Введение

Движение во время космического полета

В космическом полете орбитальный маневр (также известный как включение двигателей) — это использование двигательных установок для изменения орбиты космического аппарата. Для космических аппаратов, находящихся далеко от Земли (например, на орбитах вокруг Солнца), орбитальный маневр называется маневром в дальнем космосе (DSM). Когда космический аппарат не выполняет маневр, особенно на переходной орбите, говорят, что он движется по инерции.

Ракетные уравнения

Ракетное уравнение Циолковского, или идеальное ракетное уравнение, может быть полезно для анализа маневров аппаратов, использующих ракетную тягу. Ракета сообщает себе ускорение (создает тягу), выбрасывая часть своей массы с высокой скоростью. Движение ракеты происходит благодаря закону сохранения импульса.

Дельта-V

Применяемое изменение скорости при каждом маневре называется дельта-v. Суммарная дельта-v для всех ожидаемых маневров миссии обобщается в бюджете дельта-v. Имея достаточно точную оценку бюджета дельта-v, конструкторы могут оценить необходимое количество топлива для запланированных маневров.

Импульсивные маневры

Импульсный маневр – это математическая модель маневра, представляющая собой мгновенное изменение скорости космического аппарата (по величине и/или направлению), как показано на рисунке 1. Это предельный случай включения двигателя для достижения заданного значения дельта-v при стремлении времени включения к нулю. В реальном мире абсолютно мгновенное изменение скорости невозможно, поскольку оно потребовало бы приложения "бесконечной силы" за "бесконечно малый промежуток времени", однако в качестве математической модели он в большинстве случаев хорошо описывает влияние маневра на орбиту. Расхождение вектора скорости после завершения реального включения двигателя и вектора скорости в тот же момент времени, рассчитанного для теоретического импульсного маневра, обусловлено лишь разницей в гравитационном воздействии на двух траекториях (красной и черной на рисунке 1), которая, как правило, незначительна. На этапе планирования космических миссий разработчики сначала аппроксимируют планируемые изменения орбиты, используя импульсные маневры, что значительно упрощает задачу поиска оптимальных орбитальных переходов.

Двигатель с низкой тягой

Применение малой тяги в течение более длительного времени называется неимпульсивным маневром. Термин "неимпульсивный" означает, что изменение импульса происходит медленно на протяжении продолжительного времени, как, например, в электрических системах космической тяги, а не посредством кратковременного импульса. Другой термин – длительное включение, где слово "длительное" используется для обозначения "ненулевой" продолжительности, или, практически, опять же – в течение более длительного периода. Для некоторых космических миссий, таких как миссии сближения и стыковки, требуются высокоточные модели траекторий для достижения целей миссии. Расчет траектории при "длительном включении" требует детальной модели космического аппарата и его двигателей. К наиболее важным деталям относятся: масса, центр масс, момент инерции, расположение двигателей, векторы тяги, характеристики тяги, удельный импульс, смещение центроида тяги и расход топлива.

Эффект Оберта

В космонавтике эффект Оберта заключается в том, что использование ракетного двигателя на высокой скорости генерирует значительно больше полезной энергии, чем на низкой. Эффект Оберта возникает потому, что у топлива имеется больший запас полезной энергии (благодаря кинетической энергии в дополнение к химической потенциальной энергии), и оказывается, что аппарат способен использовать эту кинетическую энергию для выработки большей механической мощности. Эффект назван в честь Германна Оберта, австро-венгерского по происхождению немецкого физика и одного из основоположников современной ракетостроения, который, по-видимому, впервые описал это явление. Эффект Оберта применяется при разгонном облете или маневре Оберта, когда импульс, обычно создаваемый ракетным двигателем, применяется вблизи гравитационного тела (где гравитационный потенциал низкий, а скорость высока), что позволяет добиться гораздо большего изменения кинетической энергии и конечной скорости (то есть более высокой удельной энергии), чем при применении того же импульса на большем удалении от тела для той же начальной орбиты. Поскольку маневр Оберта происходит за очень короткое время (находясь при этом на малой высоте), для создания высокого импульса двигателю необходимо развивать высокую тягу (импульс по определению равен времени, умноженному на тягу). Таким образом, эффект Оберта менее эффективен для двигателей с малой тягой, таких как ионные двигатели. В прошлом, непонимание этого эффекта привело исследователей к выводу о том, что межпланетные путешествия потребуют совершенно непрактичного количества топлива, поскольку без учета эффекта Оберта требуются огромные затраты энергии. Впервые этот метод был предложен в качестве маневра на середине траектории в 1961 году и использовался межпланетными зондами, начиная с "Маринер-10", включая знаменитые пролеты двух зондов "Вояджер" мимо Юпитера и Сатурна.

Трансферные орбиты

Маневры по входу на орбиту оставляют космический аппарат на целевой орбите. В отличие от них, маневры по переходу на орбиту выполняются при входе космического аппарата на переходную орбиту, например, транслунная инъекция (TLI), трансмарсианская инъекция (TMI) и трансуземная инъекция (TEI). Как правило, они требуют большего изменения скорости, чем небольшие маневры коррекции траектории. Термины "вход на орбиту", "инъекция" и иногда "инициация" используются для описания перехода на орбиту спуска, например, маневр инициации управляемого спуска, использовавшийся при лунных посадках программы "Аполлон".

Передача Хомана

В орбитальной механике орбита переноса Гомана — эллиптическая орбита, используемая для перехода между двумя круговыми орбитами различной высоты, лежащими в одной плоскости. Орбитальный маневр, выполняющий перелет по орбите Гомана, использует два импульса двигателя для вывода космического аппарата на переходную орбиту и последующего схода с неё. Этот маневр был назван в честь немецкого учёного Вальтера Гомана, который опубликовал его описание в своей книге 1925 года «Die Erreichbarkeit der Himmelskörper» (Доступность небесных тел). На Гомана отчасти повлиял немецкий писатель-фантаст Курд Лассвиц и его книга 1897 года «Две планеты».

