Орбита — траектория движения тела в поле¶
Орбита — это траектория движения одного тела относительно другого в гравитационном поле или под действием других сил. В астрономии и космонавтике под орбитой обычно понимают путь, по которому спутник, планета, комета или космический аппарат движется вокруг центрального тела (например, Земли, Солнца или другой планеты). Форма орбиты определяется соотношением скорости тела, расстояния до центрального объекта и его массы.
¶Классификация орбит
По форме траектории орбиты делятся на несколько типов:
- Круговые — расстояние до центрального тела постоянно, скорость движения также постоянна. Такие орбиты идеализированы и в природе встречаются редко.
- Эллиптические — наиболее распространённый тип. Тело движется по замкнутому эллипсу, расстояние до центрального тела меняется между перигелием (ближайшая точка) и афелием (дальняя точка) — для орбит вокруг Солнца, или перигеем и апогеем — для орбит вокруг Земли.
- Параболические — пограничный случай, при котором тело имеет ровно вторую космическую скорость и может бесконечно удаляться от центрального тела, но не вернётся.
- Гиперболические — траектории межзвёздных объектов, которые проходят мимо центрального тела и удаляются от него, не возвращаясь.
¶Законы Кеплера
Движение планет по орбитам описывается тремя законами, сформулированными Иоганном Кеплером в начале XVII века:
- Первый закон (закон эллипсов): каждая планета движется по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце.
- Второй закон (закон равных площадей): радиус-вектор, соединяющий планету с Солнцем, за равные промежутки времени описывает равные площади. Это означает, что планета движется быстрее вблизи перигелия и медленнее вдали от него.
- Третий закон: квадрат периода обращения планеты относится к кубу большого полуоси её орбиты как константа, общая для всех тел одной системы.
Законы Кеплера были обобщены Исааком Ньютоном в рамках теории всемирного тяготения, которая позволила вывести их из более общих принципов.
¶Основные элементы орбиты
Орбита полностью описывается набором параметров, называемых элементами орбиты:
| Элемент | Описание |
|---|---|
| Большая полуось | Половина длинной оси эллипса; определяет размер орбиты |
| Эксцентриситет | Мера отклонения орбиты от круга (0 — круг, 0 < e < 1 — эллипс, 1 — парабола, > 1 — гипербола) |
| Наклонение | Угол наклона орбиты к плоскости отсчёта (например, к плоскости экватора Земли) |
| Долгота восходящего узла | Точка пересечения орбиты с плоскостью отсчёта при движении с юга на север |
| Аргумент перицентра | Угол от узла до ближайшей точки орбиты |
| Эпоха | Момент времени, к которому относятся заданные элементы |
¶Орбиты в космонавтике
Для космических аппаратов особое значение имеют низкие околоземные орбиты (LEO, высота до 2000 км), средние орбиты (MEO, от 2000 до 35 786 км) и геостационарные орбиты (GEO, высота около 35 786 км, период обращения равен сидерическому периоду вращения Земли). На геостационарной орбите спутник, наблюдаемый с поверхности Земли, остаётся практически неподвижной точкой, что удобно для телевизионных и коммуникационных спутников.
Разгон космического аппарата до первой космической скорости (7,9 км/с у поверхности Земли) позволяет ему совершать полный оборот вокруг планеты, не падая на неё. Вторая космическая скорость (11,2 км/с) позволяет покинуть гравитационное поле Земли, а третья (16,7 км/с) — выйти на межпланетную траекторию.
¶Орбитальные манёвры
Изменение параметров орбиты осуществляется с помощью импульсных манёвров двигателя. Наиболее известный — манёвра Хоманна, при которой два импульса переводят аппарат с одной круговой орбиты на другую, расположенную в той же плоскости. Для выхода на геостационарную орбиту часто используют переходные орбиты с высоким эксцентриситетом (перигей на низкой орбите, апогей на целевой высоте).
¶Орбитальная механика в России
Россия имеет богатую историю в области орбитальной механики. Основы теории движения искусственных спутников были разработаны советскими учёными — М. В. Келышем, К. Э. Циолковским (основоположником теории ракетного движения), Л. С. Дудаковым и другими. Первый искусственный спутник Земли, запущенный 4 октября 1957 года, вышел на эллиптическую орбиту с перигеем 215 км и апогеем 947 км.
¶Интересные факты
- Все планеты Солнечной системы движутся по орбитам, лежащим вблизи плоскости эклиптики — отклонения не превышают 7°.
- У комет эксцентриситет орбиты может приближаться к единице, а период обращения составлять сотни тысяч лет.
- Из-за сопротивления разреженной атмосферы на низких околоземных орбитах спутники постепенно снижаются и в итоге сгорают при входе в плотные слои атмосферы.
Источники:
- Каплан И. Б. «Основы орбитальной механики»
- Барков Н. Н. «Курс небесной механики»
- Седов Л. И. «Механика сплошной среды»
- Энциклопедия «Космонавтика» (Бродский В. М., ред.)
- NASA — Orbital Mechanics