Орбиты и орбитальные манёвры

Как космические аппараты движутся по орбитам: типы орбит, орбитальная скорость, переход Гомана, гравитационные манёвры, аэродинамическое торможение и почему стыковка требует сначала «тормозить».

Орбита — траектория, по которой тело движется в поле тяготения другого тела. Спутник на орбите не «висит» в невесомости, а постоянно падает, но Земля уходит из-под него так же быстро («Законы Кеплера», «Космические скорости»).

Типы околоземных орбит

  • Низкая (LEO) — высота от 200 до 2000 км. Скорость около 7,7–7,8 км/с, оборот за полтора часа. Здесь работает МКС (около 400 км).
  • Средняя (MEO) — навигационные спутники на высоте около 20 000 км, оборот за 12 часов («Спутники в быту»).
  • Геостационарная (GEO) — 35 786 км над экватором, оборот за сутки: спутник «висит» над одной точкой.
  • Солнечно-синхронная — полярная орбита высотой около 600–800 км, на которой спутник проходит над каждым местом в одно и то же местное время: удобна для съёмки Земли.
  • Высокоэллиптические орбиты, как «Молния», удобны для связи в высоких широтах.

Чем выше орбита, тем медленнее скорость: у геостационарной она около 3 км/с. Но поднять спутник выше труднее: нужно больше энергии.

Как переходят с орбиты на орбиту

Самый экономичный манёвр между двумя круговыми орбитами — переход Гомана (описан Вальтером Гоманом, 1925): два коротких включения двигателя. Первое переводит аппарат на эллиптическую орбиту, которая касается целевой, второе на другом конце эллипса «подправляет» её в круг. Для полёта от низкой орбиты Земли до геостационарной суммарный запас скорости около 4 км/с. Этот запас скорости (дельта-v) — главная валюта космического полёта: именно он определяет, сколько топлива нужно («Ракеты и двигатели»).

Орбитальная механика непривычна: чтобы догнать корабль впереди, нужно не ускориться, а затормозить: на более низкой орбите период меньше. Так выполняют стыковку.

Гравитационный манёвр

Аппарат пролетает рядом с планетой и забирает у неё немного энергии: планета при этом замедляется на неуловимо малую величину. Так космические зонды набирают скорость без топлива. Voyager-2 воспользовался выстроившимися планетами и посетил четыре планеты-гиганта («Вояджеры»); Cassini к Сатурну летел с манёврами у Венеры, Земли и Юпитера, а аппарат Juice — у Луны, Земли и Венеры («Juice и Europa Clipper»).

Торможение в атмосфере

Чтобы выйти на орбиту планеты с атмосферой, можно не сжигать много топлива, а многократно проходить через верхние слои воздуха: аэродинамическое торможение понемногу уменьшает орбиту. Так делали орбитальные аппараты Марса («Орбитальные аппараты Марса»). Это же замедляет и спутники на низкой орбите: без подъёма орбиты они сходят с неё, и именно так мусор убирается сам («Космический мусор»).

Источники