Кіріспе

Белгілі бір орбитаны сақтау үшін жасалған маневрлер. Астродинамикада орбиталық станцияны ұстау – ғарыш кемесін басқа ғарыш кемесінен немесе аспан денесінен белгілі бір қашықтықта ұстап тұру. Бұл үшін нысанамен бірдей орбитада ұстауға арналған қозғалтқышпен жасалатын орбиталық маневрлер сериясы қажет. Көптеген төмен Жер орбиталық спутниктері үшін Кеплер емес күштердің әсерін – яғни Жердің гравитациялық күшінің біртекті шардан ауытқуын, Күн/Айдың гравитациялық күштерін, күн сәулесінің қысымын және атмосфералық кедергіні жою қажет. Жердің гравитациялық өрісінің біртекті шардан ауытқуы және Күн мен Айдың гравитациялық күштері орбиталық жазықтықты өзгертеді. Күнмен синхронды орбита үшін Жердің пішінінен туындаған орбиталық жазықтықтың прецессиясы миссияның жобалау бөлігі болып табылады, бірақ Күн мен Айдың гравитациялық күштерінен туындаған еңіс өзгерісі қолайсыз. Геостационарлық ғарыш кемелері үшін Күн мен Айдың гравитациялық күштерінен туындаған еңіс өзгерісін отынның көп мөлшерін жұмсап теңгеру қажет, себебі ғарыш кемесін басқарылмайтын антенналармен қадағалау үшін еңіс жеткілікті кішкентай болуы керек. Төмен орбитадағы ғарыш кемелері үшін атмосфералық кедергінің әсерін өтеу жиі қажет, көбінесе қайтадан кіруді болдырмау үшін; орбитаның Жердің айналымымен дәл синхрондалуын қажет ететін миссиялар үшін бұл орбиталық кезеңнің қысқаруын болдырмау үшін маңызды. Күн сәулесінің қысымы эксцентриситетті (яғни эксцентриситет векторын) өзгертеді; орбиталық бұзылуды талдау (ғарыш кемесі) қараңыз. Кейбір миссиялар үшін бұл өзгеріске қарсы әрекет ету үшін белсенді маневрлер қажет. Геостационарлық ғарыш кемелері үшін эксцентриситет басқарылмайтын антеннамен қадағалау үшін жеткілікті кішкентай болуы керек. Сонымен қатар, жерді бақылау ғарыш кемелері үшін, тұрақты жер траекториясы бар, өте қайталанатын орбита қажет болғандықтан эксцентриситет векторын мүмкіндігінше тұрақты ұстау керек. Бұл өтемақының көп бөлігін мұздатылған орбиталық конструкцияны пайдалану арқылы жасауға болады, бірақ нақты басқару маневрлері үшін көбінесе қозғалтқыштар қажет. Лагранж нүктесінің маңындағы гало орбитасындағы ғарыш кемесі үшін орбиталық станцияны ұстау одан да маңызды, себебі мұндай орбита тұрақсыз; қозғалтқышпен белсенді бақылаусыз, орбитадан немесе жылдамдықтан ең кішкентай ауытқу ғарыш кемесінің толығымен орбитадан шығуына әкеледі.

Жерді бақылау ғарыш кемесі

Жерді бақылауға арналған ғарыш кемелері әдетте Жер бетінен шамамен 700–800 км биіктікте жұмыс істейді, онда ауаның қарсылығы өте әлсіз және ауаның қарсылығынан кері оралуға қатысты алаңдаушылықтар жоқ. Бірақ, егер орбиталық кезең Жердің айналысына синхронды болса, бұл тұрақты жер бетінің траекториясын сақтау үшін, осы биіктіктегі әлсіз ауа қарсылығын орбитаны көтеру маневрлері арқылы, яғни орбитаға жанама бағытталған қозғалтқыштардың жұмысымен теңестіру қажет. Бұл маневрлер өте шағын болады, әдетте дельта v шамасы бірнеше мм/с шамасында. Егер «тоңған» орбиталық схема қолданылса, бұл өте шағын орбитаны көтеру маневрлері эксцентриситет векторын басқару үшін жеткілікті. Жер бетіндегі тұрақты траекторияны сақтау үшін, Күн мен Айдың гравитациясынан туындаған еңіс өзгерісін толықтыру үшін жазықтықтан шығу маневрлерін жасау қажет. Бұл маневрлер орбиталық жазықтыққа перпендикуляр қозғалтқыштардың жұмысы арқылы орындалады. Күнге қатысты тұрақты геометрияға ие Күнмен синхронды ғарыш кемелері үшін, Күннің гравитациясынан туындаған еңіс өзгерісі айтарлықтай үлкен; еңісті тұрақты ұстау үшін жылына 1–2 м/с дельта v қажет болуы мүмкін.

