В астродинамике поддержание орбитальной станции — это удержание космического корабля на фиксированном расстоянии от другого космического корабля или небесного тела. Требуется серия орбитальных маневров с включением двигателей , чтобы удержать активный корабль на той же орбите, что и его цель. Для многих спутников, находящихся на низкой околоземной орбите , необходимо противодействовать эффектам некеплеровских сил, т.е. отклонениям гравитационной силы Земли от силы гравитации однородной сферы , гравитационным силам Солнца/Луны, давлению солнечной радиации и сопротивлению воздуха.
Отклонение гравитационного поля Земли от поля однородной сферы и гравитационные силы Солнца и Луны в целом будут возмущать плоскость орбиты. Для солнечно-синхронной орбиты прецессия орбитальной плоскости, вызванная сжатием Земли, является желательной особенностью, которая является частью конструкции миссии, но изменение наклонения, вызванное гравитационными силами Солнца и Луны, нежелательно. Для геостационарных космических аппаратов изменению наклонения, вызванному гравитационными силами Солнца и Луны, необходимо противодействовать довольно большим расходом топлива, поскольку наклон должен оставаться достаточно малым, чтобы космический корабль мог отслеживаться неуправляемыми антеннами.
Для космических кораблей, находящихся на низкой орбите, эффекты атмосферного сопротивления часто необходимо компенсировать, часто во избежание повторного входа в атмосферу; для миссий, требующих точной синхронизации орбиты с вращением Земли, это необходимо для предотвращения сокращения орбитального периода.
Давление солнечного излучения, как правило, нарушает эксцентриситет (т.е. вектор эксцентриситета); см. Анализ орбитальных возмущений (космический корабль) . В некоторых миссиях этому необходимо активно противодействовать маневрами. Для геостационарных космических аппаратов эксцентриситет должен быть достаточно малым, чтобы космический корабль можно было отслеживать с помощью неуправляемой антенны. Также для космических аппаратов наблюдения Земли , для которых желательна очень повторяющаяся орбита с фиксированной земной траекторией , вектор эксцентриситета следует сохранять как можно более фиксированным. Большая часть этой компенсации может быть достигнута за счет использования конструкции замороженной орбиты , но для точных маневров управления часто необходимы двигатели.
Для космического корабля, находящегося на гало-орбите вокруг точки Лагранжа , поддержание местоположения еще более важно, поскольку такая орбита нестабильна; без активного управления с включением двигателя малейшее отклонение положения или скорости привело бы к полному уходу космического корабля с орбиты. [1]
Для космического корабля, находящегося на очень низкой орбите, сопротивление атмосферы достаточно велико, чтобы вызвать повторный вход в атмосферу до предполагаемого завершения миссии, если время от времени не выполнять маневры по подъему на орбиту.
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 переводить на более высокую орбиту. Выбранная высота орбиты представляет собой компромисс между средней тягой, необходимой для противодействия сопротивлению воздуха, и импульсом, необходимым для отправки полезной нагрузки и людей на станцию.
GOCE , который вращался на высоте 255 км (позже уменьшенной до 235 км), использовал ионные двигатели , обеспечивающие тягу до 20 мН, чтобы компенсировать сопротивление на его лобовой поверхности площадью около 1 м 2 . [2]
Для космических аппаратов наблюдения Земли, которые обычно работают на высоте около 700–800 км над поверхностью Земли, сопротивление воздуха очень незначительное, и повторный вход в атмосферу из-за сопротивления воздуха не представляет проблемы. Но если период обращения должен быть синхронен с вращением Земли, чтобы поддерживать фиксированную земную траекторию , слабому сопротивлению воздуха на такой большой высоте также необходимо противодействовать маневрами по подъему на орбиту в виде включения двигателя по касательной к орбите. Эти маневры будут очень небольшими, обычно порядка нескольких мм/с delta-v . Если используется конструкция с замороженной орбитой, этих очень небольших маневров по повышению орбиты достаточно, чтобы также контролировать вектор эксцентриситета.
