Кіріспе

Ғарыш ұшуы кезіндегі қозғалыс

Ғарыш ұшуында орбиталық маневр (әлде күйдіру деп те аталады) — ғарыш кемесінің орбитасын өзгерту үшін итергіш жүйелерді қолдану. Жерден қашық жерлердегі ғарыш кемелері үшін (мысалы, Күн төңірегіндегі орбиталарда) орбиталық маневр терең ғарыш маневрі (DSM) деп аталады. Ғарыш кемесі маневр жасамаған кезде, әсіресе көшу орбитасында, ол инерциямен қозғалады делінеді.

Ракеталық теңдеу

Циолковскийдің ракеталық теңдеуі немесе идеалдық ракеталық теңдеу, ракеталық жылдамдатқыштарды қолданатын көлік құралдарының маневрлерін талдау үшін пайдалы. Ракета жоғары жылдамдықпен өзінің массасының бір бөлігін шығару арқылы өзіне үдеу (тартым) күшін қолданады. Ракетаның қозғалуы импульс сақталу заңына байланысты.

Delta-v

Әрбір маневрдегі жылдамдық өзгеруі дельта v деп аталады. Миссия үшін күтілетін барлық маневрлердің дельта v мәндері дельта v бюджетінде көрсетіледі. Дельта v бюджетін дұрыс есептегенде жобалаушылар жоспарланған маневрлерге қажетті отын мөлшерін анықтай алады.

Импульсивті маневрлер

Импульстік маневр – 1-суретте көрсетілгендей, ғарыш кемесінің жылдамдығының (мөлшері және/немесе бағытының) бір мезгілде өзгеруі ретінде маневрдің математикалық моделі. Бұл белгілі бір дельта v шамасын тудыру үшін күйдірудің (жандырудың) лимит жағдайы болып табылады, күйдіру уақыты нөлге жақындағанда. Физикалық әлемде жылдамдықтың бірден өзгеруі мүмкін емес, себебі бұл "шектен тыс күшті" "шектен тыс қысқа уақыт ішінде" қолдануды талап етеді, бірақ математикалық модель ретінде, көп жағдайда орбитаға маневрдің әсерін өте жақсы сипаттайды. Нақты күйдіру аяқталғаннан кейін жылдамдық векторының, теориялық импульстік маневр нәтижесінде алынған жылдамдық векторынан ауытқуы, екі траектория (1-суреттегі қызыл және қара түстермен көрсетілген) бойындағы гравитациялық күштердің айырмашылығынан ғана туындайды, бұл әдетте шағын болады. Ғарыш миссияларын жоспарлау кезеңінде, жобалаушылар көздеген орбиталық өзгерістерді импульстік маневрлер арқылы алдымен шамалайды, бұл дұрыс орбиталық өтулерді табудың қиындығын едәуір төмендетеді.

Төмен қозғалтқыш

Ұзақ уақыт бойы төмен итермелеуді қолдану импульстік емес маневр деп аталады. "Импульстік емес" термині, қысқа импульс арқылы емес, ұзақ уақыт бойы баяу өзгеретін импульсті білдіреді, мысалы, электр қуатымен жұмыс істейтін ғарыш кемелерінің қозғалтқыштарында. Тағы бір термин – "шекті күйдіру", мұнда "шекті" сөзі "нөлдік емес" мағынасында қолданылады, яғни, қайтадан: ұзақ уақыт аралығында. Кейбір ғарыш миссиялары, мысалы, ғарыш кездесуін қамтитындар үшін, миссия мақсаттарына жету үшін траекториялардың жоғары дәлдіктегі модельдері қажет. "Шекті" күйдіруді есептеу үшін ғарыш кемесі мен оның қозғалтқыштарының толыққанды моделі қажет. Ең маңызды деректер: масса, масса орталығы, инерция моменты, қозғалтқыштардың орналасуы, итермелеу векторлары, итермелеу қисықтары, нақты импульс, итермелеу центрінің ығысуы және отын шығыны.

