Войти
В астродинамике, удержание орбитальной станции - это орбитальные маневры, совершаемые поджиганием двигателя, которые необходимы для удержания космического корабля на определенной орбите.
. Для многих спутников Земли, эффекты не кеплеровских сил, то есть отклонения силы тяжести Земли от силы тяжести однородной сферы, гравитационные силы Солнца / Луны, солнечного излучения необходимо противодействовать давлению и сопротивлению воздуха .
Отклонение гравитационного поля Земли от поля однородной сферы и гравитационные силы от Солнца и Луны в целом будут возмущать плоскость орбиты. Для солнечно-синхронной орбиты прецессия орбитальной плоскости, вызванная сжатием Земли, является желательной особенностью, которая является частью проекта миссии, но изменение наклона, вызванное гравитационными силами Солнца и Луны. нежелательно. Для геостационарного космического корабля изменению наклона, вызванному гравитационными силами Солнца и Луны, необходимо противодействовать довольно большим расходом топлива, поскольку наклон должен быть достаточно малым, чтобы космический корабль мог отслеживаться не -управляемые усики.
Для космических аппаратов на низкой орбите, эффекты атмосферного сопротивления должны часто компенсироваться, часто во избежание повторного входа в атмосферу; для миссий, требующих точной синхронизации орбиты с вращением Земли, это необходимо для предотвращения сокращения орбитального периода.
Давление солнечного излучения, как правило, влияет на эксцентриситет (то есть вектор эксцентриситета); см. Анализ орбитальных возмущений (космический аппарат). В некоторых миссиях этому нужно активно противодействовать с помощью маневров. Для геостационарного космического корабля эксцентриситет должен быть достаточно малым, чтобы космический корабль можно было отслеживать с помощью неуправляемой антенны. Также для космического корабля наблюдения Земли, для которого желательна очень повторяющаяся орбита с фиксированной наземной траекторией, вектор эксцентриситета следует сохранять как можно более фиксированным. Большая часть этой компенсации может быть выполнена с использованием конструкции замороженной орбиты, но часто для точных маневров управления необходимы двигатели.
Для космических аппаратов, находящихся на гало-орбите вокруг точки Лагранжа, удержание станции является еще более важным, поскольку такая орбита нестабильна; без активного управления с включением двигателя малейшее отклонение в положении или скорости привело бы к тому, что космический корабль полностью покинул орбиту.
Для космического корабля, находящегося на очень низкой орбите, атмосферное сопротивление достаточно велико, чтобы вызвать повторный вход в атмосферу до предполагаемого окончания миссии, если время от времени не выполняются маневры по поднятию орбиты.
Примером этого является Международная космическая станция (МКС), рабочая высота которой над поверхностью Земли составляет от 330 до 410 км. Из-за сопротивления атмосферы космическая станция постоянно теряет орбитальную энергию. Чтобы компенсировать эту потерю, которая в конечном итоге привела бы к повторному входу в станцию, время от времени ее повторно запускали на более высокую орбиту. Выбранная орбитальная высота - это компромисс между средней тягой, необходимой для противодействия сопротивлению воздуха, и дельта-v, необходимой для отправки грузов и людей на станцию.
GOCE, который вращался на высоте 255 км (позже сокращен до 235 км), использовал ионные двигатели для обеспечения тяги до 20 мН для компенсации лобового сопротивления около 1 м.
Для космических аппаратов наблюдения Земли, которые обычно работают на высоте около 700-800 км над поверхностью Земли, сопротивление воздуха очень велико. обморок и возвращение в атмосферу из-за сопротивления воздуха не являются проблемой. Но если орбитальный период должен быть синхронным с вращением Земли для поддержания фиксированной наземной линии пути, слабому сопротивлению воздуха на этой большой высоте также необходимо противодействовать маневрами подъема орбиты в виде ожогов двигателя. по касательной к орбите. Эти маневры будут очень небольшими, обычно порядка нескольких мм / с дельта-v. Если используется конструкция замороженной орбиты, этих очень небольших маневров подъема орбиты достаточно, чтобы также контролировать вектор эксцентриситета.
