Орбита вокруг Земли: характеристики и параметры

Введение

Орбита вокруг Земли

Геоцентрическая орбита, орбита с центром на Земле или орбита Земли — это траектория любого объекта, вращающегося вокруг Земли, например, Луны или искусственных спутников. В 1997 году NASA оценило, что на орбите Земли находятся приблизительно 2465 аппаратов искусственных спутников и 6216 фрагментов космического мусора, отслеживаемых Центром космических полётов Годдарда. Более 16 291 ранее запущенных объектов подверглись орбитальному распаду и вошли в атмосферу Земли. Для сравнения, самая высокая скорость, когда-либо достигнутая пилотируемым самолётом (за исключением скоростей, достигаемых при спуске космических аппаратов с орбиты), была зафиксирована в 1967 году на североамериканском X-15. Энергия, необходимая для достижения орбитальной скорости Земли на высоте, составляет около 36 МДж/кг, что в шесть раз превышает энергию, необходимую для подъёма на соответствующую высоту. Космические аппараты с перигеем ниже примерно подвержены воздействию сопротивления атмосферы Земли, что приводит к уменьшению орбитальной высоты. Скорость орбитального распада зависит от площади поперечного сечения и массы спутника, а также от изменений плотности воздуха в верхних слоях атмосферы. Ниже примерно распад становится более быстрым, а срок службы измеряется днями. Как только спутник опускается до , у него остается всего несколько часов до того, как он испарится в атмосфере. Скорость, необходимая для полного преодоления гравитационного поля Земли и выхода в межпланетное пространство, составляет около .

Перечень терминов и понятий

Высота, в данном контексте, – это высота объекта над средней поверхностью океанов Земли (уровень моря). Аналемма – астрономический термин, используемый для описания графика положения Солнца на небесной сфере в течение года. Имеет вид восьмерки. Апогей – это наиболее удалённая точка, до которой может приблизиться спутник или небесное тело от Земли, в которой орбитальная скорость минимальна. Эксцентриситет – мера отклонения орбиты от идеальной окружности. Эксцентриситет строго определен для всех круговых и эллиптических орбит, а также для параболических и гиперболических траекторий. Экваториальная плоскость, в данном контексте, – воображаемая плоскость, простирающаяся от экватора Земли до небесной сферы. Первая космическая скорость (или скорость убегания) – минимальная скорость, которую должен иметь объект без двигательной установки, чтобы навсегда покинуть Землю. Объект, достигший этой скорости, перейдет на параболическую траекторию; превысив её, – на гиперболическую. Импульс – интеграл силы по времени её действия. Измеряется в (Н·с или фунт-секунда). Наклон – угол между плоскостью отсчёта и другой плоскостью или осью. В рассматриваемом случае плоскостью отсчёта является экваториальная плоскость Земли. Орбитальная дуга – воображаемая дуга на небе, видимая из любой точки на поверхности Земли. Орбитальные характеристики – шесть параметров кеплеровских элементов, однозначно определяющих орбиту. Орбитальный период – время, необходимое спутнику для совершения одного полного оборота вокруг Земли. Перигей – ближайшая точка приближения спутника или небесного тела к Земле, в которой орбитальная скорость максимальна. Звёздные сутки – время, необходимое небесному объекту для совершения полного оборота на 360°. Для Земли это: 23 часа, 56 минут, 4,091 секунды. Солнечное время – местное время, определяемое по солнечным часам. Скорость – скорость объекта в заданном направлении. Поскольку скорость определяется как вектор, для её определения необходимо указывать как величину, так и направление.

