Главная - Задачи астрономии - Движение искусственных спутников Земли


Движение искусственных спутников Земли
Наука - Задачи астрономии

Запуском 4 октября 1957 г. первого в мире советского искусственного спутника

Земли человечество открыло новую эру в своей истории - эру создания

искусственных небесных тел.

Хотя искусственные небесные тела подчиняются тем же законам, что и естественные,

некоторые особенности их орбит и условия, определяющие характер их движения,

заслуживают отдельного рассмотрения.

Искусственные спутники Земли (ИСЗ) выводятся на орбиту с помощью многоступенчатых ракет. Последняя ступень ракеты сообщает спутнику определенную скорость на заданной высоте. Тело, запущенное горизонтально на высоте h от поверхности Земли, станет ИСЗ, если его скорость в этот момент окажется достаточной.

Если скорость запуска точно равна круговой скорости на данной высоте h, то тело будет двигаться по круговой орбите.

Если эта скорость превышает круговую, то тело будет двигаться по эллипсу, причем перигей этого эллипса окажется в точке выхода на орбиту.

Если же сообщенная скорость несколько меньше круговой, а высота h достаточно большая, то тело также будет двигаться по эллиптической орбите, но в этом случае точка выхода на орбиту станет апогеем.

Масса искусственного спутника ничтожно мала в сравнении с массой Земли и ею можно пренебречь; тогда круговая скорость vc на расстоянии r = R + h от центра Земли согласно (2.19) и (2.25) будет

(2.27)

где т - масса Земли, R - ее радиус, g - ускорение силы тяжести у поверхности Земли, h - высота точки запуска спутника от поверхности Земли.

У воображаемого спутника, движущегося по окружности у самой поверхности Земли (h = 0), при R = 6,370 є108 см и g  = 981 см/сек2 скорость должна быть равна v1к = 7,91 км/сек.

Скорость v1к называется первой космической скоростью относительно Земли. Однако из-за наличия вокруг Земли атмосферы спутник, движущийся у самой ее поверхности, реально существовать не может. Поэтому запуск ИСЗ производится на некоторой

высоте h (h > 150 км). Круговая скорость на высоте h меньше первой космической скорости v1к  и определяется из уравнения (2.27) или по формуле

.

Элементы орбиты ИСЗ зависят от места и времени его запуска, от величины и направления начальной скорости. Связь между большой полуосью а орбиты спутника и его начальной скоростью v0 , согласно интегралу энергии (2.18), определяется формулой

где r0 - расстояние точки выхода ИСЗ на орбиту от центра Земли.

Обычно запуск ИСЗ производится горизонтально, точнее, перпендикулярно к радиальному направлению. Эксцентриситет орбиты е при горизонтальном запуске равен

где q - расстояние перигея (ближайшей точки орбиты от центра Земли).

В случае эллиптической орбиты (рис. 35) q = а (1 - е) = R + hП , где hП - линейная высота перигея над поверхностью Земли. Расстояние апогея (наиболее

удаленной точки орбиты от центра Земли) Q = a (l + e) = R + hA , где hA - высота апогея над земной поверхностью. Если запуск произведен в перигее (чего

может и не быть), то r0 = q = R  + hП  .

Зависимость формы орбиты ИСЗ от начальной скорости, с которой он выведен на орбиту, показана на рис. 36. Если в точке К спутнику сообщена горизонтальная скорость, равная круговой для этого расстояния от центра Земли, то он будет двигаться по круговой орбите (I). Если начальная скорость. в точке К меньше соответствующей круговой, то спутник будет двигаться по эллипсу (II), а при очень малой скорости по эллипсу (III), сильно вытянутому и пересекающему поверхность Земли; в этом случае запущенный спутник упадет на поверхность Земли, не совершив и одного оборота. Если скорость в точке К больше соответствующей круговой, но меньше соответствующей параболической, то спутник будет двигаться по эллипсу (IV).

Примерное расположение эллиптической орбиты спутника в пространстве показано на рис. 37. Здесь i - наклонение орбиты спутника к экватору Земли, < - восходящий узел орбиты,  > - нисходящий узел, П - перигей орбиты, А - апогей орбиты, ^ - проекция точки весеннего равноденствия на земном экваторе, W - прямое восхождение восходящего узла, w  - угловое расстояние перигея от восходящего узла.