Оберт эффектісі

Астронавтикада Оберт эффектісі – жоғары жылдамдықпен қозғалғанда ракеталық қозғалтқышты қолдану, төмен жылдамдықпен қозғалғанға қарағанда әлдеқайда көп пайдалы энергияны тудырады. Оберт эффектісінің себебі – жанармайдың (үрдіс заттың) пайдалы энергиясының артық болуында (оның химиялық потенциалдық энергиясына кинетикалық энергиясы қосылғандықтан) жатыр, соның нәтижесінде аппарат осы кинетикалық энергияны механикалық қуатты өндіру үшін пайдалана алады. Бұл эффект алғаш рет сипаттаған, Австро-Мажарстан туған, неміс физигі және қазіргі заманғы ракета техникасының негізін қалаушы Герман Оберт есімімен аталады. Оберт эффектісі күшпен ұшу кезінде немесе Оберт маневрінде қолданылады, онда импульсті қолдану – әдетте ракеталық қозғалтқыштың жұмысы арқылы – гравитациялық денеге жақын жерде (гравитациялық потенциалы төмен және жылдамдық жоғары болғанда) кинетикалық энергия мен соңғы жылдамдықты (яғни, жоғары специфиялық энергияны) сол импульсті денеден алыс жерде қолданғанға қарағанда әлдеқайда көп өзгертеді. Оберт маневрі өте шектеулі уақытта (әлі де төмен биіктікте) жүзеге асырылатындықтан, жоғары импульс жасау үшін қозғалтқыш міндетті түрде жоғары итермелеуге (тракцияға) ие болуы керек (импульс – уақыт пен итермелеудің көбейтіндісі). Сондықтан Оберт эффектісі иондық қозғалтқыштар сияқты төмен итермелі қозғалтқыштар үшін азырақ пайдалы. Тарихи тұрғыдан алғанда, осы эффектіні түсінбеу зерттеушілерді планетааралық сапарлар үшін өте көп жанармай қажет деген қорытындыға әкелді, себебі оның болмаған жағдайында, зор энергия мөлшері қажет болар еді. Бұл техника алғаш рет 1961 жылы траекторияны ортасында түзету маневрі ретінде ұсынылды және "Маринер 10" ғарыш кемесінен бастап, соның ішінде екі "Вояджер" ғарыш кемесінің Юпитер мен Сатурн айналасындағы маңызды ұшуларын қоса алғанда, планетааралық зерттеушілер тарапынан қолданылды.

Орбиталарды ауыстыру

Орбитаға ену маневрлері ғарыш кемесін түнгі орбитаға жеткізеді. Ал, орбиталық инъекция маневрлері ғарыш кемесі ауысу орбитасына кірген кезде жүзеге асырылады, мысалы, Айға ауысу инъекциясы (TLI), Марсқа ауысу инъекциясы (TMI) және Жерге ауысу инъекциясы (TEI). Бұл әдетте траекторияны аз түзету маневрлерінен гөрі үлкен болады. Енгізу, инъекция және кейде бастау төмендеу орбитасына кіруді сипаттау үшін қолданылады, мысалы, Аполлонның Айға қонуында қолданылған Қуатты төмендеуді бастау маневрі.

Хоманның көшірмесін

Орбиталық механикада Хоманның трансферлік орбитасы – бір жазықтықта орналасқан, әртүрлі биіктіктегі екі дөңгелек орбита арасында көшу үшін қолданылатын эллипстік орбита. Хоман трансферін жүзеге асыруға арналған орбиталық маневр үшін екі қозғалтқыш импульсі қолданылады, олар ғарыш кемесін трансферлік орбитаға түсіріп, одан шығарады. Бұл маневрді неміс ғалымы Вальтер Хоманның есімімен атады. Ол бұл маневрді 1925 жылы "Көк денелерінің қолжетімділігі" (Die Erreichbarkeit der Himmelskörper) атты кітабында сипаттаған. Хоманның шығармашылығына неміс ғылыми-фантастикалық жазушысы Курд Лассвицтің 1897 жылғы "Екі планета" кітабының әсері тиді.

Биэллипстік көшіру

Астронавтика және аэроғарыш техникасында биэллипстік трансфер – бұл ғарыш кемесін бір орбитадан екінші орбитаға жылжытатын орбиталық маневр, және кейбір жағдайларда Хоман трансферіне қарағанда аз дельта v қажет болуы мүмкін. Биэллипстік трансфер екі жартылай эллипстік орбитадан тұрады. Бастапқы орбитадан дельта v қолданылып, ғарыш кемесі орталық денеден алыс жердегі апоапсиспен бірінші трансферлік орбитаға шығарылады. Осы нүктеде екінші дельта v қолданылып, ғарыш кемесі екінші эллипстік орбитаға жіберіледі, онда периапсис соңғы қажетті орбитаның радиусына тең болады, содан кейін үшінші дельта v орындалып, ғарыш кемесі қажетті орбитаға енгізіледі. Биэллипстік трансферлер Хоман трансферіне қарағанда бір импульстік қозғалтқыштан бірге көп күйдіруді талап етеді және әдетте ұзақ уақыт алады, бірақ кейбір биэллипстік трансферлер Хоман трансферіне қарағанда жалпы дельта v мөлшерінің азын қажет етеді, егер соңғы және бастапқы жартылай үлкен осьтердің қатынасы 11,94 немесе одан жоғары болса, бұл таңдалған аралық жартылай үлкен оське байланысты. Биэллипстік траектория идеясын алғаш рет 1934 жылы Ари Стернфельд жариялаған.

Энергияның аз берілуі

Төмен энергиялық беру немесе төмен энергиялық траектория – ғарыш кемесінің өте аз отын қолданып орбиталарын өзгертуге мүмкіндік беретін ғарыштағы жол. Бұл траекториялар Жер-Ай жүйесінде ғана емес, Юпитердің серіктері арасындағы саяхат сияқты басқа жүйелерде де қолданылады. Мұндай траекториялардың кемшілігі – олар Хоман орбиталары сияқты жоғары энергиялық (көп отынды) берулерге қарағанда әлдеқайда ұзаққа созылады. Төмен энергиялық берулер әлсіз тұрақтылық шекаралық траекториялар немесе баллистикалық тұтқындау траекториялары деп те аталады. Төмен энергиялық берулер ғарыштағы ерекше жолдармен жүзеге асырылады, олар кейде Планетааралық көлік желісі деп аталады. Бұл жолдарды пайдалану арқасында delta v-ның аз шығындалуымен ұзақ қашықтықтарды жүріп өтуге болады.

