостационарный спутник с лицензией США должен держаться в пределах 0,05° от назначенной долготы по направлению восток–запад [20] — на таком расстоянии это коридор шириной около 37 км, чтобы антеннам на Земле никогда не приходилось поворачиваться. Выше и ниже кольца Межагентский координационный комитет по космическому мусору защищает полосу глубиной 200 км и шириной 15° по обе стороны экватора; отслужившие спутники полагается поднимать из неё [19].

По состоянию на октябрь 2026 года в списке активных геосинхронных спутников CelesTrak 568 объектов; 326 из них удерживаются в пределах 0,1° от экватора и 369 — в пределах 1° [21]. При равномерном распределении это был бы один спутник на каждые 0,63° долготы — по нескольку сотен километров друг от друга на кольце длиной 265 000 км; на деле они скапливаются над океанами и континентами, за доступ к которым платят.