Период обращения ИСЗ определяется по третьему закону Кеплера (2.23). Он равен или, если иметь в виду (2.25),

Если а выражать в километрах, то при R = 6370 км и g = 981 см/сек2 период обращения спутника получится в минутах из следующей формулы:

Основных причин, изменяющих орбиту ИСЗ, две: действие экваториального утолщения Земли и влияние сопротивления атмосферы Земли. Первая причина вызывает вековые возмущения восходящего узла DW и перигея Dw, которые легко учитываются по формулам небесной механики. Вторая причина вызывает уменьшение большой полуоси а, т.е. высоты h, и изменение формы орбиты. Поскольку плотность атмосферы быстро падает с высотой, основное сопротивление и уменьшение скорости спутник испытывает вблизи перигея. Вследствие этого высота апогея орбиты спутника с каждым оборотом заметно уменьшается (высота перигея уменьшается гораздо медленнее). В результате уменьшается большая полуось и эксцентриситет орбиты; орбита спутника постепенно округляется. Когда высота апогея становится сравнимой с высотой перигея, спутник испытывает торможение и теряет свою скорость вдоль почти всей орбиты, уменьшение высоты апогея и перигея происходит еще быстрее, и спутник, приближаясь по спирали к поверхности Земли, входит в плотные слои атмосферы и сгорает. Так как спутник с каждым оборотом снижается, то его потенциальная энергия уменьшается, часть ее переходит в кинетическую энергию.

Это приращение кинетической энергии с избытком покрывает энергию движения, которая теряется при торможении. Поэтому скорость спутника не уменьшается, а наоборот, увеличивается, в то время как орбита уменьшается. Следовательно, по мере снижения спутника его период обращения вокруг Земли сокращается.

Описанное возмущенное движение спутника дано в первом приближении. В действительности элементы орбиты спутника испытывают более сложные и разнообразные возмущения. Сжатие Земли, отличие гравитационного поля от поля сферически-симметричной притягивающей массы, вызывают не только вековые возмущения долготы восходящего узла <, и расстояния перигея от узла w. Они являются также причиной их периодических возмущений, а также эксцентриситета е (правда, весьма умеренных) и малых колебаний наклонения орбиты к экватору i. Наличие атмосферы вызывает не только вековое уменьшение большой полуоси а и эксцентриситета е. Боковое давление на спутник, создаваемое вращающей атмосферой, приводит к монотонному изменению i, знак которого определяется направлением движения спутника на орбите. Атмосфера обусловливает также малые периодические изменения < и w.

Наконец, возмущающие действия Луны и Солнца вызывают малые периодические возмущения всех элементов орбиты спутника.

 


Читайте:


Добавить комментарий


Защитный код
Обновить

Планеты соседи:

Фотосфера

News image

Видимая поверхность Солнца. Достигая толщины около 0,001 RD (200-300 км), пл...

Нептун. Общие сведения

News image

Нептун - восьмая по счету планета Солнечной системы. Средняя удаленность Не...

Строение Солнца

News image

ЯДРО - где температура в центре равна 27 м...

Меркурий

News image

Меркурий - самая близкая к Солнцу планета. Среднее расстояние от Ме...

В космосе...

Новая гипотеза образования воды на Луне

News image

Американский ученый предложил новую гипотезу образования воды на Луне, которая предполагает, что в недрах спутника содержатся значительные запасы воды. Сразу тр...

Мой взгляд на космические журналы. Космонавт У Цзе о «Н

News image

Уже достаточно давно у меня сформировалось определенное отношение к космическим журналам. В 1997 г. я приехал учиться в российский Центр по...

Марсоход Спирит застрял окончательно

News image

Американское космическое агентство (NASA) решило отказаться от дальнейших попыток вызволить марсоход Спирит (Spirit), застрявший в песке Красной планеты в ...

Следы недавних вулканических извержений на Меркурии

News image

Астрономы обнаружили очередные доказательства недавнего вулканического прошлого Меркурия. Свои результаты они представили на съезде Американского геологического общества в Портленде, а кр...

Авторизация



Новости космонавтики:

Купить игровую мышь: рекомендации экспер

News image

Регулярная работа за ноутбуком имеет кучу своих плюсов. Однако существуют и недостатки, так как, например, транспортировка его держа в руках – далеко не всегда хорошая ...

Шпунт л 5 (технические характеристики, Г

News image

Фактически за все время своего существования человек что-то строил. С каждым днем разрабатываются новые технологии строительства зданий и конструкций самых различных масштабов.  Работа экспертов на ...

Выбрать и купить шарико винтовую пару ил

News image

Практически каждый директор предприятия обязательно должен иметь на вооружении мелкий или крупный набор деталей для производственных машин. Это могут быть как детали или механизмы для ...

Как выполняется демонтаж металлоконструк

News image

Демонтаж металлоконструкций – так называется процесс по резке, разборке либо распилу металла на части, в будущем его используют повторно, либо отправляют в специальный пункт приема ...