Altitude as used here, the height of an object above the average surface of the Earth's oceans (mean sea level). Analemma a term in astronomy used to describe the plot of the positions of the Sun on the celestial sphere throughout one year. Closely resembles a figure eight. Apogee is the farthest point that a satellite or celestial body can go from Earth, at which the orbital velocity will be at its minimum. Eccentricity a measure of how much an orbit deviates from a perfect circle. Eccentricity is strictly defined for all circular and elliptical orbits, and parabolic and hyperbolic trajectories. Equatorial plane as used here, an imaginary plane extending from the equator on the Earth to the celestial sphere. Escape velocity as used here, the minimum velocity an object without propulsion needs to have to move away indefinitely from the Earth. An object at this velocity will enter a parabolic trajectory; above this velocity it will enter a hyperbolic trajectory. Impulse the integral of a force over the time during which it acts. Measured in (N·sec or lb * sec). Inclination the angle between a reference plane and another plane or axis. In the sense discussed here the reference plane is the Earth's equatorial plane. Orbital arc an imaginary arc in the sky as seen from any given location on the surface of the Earth. Orbital characteristics the six parameters of the Keplerian elements needed to specify that orbit uniquely. Orbital period as defined here, time it takes a satellite to make one full orbit around the Earth. Perigee is the nearest approach point of a satellite or celestial body from Earth, at which the orbital velocity will be at its maximum. Sidereal day the time it takes for a celestial object to rotate 360°. For the Earth this is: 23 hours, 56 minutes, 4.091 seconds. Solar time as used here, the local time as measured by a sundial. Velocity an object's speed in a particular direction. Since velocity is defined as a vector, both speed and direction are required to define it.

Типы

Ниже приведён список различных классификаций геоцентрических орбит.

Классификация высоты

Трансатмосферная орбита (TAO) — геоцентрические орбиты с высотой в апогее выше, а перигей которых пересекает заданные слои атмосферы. Низкая околоземная орбита (НОО) — геоцентрические орбиты с высотой от до над средним уровнем моря. На высоте 160 км один оборот занимает приблизительно 90 минут, а скорость на круговой орбите составляет . Средняя околоземная орбита (СОО) — геоцентрические орбиты с высотой в апогее от до высоты геосинхронной орбиты, равной . Геосинхронная орбита (ГСО) — геоцентрическая круговая орбита с высотой . Период обращения равен одному звёздному дню, совпадающему с периодом вращения Земли. Скорость составляет приблизительно . Высокая околоземная орбита (ВОО) — геоцентрические орбиты с высотой в апогее выше, чем высота геосинхронной орбиты. Особым случаем высокой околоземной орбиты является высокоэллиптическая орбита, где высота в перигее меньше .

Классификация наклона

Наклонная орбита – орбита, угол наклона которой к экваториальной плоскости не равен 0. Полярная орбита – орбита спутника, проходящего над или вблизи обоих полюсов планеты при каждом обороте. Следовательно, её угол наклона составляет (или очень близок к) 90 градусам. Полярная солнечно-синхронная орбита – почти полярная орбита, пересекающая экватор в одно и то же местное время при каждом проходе. Она полезна для спутников, снимающих изображения, поскольку тени на снимках будут одинаковыми при каждом проходе.

Классификация эксцентричности

Круговая орбита – орбита с эксцентриситетом 0, траектория которой представляет собой окружность. Эллиптическая орбита – орбита с эксцентриситетом больше 0 и меньше 1, траектория которой представляет собой эллипс. Орбита Гомана – орбитальный маневр, позволяющий переместить космический аппарат с одной круговой орбиты на другую с помощью двух импульсов двигателя. Этот маневр назван в честь Вальтера Гомана. Геосинхронная переходная орбита (GTO) – геоцентрическая эллиптическая орбита, у которой перигей находится на высоте низкой околоземной орбиты (LEO), а апогей – на высоте геосинхронной орбиты. Высокоэллиптическая орбита (HEO) – геоцентрическая орбита с апогеем выше 35 786 км и низким перигеем (около 1000 км), обеспечивающая длительное время пребывания вблизи апогея. Орбита «Молния» – высокоэллиптическая орбита с наклонением 63,4° и орбитальным периодом, равным половине звездного дня (примерно 12 часов). Спутник на такой орбите большую часть времени находится над определенной областью Земли. Орбита «Тундра» – высокоэллиптическая орбита с наклонением 63,4° и орбитальным периодом, равным одному звездного дня (примерно 24 часа). Спутник на такой орбите большую часть времени находится над определенной областью Земли. Гиперболическая траектория – «орбита» с эксцентриситетом больше 1. Скорость объекта достигает значения, превышающего первую космическую скорость, в результате чего он покидает гравитационное поле Земли и продолжает движение бесконечно, замедляясь до некоторой конечной скорости, известной как гиперболическая избыточная скорость. Траектория выхода – траектория, необходимая для запуска межпланетного зонда за пределы Земли, поскольку превышение первой космической скорости изменяет его гелиоцентрическую орбиту с земной на другую. Траектория захвата – зеркальное отражение траектории выхода; объект, движущийся с достаточной скоростью и не направленный непосредственно к Земле, будет приближаться к ней и ускоряться. При отсутствии замедляющего импульса двигателя для вывода на орбиту, после прохождения периапсиса он будет следовать по траектории выхода. Параболическая траектория – «орбита» с эксцентриситетом, равным 1. Скорость объекта равна первой космической скорости, в результате чего он покидает гравитационное поле Земли и продолжает движение, замедляясь до 0. Космический аппарат, запущенный с Земли с такой скоростью, удалится от нее на некоторое расстояние, но будет следовать за Землей вокруг Солнца по той же гелиоцентрической орбите. Возможно, но маловероятно, что объект, приближающийся к Земле, может следовать траектории параболического захвата, при этом скорость и направление должны быть очень точными.