Для сохранения фиксированной линии пути необходимо также выполнять маневры вне плоскости, чтобы компенсировать изменение наклона, вызванное гравитацией Солнца / Луны. Они выполняются как ожоги двигателя, перпендикулярные плоскости орбиты. Для солнечно-синхронных космических аппаратов, имеющих постоянную геометрию относительно Солнца, изменение наклона из-за солнечной гравитации особенно велико; дельта-v порядка 1-2 м / с в год может потребоваться для поддержания постоянного наклона.
Наклонные орбитальные плоскости Для геостационарных космических аппаратов должно выполняться горение двигателя, перпендикулярное плоскости орбиты, чтобы компенсировать влияние лунной / солнечной гравитации, которая возмущает орбиту полюс с обычно 0,85 градуса в год. Дельта-v, необходимая для компенсации этого возмущения при сохранении наклона к экваториальной плоскости, составляет порядка 45 м / с в год. Эта часть удержания станции на ГСО называется управлением Север-Юг.
Управление Восток-Запад - это управление периодом обращения и вектором эксцентриситета, осуществляемое за счет включения зажигания двигателя по касательной к орбите. Эти ожоги предназначены для того, чтобы орбитальный период был полностью синхронизирован с вращением Земли, а эксцентриситет оставался достаточно малым. Возмущение орбитального периода является следствием несовершенной симметрии вращения Земли относительно оси север / юг, иногда называемой эллиптичностью земного экватора. Эксцентриситет (то есть вектор эксцентриситета) нарушается давлением солнечного излучения . Топлива, необходимого для этого контроля Восток-Запад, намного меньше, чем для контроля Север-Юг.
Чтобы продлить срок службы стареющего геостационарного космического корабля с небольшим оставшимся топливом, иногда прекращают контроль Север-Юг, только продолжая контроль Восток-Запад. Как видно из наблюдателя на вращающейся Земле, космический корабль будет двигаться с севера на юг с периодом 24 часа. Когда это движение с севера на юг становится слишком большим, необходима управляемая антенна для отслеживания космического корабля. Примером этого является Artemis.
. Для экономии веса для спутников GEO крайне важно иметь наиболее экономичную двигательную установку. Поэтому на некоторых современных спутниках используется система с высоким удельным импульсом, такая как плазменные или ионные двигатели.
Орбиты космических аппаратов также возможно вокруг точек Лагранжа - также называемых точками либрации - гравитационными колодцами, которые существуют в пяти точках по отношению к двум большим телам Солнечной системы. Например, таких точек пять в системе Солнце-Земля, пять - в системе Земля-Луна и так далее. Небольшие космические аппараты могут вращаться вокруг этих гравитационных колодцев с минимумом топлива, необходимого для целей удержания на станции. Две орбиты, которые использовались для этих целей, включают гало и орбиты Лиссажу.
Орбиты вокруг точек либрации динамически нестабильны, что означает, что небольшие отклонения от равновесия со временем растут экспоненциально.. В результате космический корабль на орбитах точки либрации должен использовать двигательные установки для поддержания орбитальной станции.
Одной из важных точек либрации является Земля-Солнце L1, и три миссии гелиофизики были на орбите L1 примерно с 2000 года. Использование топлива на станции может быть довольно низким, что облегчает миссии, которые могут возможно, в последние десятилетия, если другие системы космических аппаратов останутся в рабочем состоянии. Три космических аппарата - Advanced Composition Explorer (ACE), Solar Heliosphere Observatory (SOHO) и спутник Global Geoscience WIND - имеют ежегодную станцию. -содержание пороха на уровне примерно 1 м / с или меньше. Земля-Солнце L2 - примерно в 1,5 миллиона километров от Земли в направлении против Солнца - еще одна важная точка Лагранжа, и космическая обсерватория ESA Гершеля работала там на орбите Лиссажу. в течение 2009–2013 гг., когда закончилась охлаждающая жидкость для космического телескопа . Небольшие орбитальные маневры для удержания станции выполнялись примерно ежемесячно для поддержания космического корабля на орбите.
Космический телескоп Джеймса Уэбба будет использовать топливо для поддержания своей гало-орбиты вокруг L2 Земля-Солнце, что обеспечивает верхний предел его расчетного срока службы: он рассчитан на десять лет.
