В космическом полете орбитальный маневр (иначе известный как запуск ) — это использование двигательных установок для изменения орбиты космического корабля . Для космических кораблей, находящихся далеко от Земли (например, находящихся на орбитах вокруг Солнца), орбитальный маневр называется маневром в дальнем космосе (DSM) . [1]
Когда космический корабль не совершает маневр, особенно на переходной орбите , говорят, что он движется по инерции .
Уравнение Циолковского для ракеты, или уравнение идеальной ракеты, может быть полезным для анализа маневров транспортных средств, использующих ракетное движение. [2] Ракета прикладывает к себе ускорение ( тягу ), выбрасывая часть своей массы на большой скорости. Сама ракета движется благодаря закону сохранения импульса .
Применяемое изменение скорости каждого маневра называется дельта-v ( ).
Delta-v для всех ожидаемых маневров оцениваются для миссии и суммируются в бюджете delta-v . При хорошем приближении бюджета delta-v проектировщики могут оценить необходимое топливо для запланированных маневров.
Импульсный маневр — это математическая модель маневра как мгновенного изменения скорости космического корабля (величины и/или направления), как показано на рисунке 1. Это предельный случай сгорания для генерации определенного количества дельта-v, поскольку время сгорания стремится к нулю.
В физическом мире по-настоящему мгновенное изменение скорости невозможно, поскольку для этого потребовалась бы «бесконечная сила», приложенная в течение «бесконечно короткого времени», но как математическая модель она в большинстве случаев очень хорошо описывает влияние маневра на орбиту.
Смещение вектора скорости после окончания реального горения от вектора скорости в то же время, возникающего в результате теоретического импульсного маневра, вызвано только разницей в силе тяготения вдоль двух путей (красного и черного на рисунке 1), которая в целом невелика.
На этапе планирования космических миссий проектировщики сначала аппроксимируют предполагаемые изменения орбиты, используя импульсные маневры, что значительно снижает сложность поиска правильных орбитальных переходов.
Применение низкой тяги в течение длительного периода времени называется неимпульсным маневром . «Неимпульсный» относится к импульсу, изменяющемуся медленно в течение длительного времени, как в электрическом двигателе космического корабля , а не коротким импульсом.
Другой термин — конечный выгорание , где слово «конечный» используется в значении «ненулевой» или, по сути, в течение более длительного периода.
Для некоторых космических миссий, таких как миссии, включающие космическую встречу , требуются высокоточные модели траекторий для достижения целей миссии. Расчет «конечного» сгорания требует подробной модели космического корабля и его двигателей. Наиболее важными деталями являются: масса , центр масс , момент инерции , положения двигателей, векторы тяги, кривые тяги, удельный импульс , смещения центра тяжести тяги и расход топлива.
В космонавтике эффект Оберта заключается в том, что использование ракетного двигателя при движении на высокой скорости генерирует гораздо больше полезной энергии, чем при движении на низкой скорости. Эффект Оберта возникает из-за того, что у топлива больше полезной энергии (благодаря его кинетической энергии, находящейся поверх его химической потенциальной энергии), и оказывается, что транспортное средство может использовать эту кинетическую энергию для генерации большей механической мощности. Он назван в честь Германа Оберта , немецкого физика австро-венгерского происхождения и основателя современной ракетной техники , который, по-видимому, первым описал этот эффект. [3]
Эффект Оберта используется в маневре Оберта , когда приложение импульса, обычно от использования ракетного двигателя, вблизи гравитационного тела (где гравитационный потенциал низок, а скорость высока) может дать гораздо большее изменение кинетической энергии и конечной скорости (т. е. более высокую удельную энергию ), чем тот же импульс, приложенный дальше от тела для той же начальной орбиты.
Поскольку маневр Оберта происходит за очень ограниченное время (все еще на малой высоте), для создания большого импульса двигатель обязательно должен достичь большой тяги (импульс по определению — это время, умноженное на тягу). Таким образом, эффект Оберта гораздо менее полезен для двигателей с малой тягой, таких как ионные двигатели .
Исторически сложилось так, что отсутствие понимания этого эффекта привело исследователей к выводу, что для межпланетных путешествий потребуется совершенно непрактичное количество топлива, поскольку без него требуется огромное количество энергии. [3]
В астродинамике гравитационный маневр , гравитационная праща или обводка — это использование относительного движения и гравитации планеты или другого небесного тела для изменения траектории космического корабля, как правило, с целью экономии топлива, времени и расходов. Гравитационная помощь может использоваться для ускорения , замедления и /или изменения направления движения космического корабля.
«Помощь» обеспечивается движением (орбитальным угловым моментом ) гравитирующего тела, притягивающего космический корабль. [4] Впервые этот метод был предложен в качестве маневра на середине пути в 1961 году и использовался межпланетными зондами, начиная с Mariner 10 , включая два известных пролета зондов Voyager мимо Юпитера и Сатурна.
Маневры вывода на орбиту оставляют космический корабль на орбите назначения. Напротив, маневры вывода на орбиту происходят, когда космический корабль выходит на переходную орбиту, например, транслунный вывод (TLI), трансмарсианский вывод (TMI) и трансземной вывод (TEI). Они, как правило, больше, чем небольшие маневры коррекции траектории. Ввод, вывод и иногда инициирование используются для описания входа на орбиту спуска , например, маневр Powered Descent Initiation, используемый для лунных посадок Apollo.
В орбитальной механике орбита перехода Гомана — это эллиптическая орбита, используемая для перехода между двумя круговыми орбитами разной высоты в одной плоскости .
