Введение
Маневры, выполняемые для поддержания заданной орбиты.
В астродинамике поддержание орбитальной станции – это удержание космического аппарата на фиксированном расстоянии от другого космического аппарата или небесного тела. Это требует серии орбитальных маневров с использованием двигателей для удержания активного аппарата на той же орбите, что и целевой объект. Для многих спутников на низкой околоземной орбите необходимо компенсировать воздействие некеплеровских сил, то есть отклонения гравитационной силы Земли от силы однородной сферы, гравитационные силы Солнца и Луны, давление солнечного излучения и сопротивление атмосферы. Отклонение гравитационного поля Земли от поля однородной сферы и гравитационные силы Солнца и Луны в общем случае приводят к возмущению орбитальной плоскости. Для солнечно-синхронной орбиты прецессия орбитальной плоскости, вызванная несферичностью Земли, является желательным свойством, которое учитывается при проектировании миссии, однако изменение наклона, вызванное гравитационными силами Солнца и Луны, нежелательно. Для геостационарных космических аппаратов изменение наклона, вызванное гравитационными силами Солнца и Луны, необходимо компенсировать значительными затратами топлива, поскольку наклон должен быть достаточно мал для отслеживания аппарата не поворотными антеннами. Для космических аппаратов на низкой орбите часто требуется компенсировать эффекты атмосферного сопротивления, чтобы избежать повторного входа в атмосферу; для миссий, требующих точной синхронизации орбиты с вращением Земли, это необходимо для предотвращения уменьшения орбитального периода. Давление солнечного излучения в общем случае вызывает возмущение эксцентриситета (то есть вектора эксцентриситета); см. Анализ орбитальных возмущений (космический аппарат). Для некоторых миссий это необходимо активно компенсировать маневрами. Для геостационарных космических аппаратов эксцентриситет должен быть достаточно мал для отслеживания аппарата не поворотной антенной. Также для космических аппаратов наблюдения Земли, для которых желательна высокоповторяющаяся орбита с фиксированной наземной траекторией, вектор эксцентриситета должен быть максимально стабильным. Значительная часть этой компенсации может быть выполнена с помощью конструкции "замороженной" орбиты, но часто для маневров точного управления требуются двигатели. Для космических аппаратов на гало-орбите вокруг точки Лагранжа поддержание орбитальной станции является еще более фундаментальным, поскольку такая орбита нестабильна; без активного управления с использованием включения двигателей даже незначительное отклонение в положении или скорости приведет к тому, что космический аппарат полностью покинет орбиту.
In astrodynamics, orbital station keeping is keeping a spacecraft at a fixed distance from another spacecraft or celestial body. It requires a series of orbital maneuvers made with thruster burns to keep the active craft in the same orbit as its target. For many low Earth orbit satellites, the effects of non Keplerian forces, i. e. the deviations of the gravitational force of the Earth from that of a homogeneous sphere, gravitational forces from Sun/Moon, solar radiation pressure and air drag, must be counteracted. The deviation of Earth's gravity field from that of a homogeneous sphere and gravitational forces from the Sun and Moon will in general perturb the orbital plane. For a Sun synchronous orbit, the precession of the orbital plane caused by the oblateness of the Earth is a desirable feature that is part of mission design but the inclination change caused by the gravitational forces of the Sun and Moon is undesirable. For geostationary spacecraft, the inclination change caused by the gravitational forces of the Sun and Moon must be counteracted by a rather large expense of fuel, as the inclination should be kept sufficiently small for the spacecraft to be tracked by non steerable antennae. For spacecraft in a low orbit, the effects of atmospheric drag must often be compensated for, often to avoid re entry; for missions requiring the orbit to be accurately synchronized with the Earth’s rotation, this is necessary to prevent a shortening of the orbital period. Solar radiation pressure will in general perturb the eccentricity (i. e. the eccentricity vector); see Orbital perturbation analysis (spacecraft). For some missions, this must be actively counter acted with maneuvers. For geostationary spacecraft, the eccentricity must be kept sufficiently small for a spacecraft to be tracked with a non steerable antenna. Also for Earth observation spacecraft for which a very repetitive orbit with a fixed ground track is desirable, the eccentricity vector should be kept as fixed as possible. A large part of this compensation can be done by using a frozen orbit design, but often thrusters are needed for fine control maneuvers. For spacecraft in a halo orbit around a Lagrange point, station keeping is even more fundamental, as such an orbit is unstable; without an active control with thruster burns, the smallest deviation in position or velocity would result in the spacecraft leaving orbit completely.
