Орбита

Орбита — это траектория движения одного небесного тела относительно другого под действием гравитационных сил, а также математически описанный путь движения искусственного космического аппарата вокруг центрального тела (планеты, звезды, спутника). В более широком смысле термин применяется для обозначения замкнутой или незамкнутой кривой, по которой движется материальная точка в поле центральных сил.

История изучения

Представления об орбитах прошли долгий путь развития. В античности господствовала геоцентрическая система Птолемея, согласно которой планеты движутся по сложным комбинациям круговых орбит — деферентам и эпициклам. В XVI веке Николай Коперник предложил гелиоцентрическую модель, поместив Солнце в центр, но сохранив круговые орбиты. Иоганн Кеплер в начале XVII века, анализируя наблюдения Тихо Браге, сформулировал три закона движения планет, установив, что орбиты имеют форму эллипса, а не окружности. Исаак Ньютон в 1687 году математически обосновал законы Кеплера через закон всемирного тяготения и законы механики, показав, что орбита является коническим сечением.

С началом космической эры в 1957 году (запуск первого искусственного спутника Земли) термин «орбита» стал активно применяться к траекториям космических аппаратов. Развитие небесной механики и вычислительной техники позволило рассчитывать и прогнозировать орбиты с высокой точностью.

Типы орбит

Орбиты классифицируются по нескольким признакам: форме, наклонению, высоте, ориентации в пространстве и назначению.

По форме

• Эллиптическая орбита — замкнутая кривая, по которой тело движется вокруг центра притяжения. Ближайшая к центру точка называется перицентром (перигеем для Земли), наиболее удалённая — апоцентром (апогеем).
• Круговая орбита — частный случай эллиптической с эксцентриситетом, равным нулю. Скорость движения на такой орбите постоянна.
• Параболическая орбита — незамкнутая траектория, при которой тело имеет скорость, равную второй космической (скорости убегания). Тело уходит в бесконечность, не возвращаясь.
• Гиперболическая орбита — незамкнутая траектория с превышением второй космической скорости. Используется для межпланетных перелётов.

По наклонению

Наклонение орбиты — угол между плоскостью орбиты и плоскостью экватора центрального тела (или плоскостью эклиптики для орбит вокруг Солнца).

• Экваториальная орбита — наклонение близко к 0°. Спутник движется над экватором.
• Полярная орбита — наклонение около 90°. Спутник проходит над полюсами.
• Наклонная орбита — любое промежуточное значение. Геостационарная орбита является частным случаем экваториальной.
• Ретроградная орбита — наклонение более 90° (движение в направлении, противоположном вращению центрального тела).

По высоте (для околоземных орбит)

• Низкая околоземная орбита (НОО) — высота от 160 до 2000 км. Используется для пилотируемых кораблей (МКС, высота около 400 км), спутников дистанционного зондирования Земли.
• Средняя околоземная орбита (СОО) — высота от 2000 до 35 786 км. Наиболее известны навигационные спутники (ГЛОНАСС, GPS) на высоте около 20 000 км.
• Высокая околоземная орбита (ВОО) — высота более 35 786 км. Включает геостационарную орбиту.
• Геостационарная орбита (ГСО) — круговая орбита на высоте 35 786 км над экватором с периодом обращения 24 часа. Спутник на ней кажется неподвижным относительно точки на поверхности Земли. Используется для связи, телевещания, метеорологии.
• Высокоэллиптическая орбита (ВЭО) — эллиптическая орбита с высоким апогеем (до 40 000 км и более) и низким перигеем. Пример — орбита «Молния» (апогей над Северным полушарием), используемая для связи в высоких широтах.

По назначению

• Рабочая орбита — орбита, на которой космический аппарат выполняет целевую задачу (съёмка, связь, научные исследования).
• Переходная орбита — орбита, используемая для перехода с одной орбиты на другую (например, геопереходная орбита).
• Орбита захоронения — орбита, на которую выводят отработавшие спутники для снижения риска столкновений (обычно на 200–300 км выше ГСО).

Параметры орбиты

Для однозначного описания орбиты в небесной механике используются шесть кеплеровых элементов:

• Большая полуось (a) — определяет размер орбиты.
• Эксцентриситет (e) — характеризует вытянутость орбиты (0 — круг, 1 — парабола).
• Наклонение (i) — угол между плоскостью орбиты и базовой плоскостью.
• Долгота восходящего узла (Ω) — угол между направлением на точку весеннего равноденствия и линией узлов.
• Аргумент перицентра (ω) — угол между линией узлов и направлением на перицентр.
• Средняя аномалия (M) — положение тела на орбите в заданный момент времени.

Физические основы

Движение по орбите подчиняется закону всемирного тяготения Ньютона. Для круговой орбиты скорость (первая космическая) определяется как v = √(GM/r), где G — гравитационная постоянная, M — масса центрального тела, r — радиус орбиты. Для эллиптических орбит скорость меняется: максимальна в перицентре, минимальна в апоцентре (второй закон Кеплера).

На орбиту влияют возмущающие факторы: нецентральность гравитационного поля Земли (сплюснутость), сопротивление атмосферы (на низких орбитах), гравитационное воздействие Луны и Солнца, давление солнечного света. Для коррекции орбиты используются двигатели космических аппаратов.

Применение

Орбиты используются для размещения космических аппаратов различного назначения:

• Связь и телевещание — геостационарная орбита (спутники «Экспресс», «Ямал»), низкоорбитальные системы («Starlink» — компания SpaceX, зарегистрирована в США; «OneWeb»).
• Навигация — средняя околоземная орбита (ГЛОНАСС, GPS, BeiDou, Galileo).
• Дистанционное зондирование Земли — низкая околоземная орбита (спутники «Ресурс-П», «Канопус-В»).
• Научные исследования — орбиты вокруг Земли, Луны, Марса, Венеры, а также гелиоцентрические орбиты (телескопы «Хаббл», «Джеймс Уэбб»).
• Пилотируемая космонавтика — низкая околоземная орбита (МКС, китайская орбитальная станция «Тяньгун»).

Интересные факты

• Орбита Международной космической станции (МКС) корректируется несколько раз в год для компенсации торможения об атмосферу.
• Геостационарная орбита является ограниченным ресурсом: на ней может разместиться лишь конечное число спутников без взаимных помех.
• Существуют так называемые «кладбища» спутников — орбиты захоронения, куда выводят аппараты после завершения работы.
• Орбиты планет Солнечной системы лежат почти в одной плоскости (эклиптике), но имеют разный эксцентриситет (у Меркурия — 0,2056, у Венеры — 0,0068).

Источники

• «Небесная механика» — учебник для вузов, под ред. Г. Н. Дубошина.
• «Основы космонавтики» — В. П. Мишин, В. В. Сычёв.
• «Орбитальная механика» — Д. А. Валладо.
• Данные Роскосмоса и NASA.
• Энциклопедия «Космонавтика» (изд. «Советская энциклопедия», 1985).