В астродинамике поддержание орбитальной станции означает удержание космического корабля на фиксированном расстоянии от другого космического корабля или небесного тела. Для этого требуется серия орбитальных маневров, выполняемых с помощью двигателей малой тяги , чтобы удерживать активный корабль на той же орбите, что и его цель. Для многих спутников на низкой околоземной орбите необходимо компенсировать эффекты некеплеровских сил, то есть отклонения силы тяги Земли от силы тяги однородной сферы , силы тяги Солнца/Луны, давление солнечного излучения и сопротивление воздуха .
Отклонение гравитационного поля Земли от однородной сферы и гравитационные силы Солнца и Луны в целом будут возмущать плоскость орбиты. Для солнечно-синхронной орбиты прецессия орбитальной плоскости, вызванная сплющенностью Земли, является желательной особенностью, которая является частью дизайна миссии, но изменение наклона, вызванное гравитационными силами Солнца и Луны, нежелательно. Для геостационарного космического корабля изменение наклона, вызванное гравитационными силами Солнца и Луны, должно быть нейтрализовано довольно большим расходом топлива, поскольку наклонение должно поддерживаться достаточно малым для отслеживания космического корабля неуправляемыми антеннами.
Для космических аппаратов на низкой орбите часто приходится компенсировать влияние атмосферного сопротивления , зачастую для того, чтобы избежать повторного входа в атмосферу; для миссий, требующих точной синхронизации орбиты с вращением Земли, это необходимо для предотвращения сокращения орбитального периода.
Давление солнечного излучения в целом будет возмущать эксцентриситет (т. е. вектор эксцентриситета); см. Анализ возмущений орбиты (космический аппарат) . Для некоторых миссий это должно активно противодействовать маневрам. Для геостационарных космических аппаратов эксцентриситет должен быть достаточно малым, чтобы космический аппарат можно было отслеживать с помощью неуправляемой антенны. Также для космических аппаратов наблюдения за Землей , для которых желательна очень повторяющаяся орбита с фиксированной наземной траекторией , вектор эксцентриситета должен быть максимально фиксированным. Значительная часть этой компенсации может быть выполнена с использованием конструкции замороженной орбиты , но часто для точных маневров управления необходимы двигатели.
Для космических аппаратов на гало-орбите вокруг точки Лагранжа поддержание стационарной орбиты имеет еще более важное значение, поскольку такая орбита нестабильна; без активного управления с помощью двигателей малейшее отклонение положения или скорости приведет к полному сходу космического аппарата с орбиты. [1]
Для космических аппаратов на очень низкой орбите сопротивление атмосферы достаточно велико, чтобы вызвать возвращение в атмосферу до предполагаемого окончания миссии, если время от времени не выполнять маневры по повышению орбиты.
Примером этого является Международная космическая станция (МКС), рабочая высота которой над поверхностью Земли составляет от 400 до 430 км (250-270 миль). Из-за сопротивления атмосферы космическая станция постоянно теряет орбитальную энергию. Чтобы компенсировать эту потерю, которая в конечном итоге приведет к повторному входу станции в атмосферу, ее необходимо время от времени выводить на более высокую орбиту. Выбранная высота орбиты является компромиссом между средней тягой, необходимой для противодействия сопротивлению воздуха, и импульсом, необходимым для отправки полезных грузов и людей на станцию.
GOCE , орбита которого находилась на высоте 255 км (позже ее уменьшили до 235 км), использовал ионные двигатели для создания тяги до 20 мН, чтобы компенсировать сопротивление на лобовой площади около 1 м2 . [ 2]
Для космических аппаратов наблюдения за Землей, которые обычно работают на высоте над поверхностью Земли около 700–800 км, сопротивление воздуха очень слабое, и повторный вход в атмосферу из-за сопротивления воздуха не вызывает беспокойства. Но если орбитальный период должен быть синхронизирован с вращением Земли для поддержания фиксированной траектории движения по земле , слабое сопротивление воздуха на этой большой высоте также должно быть нейтрализовано маневрами по повышению орбиты в виде работы двигателей по касательной к орбите. Эти маневры будут очень небольшими, обычно порядка нескольких мм/с дельта-v . Если используется конструкция замороженной орбиты , то эти очень небольшие маневры по повышению орбиты достаточны для управления вектором эксцентриситета.