Космический аппарат для наблюдения за Землей
Для космических аппаратов наблюдения за Землей, обычно работающих на высоте около 700–800 км над поверхностью Земли, сопротивление воздуха очень слабое, и повторный вход в атмосферу из-за сопротивления воздуха не представляет собой проблемы. Однако, если орбитальный период должен быть синхронизирован с вращением Земли для поддержания фиксированной наземной траектории, слабое сопротивление воздуха на этой высоте также необходимо компенсировать маневрами повышения орбиты, осуществляемыми импульсами двигателей, касательными к орбите. Эти маневры будут очень незначительными, как правило, порядка нескольких мм/с изменения скорости (Δv). Если используется схема "замороженной" орбиты, этих небольших маневров повышения орбиты достаточно для контроля и вектора эксцентриситета. Для поддержания фиксированной наземной траектории также необходимо выполнять маневры в плоскости орбиты, чтобы компенсировать изменение наклона, вызванное гравитацией Солнца и Луны. Они выполняются импульсами двигателей, ортогональными к плоскости орбиты. Для аппаратов, работающих в солнечно-синхронном режиме и сохраняющих постоянную ориентацию относительно Солнца, изменение наклона из-за гравитации Солнца особенно велико; для поддержания постоянного наклона может потребоваться изменение скорости (Δv) порядка 1–2 м/с в год.
Геостационарная орбита
Для геостационарных космических аппаратов необходимо выполнять включения двигателей, ортогональные к орбитальной плоскости, чтобы компенсировать влияние лунной/солнечной гравитации, вызывающее возмущение полюса орбиты, обычно около 0,85 градуса в год. Требуемое изменение скорости (дельта-v) для компенсации этого возмущения и поддержания наклона к экваториальной плоскости составляет порядка 45 м/с в год. Эта часть поддержания станции на геостационарной орбите называется управлением "Север-Юг". Управление "Восток-Запад" – это управление орбитальным периодом и вектором эксцентриситета, осуществляемое посредством включений двигателей по касательной к орбите. Эти включения предназначены для поддержания идеальной синхронизации орбитального периода с вращением Земли и обеспечения достаточно малого значения эксцентриситета. Возмущение орбитального периода обусловлено несовершенной осевой симметрией Земли относительно оси "Север-Юг", иногда называемой эллиптичностью экватора Земли. Эксцентриситет (то есть вектор эксцентриситета) подвержен воздействию давления солнечного излучения. Расход топлива, необходимый для управления "Восток-Запад", значительно меньше, чем для управления "Север-Юг". Для продления срока службы геостационарного космического аппарата с ограниченным запасом топлива иногда прекращают управление "Север-Юг", продолжая только управление "Восток-Запад". С точки зрения наблюдателя на вращающейся Земле, космический аппарат будет перемещаться с севера на юг с периодом в 24 часа. При достаточно большом перемещении с севера на юг для отслеживания космического аппарата потребуется управляемая антенна. Примером является система Artemis. Для снижения веса спутников GEO крайне важно использовать наиболее эффективную с точки зрения расхода топлива двигательную установку. Поэтому почти все современные спутники используют системы с высоким удельным импульсом, такие как плазменные или ионные двигатели.
Точки Лагранжа
Орбиты космических аппаратов также возможны вокруг точек Лагранжа, также называемых точками либрации, – пяти точек равновесия, существующих относительно двух крупных тел Солнечной системы. Например, в системе Солнце-Земля существует пять таких точек, пять в системе Земля-Луна и так далее. Космические аппараты могут находиться на орбите вокруг этих точек, требуя минимального расхода топлива для поддержания положения. Двумя орбитами, используемыми для этих целей, являются гало-орбиты и орбиты Лиссажу. Точка Лагранжа Земля-Солнце – примерно в 1,5 миллионах километров от Земли в направлении, противоположном Солнцу – является еще одной важной точкой Лагранжа, где космическая обсерватория ESA Herschel работала на орбите Лиссажу с 2009 по 2013 год, пока не закончился запас хладагента для космического телескопа. Небольшие орбитальные маневры для поддержания положения выполнялись примерно ежемесячно, чтобы удерживать аппарат на орбите. Космический телескоп Джеймса Уэбба будет использовать топливо для поддержания гало-орбиты вокруг точки Лагранжа L2 системы Земля-Солнце, что определяет верхний предел его расчетного срока службы: он рассчитан на десять лет. Однако высокая точность траектории после запуска ракетой-носителем Ariane 5 может удвоить срок службы телескопа, обеспечив больший запас гидразина, чем ожидалось. Орбитальный аппарат CAPSTONE и планируемая Лунная станция будут размещены на околопрямолинейной гало-орбите (NRHO) вокруг точки Лагранжа L2 системы Земля-Луна.