Орбитальный маневр для выполнения перехода Хохмана использует два импульса двигателя, которые перемещают космический корабль на орбиту перехода и с нее. Этот маневр был назван в честь Вальтера Хохмана , немецкого ученого, который опубликовал его описание в своей книге 1925 года Die Erreichbarkeit der Himmelskörper ( Доступность небесных тел ). [5] Хохман был частично вдохновлен немецким писателем-фантастом Курдом Ласвицем и его книгой 1897 года «Две планеты» . [ требуется ссылка ]
В космонавтике и аэрокосмической технике биэллиптический переход представляет собой орбитальный маневр, который перемещает космический аппарат с одной орбиты на другую и может в определенных ситуациях потребовать меньшего значения дельта-v, чем маневр перехода Хохмана .
Биэллиптический переход состоит из двух полуэллиптических орбит . С начальной орбиты применяется дельта-v, переводя космический аппарат на первую переходную орбиту с апоцентром в некоторой точке вдали от центрального тела . В этой точке применяется вторая дельта-v, отправляющая космический аппарат на вторую эллиптическую орбиту с перицентром в радиусе конечной желаемой орбиты, где выполняется третья дельта-v, выводящая космический аппарат на желаемую орбиту. [ необходима цитата ]
Хотя для них требуется на одно включение двигателя больше, чем для перехода Хохмана, и, как правило, требуется больше времени на поездку, некоторые биэллиптические переходы требуют меньшего количества общей дельта-v, чем для перехода Хохмана, когда отношение конечной к начальной большой полуоси составляет 11,94 или больше, в зависимости от выбранной промежуточной большой полуоси. [6]
Идея биэллиптической траектории перехода была впервые опубликована Ари Штернфельдом в 1934 году. [7]
Низкоэнергетический переход или низкоэнергетическая траектория — это маршрут в космосе, который позволяет космическому кораблю менять орбиты, используя очень мало топлива. [8] [9] Эти маршруты работают в системе Земля — Луна , а также в других системах, например, при перемещении между спутниками Юпитера . Недостатком таких траекторий является то, что они занимают гораздо больше времени, чем более высокоэнергетические (больше топлива) переходы, такие как орбиты перехода Хохмана .
Низкая передача энергии также известна как траектории слабой границы устойчивости или траектории баллистического захвата.
Низкоэнергетические передачи следуют по специальным путям в космосе, иногда называемым Межпланетной транспортной сетью . Следование по этим путям позволяет преодолевать большие расстояния с небольшими затратами дельта-v .
Изменение наклона орбиты — это орбитальный маневр, направленный на изменение наклона орбиты движущегося по орбите тела . Этот маневр также известен как изменение плоскости орбиты, поскольку плоскость орбиты наклонена. Этот маневр требует изменения вектора орбитальной скорости ( delta v ) в орбитальных узлах (т. е. точке пересечения исходной и желаемой орбит, линия орбитальных узлов определяется пересечением двух орбитальных плоскостей).
В целом, для выполнения изменений наклона может потребоваться большое количество delta-v, и большинство планировщиков миссий стараются избегать их, когда это возможно, чтобы сэкономить топливо. Обычно это достигается путем запуска космического корабля непосредственно в желаемом наклоне или как можно ближе к нему, чтобы свести к минимуму любые изменения наклона, необходимые в течение срока службы космического корабля.
Максимальная эффективность изменения наклона достигается в апогее (или апогее ), где орбитальная скорость самая низкая. В некоторых случаях может потребоваться меньшая общая дельта v, чтобы поднять космический корабль на более высокую орбиту, изменить плоскость орбиты в более высоком апогее, а затем опустить космический корабль на его исходную высоту. [10]
Траектории с постоянной тягой и постоянным ускорением предполагают, что космический корабль запускает свой двигатель в длительном постоянном режиме. В предельном случае, когда ускорение корабля велико по сравнению с локальным гравитационным ускорением, космический корабль направлен прямо на цель (с учетом движения цели) и продолжает постоянно ускоряться под действием высокой тяги, пока не достигнет цели. В этом случае с высокой тягой траектория приближается к прямой линии. Если требуется, чтобы космический корабль встретился с целью, а не совершил пролет, то космический корабль должен изменить свою ориентацию на полпути и замедлиться на оставшейся части пути.
В траектории с постоянной тягой [11] ускорение транспортного средства увеличивается в течение периода тяги, поскольку использование топлива означает, что масса транспортного средства уменьшается. Если вместо постоянной тяги транспортное средство имеет постоянное ускорение, тяга двигателя должна уменьшаться в течение траектории.
Эта траектория требует, чтобы космический корабль поддерживал высокое ускорение в течение длительного времени. Для межпланетных перелетов могут потребоваться дни, недели или месяцы постоянной тяги. В результате в настоящее время нет доступных систем движения космических кораблей, способных использовать эту траекторию. Было высказано предположение, что некоторые формы ядерных (основанных на делении или синтезе) или антиматерии ракет могли бы использовать эту траекторию.
На практике этот тип маневра используется в маневрах с малой тягой, например, с ионными двигателями , двигателями Холла и др. Эти типы двигателей имеют очень высокий удельный импульс (топливную эффективность), но в настоящее время доступны только с довольно низкой абсолютной тягой.
В астродинамике фазирование орбиты — это корректировка временного положения космического аппарата на его орбите , обычно описываемая как корректировка истинной аномалии орбитального космического аппарата .
Космическое рандеву — это последовательность орбитальных маневров, в ходе которых два космических аппарата , один из которых часто является космической станцией , прибывают на одну и ту же орбиту и сближаются на очень близкое расстояние (например, в пределах визуального контакта). Рандеву требует точного соответствия орбитальных скоростей двух космических аппаратов, что позволяет им оставаться на постоянном расстоянии посредством удержания орбитальной станции . За рандеву обычно следует стыковка или причаливание , процедуры, которые приводят космические аппараты в физический контакт и создают связь между ними.