Circular orbit An orbit that has an eccentricity of 0 and whose path traces a circle. Elliptic orbit An orbit with an eccentricity greater than 0 and less than 1 whose orbit traces the path of an ellipse. Hohmann transfer orbit An orbital maneuver that moves a spacecraft from one circular orbit to another using two engine impulses. This maneuver was named after Walter Hohmann. Geosynchronous transfer orbit (GTO) A geocentric elliptic orbit where the perigee is at the altitude of a low Earth Orbit (LEO) and the apogee at the altitude of a geosynchronous orbit. Highly elliptical orbit (HEO) Geocentric orbit with apogee above 35,786 km and low perigee (about 1,000 km) that result in long dwell times near apogee. Molniya orbit A highly elliptical orbit with inclination of 63.4° and orbital period of ½ of a sidereal day (roughly 12 hours). Such a satellite spends most of its time over a designated area of the Earth. Tundra orbit A highly elliptical orbit with inclination of 63.4° and orbital period of one sidereal day (roughly 24 hours). Such a satellite spends most of its time over a designated area of the Earth. Hyperbolic trajectory An "orbit" with eccentricity greater than 1. The object's velocity reaches some value in excess of the escape velocity, therefore it will escape the gravitational pull of the Earth and continue to travel infinitely with a velocity (relative to Earth) decelerating to some finite value, known as the hyperbolic excess velocity. Escape Trajectory This trajectory must be used to launch an interplanetary probe away from Earth, because the excess over escape velocity is what changes its heliocentric orbit from that of Earth. Capture Trajectory This is the mirror image of the escape trajectory; an object traveling with sufficient speed, not aimed directly at Earth, will move toward it and accelerate. In the absence of a decelerating engine impulse to put it into orbit, it will follow the escape trajectory after periapsis. Parabolic trajectory An "orbit" with eccentricity exactly equal to 1. The object's velocity equals the escape velocity, therefore it will escape the gravitational pull of the Earth and continue to travel with a velocity (relative to Earth) decelerating to 0. A spacecraft launched from Earth with this velocity would travel some distance away from it, but follow it around the Sun in the same heliocentric orbit. It is possible, but not likely that an object approaching Earth could follow a parabolic capture trajectory, but speed and direction would have to be precise.

Направленные классификации

Проградная орбита — орбита, на которой проекция объекта на экваториальную плоскость вращается вокруг Земли в том же направлении, что и вращение Земли. Ретроградная орбита — орбита, на которой проекция объекта на экваториальную плоскость вращается вокруг Земли в направлении, противоположном вращению Земли.

Специальные классификации

Солнечная синхронная орбита – орбита, сочетающая высоту и наклонение таким образом, что спутник проходит над любой точкой поверхности планеты в одно и то же местное солнечное время. Такая орбита обеспечивает постоянное солнечное освещение и полезна для спутников, используемых для получения изображений, разведки и метеорологических наблюдений. Орбита Луны – орбитальные характеристики Луны Земли. Средняя высота, эллиптическая наклонная орбита.

Негеоцентрические классификации

Орбита подковы — Орбита, которая с Земли кажется орбитой вокруг планеты, но на самом деле является коорбитальной. Примеры: астероиды 3753 (Круитне) и 2002 AA29. Суборбитальный полет — Запуск, при котором космический аппарат достигает высоты орбиты, но не обладает достаточной скоростью для её удержания.