Биэллиптический перенос

В космонавтике и аэрокосмической технике биэллиптический трансфер – это орбитальный маневр, используемый для перемещения космического аппарата с одной орбиты на другую, который в определенных ситуациях может потребовать меньшей дельты-v, чем маневр передачи Гомана. Биэллиптический трансфер состоит из двух полуэллиптических орбит. С начальной орбиты применяется импульс дельта-v, переводящий космический аппарат на первую переходную орбиту с апоапсисом в некоторой точке от центрального тела. В этой точке применяется второй импульс дельта-v, отправляющий космический аппарат на вторую эллиптическую орбиту с периапсисом на радиусе конечной целевой орбиты, где выполняется третий импульс дельта-v, выводящий космический аппарат на целевую орбиту. Хотя биэллиптический трансфер требует одного дополнительного включения двигателя по сравнению с передачей Гомана и обычно занимает больше времени, некоторые биэллиптические трансферы требуют меньшей суммарной дельты-v, чем передача Гомана, когда отношение конечной полубольшой оси к начальной составляет 11,94 или больше, в зависимости от выбранной промежуточной полубольшой оси. Идея биэллиптической траектории переноса была впервые опубликована Ари Стернфельдом в 1934 году.

Низкая передача энергии

Низкоэнергетический перелет, или низкоэнергетическая траектория, – это маршрут в космосе, позволяющий космическим аппаратам менять орбиты, используя очень небольшое количество топлива. Эти маршруты работают в системе Земля-Луна, а также в других системах, например, при перелете между спутниками Юпитера. Недостатком таких траекторий является то, что они занимают значительно больше времени, чем перелеты с более высокими энергиями (требующие больше топлива), такие как орбиты переноса Гомана. Низкоэнергетические перелеты также известны как траектории границы слабой устойчивости или траектории баллистического захвата. Низкоэнергетические перелеты следуют по особым путям в космосе, иногда называемым Межпланетной транспортной сетью. Использование этих путей позволяет преодолевать большие расстояния с минимальными затратами дельта-v.

Изменение орбитального наклона

Изменение орбитального наклона – это орбитальный маневр, предназначенный для изменения наклона орбиты обращающегося тела. Этот маневр также известен как изменение орбитальной плоскости, так как происходит наклон плоскости орбиты. Для выполнения этого маневра требуется изменение вектора орбитальной скорости (дельта-v) в орбитальных узлах – точках пересечения начальной и целевой орбит. Линия орбитальных узлов определяется пересечением двух орбитальных плоскостей. Как правило, изменение наклона может потребовать значительного количества дельта-v, поэтому большинство разработчиков миссий стараются избегать его, чтобы экономить топливо. Это обычно достигается путем запуска космического аппарата непосредственно на желаемый наклон или максимально близко к нему, чтобы минимизировать необходимость изменения наклона в течение всего срока службы аппарата. Максимальная эффективность изменения наклона достигается в апоапсисе (или апогее), где орбитальная скорость минимальна. В некоторых случаях может потребоваться меньше суммарного дельта-v, чтобы вывести космический аппарат на более высокую орбиту, изменить плоскость орбиты на более высоком апоапсисе, а затем вернуть аппарат на исходную высоту.

Трактория постоянной тяги

Постоянная тяга и постоянное ускорение траекторий подразумевают длительное, непрерывное включение двигателя космического аппарата. В предельном случае, когда ускорение аппарата значительно превышает местное гравитационное ускорение, космический аппарат направляется прямо к цели (с учетом её движения) и продолжает постоянно ускоряться на высокой тяге до достижения цели. В этом случае траектория приближается к прямой линии. Если требуется не просто пролет мимо цели, а сближение с ней, космическому аппарату необходимо развернуться в середине пути и затем тормозить до момента встречи. При траектории с постоянной тягой ускорение аппарата возрастает в течение периода работы двигателя, поскольку расход топлива приводит к уменьшению массы аппарата. Если же аппарат поддерживает постоянное ускорение, то тяга двигателя должна уменьшаться по мере движения. Такая траектория требует поддержания высокого ускорения в течение продолжительного времени. Для межпланетных перелётов могут потребоваться дни, недели или даже месяцы непрерывной работы двигателя. В настоящее время не существует доступных космических двигательных установок, способных реализовать такую траекторию. Предполагается, что некоторые типы ядерных (на основе деления или синтеза) или антиматерийных ракет могли бы быть способны к этому. На практике же этот тип маневра используется в маневрах с малой тягой, например, с ионными двигателями, двигателями Холла и другими подобными установками. Эти двигатели обладают очень высоким удельным импульсом (эффективностью использования топлива), но в настоящее время доступны лишь с относительно небольшой абсолютной тягой.

Фазирование орбиты

В астродинамике фазирование орбиты — это изменение времени прохождения космического аппарата по орбите, обычно описываемое как изменение его истинной аномалии.

Космическая встреча и стыковка

Космическая встреча — это последовательность орбитальных маневров, в ходе которых два космических аппарата, один из которых часто является космической станцией, выходят на одну и ту же орбиту и сближаются на очень близкое расстояние (например, до визуального контакта). Для осуществления встречи требуется точное согласование орбитальных скоростей обоих аппаратов, что позволяет им поддерживать постоянное относительное положение за счет коррекции орбиты. Космическая встреча обычно завершается стыковкой или состыковкой – процедурами, обеспечивающими физический контакт и создание прочной связи между аппаратами.