Орбиталық еңіс өзгеруі

Орбиталық еңіс өзгертуі – орбиталық маневр, орбитадағы дененің орбитасының еңісін өзгертуге бағытталған. Бұл маневр орбиталық жазықтықтың өзгертілуі деп те аталады, себебі орбита жазықтығы бұрылады. Бұл маневр орбиталық жылдамдық векторының (дельта v) орбиталық түйіндерінде (яғни бастапқы және қажетті орбиталардың қиылыс нүктесі, орбиталық түйіндердің сызығы екі орбиталық жазықтықтың қиылысуымен анықталады) өзгеруін қажет етеді. Әдетте, еңіс өзгертуіне көп дельта v қажет болады, сондықтан миссия жоспарлаушылар отынды үнемдеу үшін олардан мүмкіндігінше аулақ болуға тырысады. Бұл көбінесе ғарыш аппаратын тікелей қажетті еңіске немесе оған мүмкіндігінше жақын орбитаға шығару арқылы жүзеге асырылады, соның нәтижесінде ғарыш аппаратының қызмет ету мерзімінде қажетті еңіс өзгертуінің мөлшері азаяды. Еңіс өзгертуінің максималды тиімділігі апоапсисте (немесе апогейде) қол жеткізіледі, онда орбиталық жылдамдық ең төмен болады. Кейбір жағдайларда, ғарыш аппаратын жоғары орбитаға көтеріп, жоғары апогейде орбита жазықтығын өзгертіп, содан кейін ғарыш аппаратын бастапқы биіктігіне түсіру үшін жалпы дельта v аз қажет болуы мүмкін.

Тұрақты қозғалыс траекториясы

Тұрақты итермелеу және тұрақты үдеу траекториялары ғарыш кемесінің қозғалтқышын ұзақ уақыт бойы тұрақты күйдіріп отыруын қамтиды. Үдеу жергілікті гравитациялық үдеуге қарағанда жоғары болған жағдайда, ғарыш кемесі нысанаға тікелей бағытталады (нысананың қозғалысын ескере отырып) және нысанаға жеткенше жоғары итермелеу кезінде үнемі үдетеді. Бұл жағдайда траектория тура сызыққа жақын болады. Егер ғарыш кемесі ұшып өтудің орнына нысанамен кездесуі қажет болса, онда ғарыш кемесі саяхаттың ортасында бағытын өзгертіп, қалған бөлігінде баяулауы керек. Тұрақты итермелеу траекториясында, отынның жұмсалуынан көліктің массасы азаятындықтан, итермелеу кезінде үдеу артады. Егер тұрақты итермелеудің орнына тұрақты үдеу болса, қозғалтқыштың итермелеуі траектория бойында азаюы керек. Бұл траектория ғарыш кемесінің ұзақ уақыт бойы жоғары үдеуді сақтауын талап етеді. Планетааралық сапарларда бірнеше күн, апта немесе ай бойы тұрақты итермелеу қажет болуы мүмкін. Нәтижесінде, қазіргі уақытта бұл траекторияны пайдалана алатын ғарыш кемелерінің қозғалтқыш жүйелері жоқ. Ядролық (жарылу немесе синтезге негізделген) немесе антиматериялық қозғалтқыштардың кейбір түрлері осы траекторияны іске асыра алады деп ұсынылған. Практикалық тұрғыдан алғанда, бұл типтегі маневр төмен итермелі маневрлерде қолданылады, мысалы иондық қозғалтқыштарда, Холл эффектілі қозғалтқыштарда және басқаларда. Бұл қозғалтқыштардың типтері өте жоғары нақты импульске (отын тиімділігіне) ие, бірақ қазіргі уақытта олар тек салыстырмалы түрде төмен абсолютті итермелеумен ғана қол жетімді.

Орбиталық фазалау

Астродинамикада орбиталық фазалау — бұл ғарыш кемесінің орбита бойымен уақытша орналасуын реттеу, көбінесе орбитадағы ғарыш кемесінің нақты аномалиясын өзгерту арқылы жасалады.

Ғарыш кездесуі мен сүйрелу

Ғарыш кездесуі – екі ғарыш кемесінің, олардың бірі көбінесе ғарыш станциясы болатын, бір орбитаға келіп, өте жақын қашықтыққа (мысалы, көзбен көруге болатын қашықтыққа) жақындасуы кезіндегі орбиталық маневрлер тізбегі. Кездесу үшін екі ғарыш кемесінің орбиталық жылдамдықтарының нақты сәйкес келуі қажет, бұл оларға орбиталық қалыпты сақтап тұрақты қашықтықта қалуға мүмкіндік береді. Кездесуден кейін әдетте түйістіру немесе бекіту жүргізіледі, бұл процедуралар ғарыш кемелерін физикалық байланысқа келтіріп, олардың арасында байланыс орнатады.