Для поддержания фиксированной траектории на земле также необходимо выполнять внеплоскостные маневры, чтобы компенсировать изменение наклона, вызванное гравитацией Солнца/Луны. Они выполняются при включении двигателя под прямым углом к плоскости орбиты. Для солнечно-синхронных космических аппаратов, имеющих постоянную геометрию относительно Солнца, изменение наклона из-за солнечной гравитации особенно велико; для поддержания постоянного наклона может потребоваться дельта-v порядка 1–2 м/с в год. [ необходима цитата ]
Для геостационарных космических аппаратов включение двигателей ортогонально плоскости орбиты должно быть выполнено для компенсации эффекта лунной/солнечной гравитации, которая обычно возмущает полюс орбиты на 0,85 градуса в год. [3] Дельта-v, необходимая для компенсации этого возмущения, сохраняя наклон к экваториальной плоскости, составляет порядка 45 м/с в год. Эта часть удержания станции GEO называется управлением Север-Юг. [4]
Управление Восток-Запад - это управление орбитальным периодом и вектором эксцентриситета, выполняемое путем включения двигателей по касательной к орбите. Затем эти включения проектируются так, чтобы поддерживать орбитальный период идеально синхронным с вращением Земли и поддерживать эксцентриситет достаточно малым. Возмущение орбитального периода возникает из-за несовершенной вращательной симметрии Земли относительно оси Север/Юг, иногда называемой эллиптичностью земного экватора. Эксцентриситет (т. е. вектор эксцентриситета) возмущается давлением солнечного излучения . Топливо, необходимое для этого управления Восток-Запад, намного меньше, чем то, что необходимо для управления Север-Юг.
Чтобы продлить срок службы геостационарного космического корабля с небольшим количеством оставшегося топлива, иногда прекращают управление по направлению Север-Юг, продолжая только управление по направлению Восток-Запад. Как видно с наблюдателя на вращающейся Земле, космический корабль будет тогда двигаться по направлению Север-Юг с периодом 24 часа. Когда это движение по направлению Север-Юг становится слишком большим, для отслеживания космического корабля требуется управляемая антенна. Примером этого [ когда? ] является Артемида . [ нужна цитата ]
Для экономии веса спутникам GEO крайне важно иметь самую экономичную двигательную систему. Поэтому почти все современные спутники используют высокоудельную импульсную систему, например плазменные или ионные двигатели .
Орбиты космических аппаратов также возможны вокруг точек Лагранжа — также называемых точками либрации — пяти точек равновесия, которые существуют относительно двух более крупных тел солнечной системы. Например, существует пять таких точек в системе Солнце-Земля, пять в системе Земля-Луна и так далее. Космические аппараты могут вращаться вокруг этих точек с минимальным количеством топлива, необходимым для поддержания стационарности. Две орбиты, которые использовались для таких целей, включают гало и орбиты Лиссажу . [5]
Одной из важных точек Лагранжа является точка Земля-Солнце L 1 , и три гелиофизические миссии вращаются вокруг L1 примерно с 2000 года. Расход топлива для поддержания станции может быть довольно низким, что облегчает миссии, которые потенциально могут длиться десятилетиями, если другие системы космических аппаратов останутся работоспособными. Три космических аппарата — Advanced Composition Explorer (ACE), Solar Heliospheric Observatory (SOHO) и спутник Global Geoscience WIND — каждый из них имеет ежегодную потребность в топливе для поддержания станции примерно 1 м/с или меньше. [5] Земля-Солнце L 2 — примерно в 1,5 миллионах километров от Земли в направлении против Солнца — является еще одной важной точкой Лагранжа, и космическая обсерватория ESA Herschel работала там на орбите Лиссажу в 2009–2013 годах, когда у нее закончился охладитель для космического телескопа . Небольшие орбитальные маневры для поддержания станции выполнялись примерно ежемесячно, чтобы поддерживать космический аппарат на орбите поддержания станции. [1]
Космический телескоп Джеймса Уэбба будет использовать топливо для поддержания своей гало-орбиты вокруг точки L2 Земля-Солнце, что обеспечивает верхний предел его проектного срока службы: он проектируется с расчетом на десять лет. [6] Однако точность траектории после запуска с помощью Ariane 5 , как полагают, потенциально удвоит срок службы телескопа, оставив на борту больше гидразинового топлива, чем ожидалось. [7] [8]
Орбитальный аппарат CAPSTONE и запланированный Lunar Gateway размещены вдоль синодически резонансной 9:2 почти прямолинейной гало-орбиты (NRHO) вокруг точки Лагранжа L2 системы Земля-Луна. [9] [10] [11]
Три гелиофизические миссии — Advanced Composition Explorer (ACE), Solar Heliospheric Observatory (SOHO) и Global Geoscience WIND — непрерывно вращаются вокруг внутренней точки либрации L1 системы Солнце-Земля с 1997, 1996 и 2004 годов... типичный интервал между включениями для этой тройки составляет около трех месяцев, а типичная дельта-V намного меньше 0,5 м/с. Типичные годовые затраты на поддержание станции составляют около 1,0 м/с для ACE и WIND и намного меньше, чем для SOHO. У всех трех космических аппаратов достаточно топлива; если не возникнет непредвиденных обстоятельств, все три, в принципе, могли бы поддерживаться на уровне L1 в течение десятилетий.