Геостационарлық орбита

Геостационарлық ғарыш кемелері үшін Ай мен Күннің гравитациясының әсерін өтеу үшін орбиталық жазықтыққа перпендикуляр қозғалтқыш жұмысы іске асырылуы тиіс, бұл орбиталық полюсті жылына шамамен 0,85 градусқа өзгертеді. Экваторлық жазықтықтағы қалыпты сақтау үшін осы бұзылуды өтеуге қажетті жылдамдық өзгеруі (дельта v) жылына шамамен 45 м/с құрайды. Бұл GEO станциясын ұстаудың Солтүстік-Оңтүстік бақылау деп аталатын бөлігі. Шығыс-Батыс бақылауы – орбиталық кезеңді және эксцентриситет векторын басқару, бұл қозғалтқыштарды орбитаға жанама түрде жұмыс істету арқылы жүзеге асырылады. Бұл жұмыстар орбиталық кезеңді Жердің айналуымен толық синхронды ету және эксцентриситетті жеткілікті түрде кішкентай ұстау үшін жасалады. Орбиталық кезеңнің бұзылуы Жердің Солтүстік/Оңтүстік осіне қатысты толық емес айналу симметриясынан туындайды, кейде бұл Жер экваторының эллипстігі деп аталады. Эксцентриситет (яғни эксцентриситет векторы) Күн сәулесінің қысымымен бұзылады. Шығыс-Батыс бақылауы үшін қажетті отын Солтүстік-Оңтүстік бақылауы үшін қажетті отыннан әлдеқайда аз. Геостационарлық ғарыш кемесінің қызмет ету мерзімін ұзарту үшін, аз отын қалған жағдайда, кейде Солтүстік-Оңтүстік бақылауын тоқтатып, тек Шығыс-Батыс бақылауын жалғастырады. Айналатын Жерден бақылаушының көзқарасынан қарағанда, ғарыш кемесі 24 сағат ішінде Солтүстік-Оңтүстікке қарай қозғалады. Егер осы Солтүстік-Оңтүстік қозғалысы тым үлкен болса, ғарыш кемесін бақылау үшін бағытталатын антенна қажет болады. Мысалы, Артемида. Салмақты азайту үшін GEO спутниктерінің ең тиімді қозғалтқыш жүйесіне ие болуы өте маңызды. Сондықтан, қазіргі заманғы спутниктердің көпшілігі плазмалық немесе иондық қозғалтқыштар сияқты жоғары нақты импульстік жүйелерді қолданады.

Лагранж нүктелері

Ғарыш кемелерінің орбиталары Лагранж нүктелерінің маңында да мүмкін – бұл екі ірі Күн жүйесі денелеріне қатысты болатын бес тепе-теңдік нүктесі, сондай-ақ либрациялық нүктелер деп те аталады. Мысалы, Күн-Жер жүйесінде бес мұндай нүкте бар, Жер-Ай жүйесінде бес және т.б. Ғарыш кемелері осы нүктелердің маңында орбитада, орбиталық станцияны сақтау үшін ең аз мөлшерде отын қолдана отырып, айналып жүре алады. Мұндай мақсаттар үшін қолданылатын екі орбита – гало және Лиссажу орбиталары. Жер-Күн – Жерден күнге қарсы бағытта шамамен 1,5 миллион километр қашықтықта – тағы бір маңызды Лагранж нүктесі, және Еуропалық Ғарыш агенттігінің (ESA) Herschel ғарыш обсерваториясы 2009-2013 жылдары осы нүктеде Лиссажу орбитасында жұмыс істеді, сол кезде ғарыш телескопы үшін салқындатқыш аяқталды. Ғарыш кемесін орбиталық станцияда ұстау үшін ай сайын шағын түзету маневрлері жасалды. Джеймс Уэбб ғарыш телескопы Жер-Күн L2 Лагранж нүктесінің маңындағы гало орбитасын сақтау үшін отынды пайдаланады, бұл оның жобаланған қызмет мерзімінің жоғарғы шегін анықтайды: ол он жылға жететіндей мөлшерде отынмен жабдықталуда. Алайда, Ariane 5 ракетасымен ұшыру кезіндегі траекторияның жоғары дәлдігі телескоптың қызмет мерзімін екі есеге ұзартуға мүмкіндік береді, себебі күткеннен көп гидразин отыны қалды. CAPSTONE орбиталық аппараты және жоспарланған Ай шлюзі Жер-Ай L2 Лагранж нүктесінің маңындағы Жақын Түзу Гало орбитасында (NRHO) орналасады.