Чтобы поддерживать фиксированную траекторию движения, необходимо также совершать маневры вне плоскости, чтобы компенсировать изменение наклона, вызванное гравитацией Солнца и Луны. Они выполняются, когда двигатель работает ортогонально 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.
Для геостационарных космических аппаратов необходимо выполнить включение двигателя ортогонально плоскости орбиты, чтобы компенсировать эффект лунной/солнечной гравитации, которая возмущает полюс орбиты обычно со скоростью 0,85 градуса в год. [3] Дельта-v, необходимая для компенсации этого возмущения при сохранении наклона к экваториальной плоскости, составляет порядка 45 м/с в год. Эта часть управления геолокационной станцией называется контролем Север-Юг. [4]
Управление Восток-Запад - это управление орбитальным периодом и вектором эксцентриситета, осуществляемое путем включения двигателя по касательной к орбите. Эти ожоги затем предназначены для поддержания идеальной синхронизации орбитального периода с вращением Земли и сохранения достаточно малого эксцентриситета. Возмущение орбитального периода является результатом несовершенной вращательной симметрии Земли относительно оси Север/Юг, которую иногда называют эллиптичностью земного экватора. Эксцентриситет (т.е. вектор эксцентриситета) возмущается давлением солнечного излучения . Топлива, необходимого для контроля Восток-Запад, намного меньше, чем необходимо для контроля Север-Юг.
Чтобы продлить срок службы геостационарных космических аппаратов с небольшим количеством топлива, иногда прекращают управление Север-Юг, продолжая только управление Восток-Запад. Как видно наблюдателю на вращающейся Земле, космический корабль затем будет двигаться с севера на юг с периодом 24 часа. Когда движение с севера на юг становится слишком большим, для отслеживания космического корабля необходима управляемая антенна. Пример этого [ когда? ] — Артемида . [ нужна цитата ]
Для снижения веса крайне важно, чтобы спутники GEO имели наиболее экономичную двигательную установку. Поэтому почти все современные спутники используют системы с высоким удельным импульсом, такие как плазменные или ионные двигатели .
Орбиты космических кораблей также возможны вокруг точек Лагранжа , также называемых точками либрации, — пяти точек равновесия, которые существуют по отношению к двум более крупным телам Солнечной системы. Например, таких точек пять в системе Солнце-Земля, пять в системе Земля-Луна и так далее. Космический корабль может вращаться вокруг этих точек с минимальным запасом топлива, необходимым для поддержания станции. Две орбиты, которые использовались для таких целей, включают гало и орбиту Лиссажу . [5]
Одной из важных точек Лагранжа является Земля-Солнце L 1 , и примерно с 2000 года на орбите L1 вращаются три гелиофизические миссии. Использование топлива для поддержания станции может быть довольно низким, что облегчает миссии, которые потенциально могут длиться десятилетия, если другие системы космических кораблей останутся в рабочем состоянии. Каждый из трех космических аппаратов — Advanced Composition Explorer (ACE), Солнечная гелиосферная обсерватория (SOHO) и спутник Global Geoscience WIND — 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 антисолнечном направлении — является еще одной важной точкой Лагранжа, и космическая обсерватория ЕКА «Гершель» работала там на орбите Лиссажу в 2009–2013 годах, в это время она работала закончилась охлаждающая жидкость для космического телескопа . Примерно ежемесячно выполнялись небольшие орбитальные маневры по удержанию станции для удержания космического корабля на орбите удержания станции. [1]
Космический телескоп Джеймса Уэбба будет использовать топливо для поддержания своей гало-орбиты вокруг Земли-Солнца L2, что обеспечивает верхний предел его расчетного срока службы: оно рассчитано на десять лет. [6] Однако точность траектории после запуска Ariane 5 потенциально может удвоить срок службы телескопа, поскольку на борту останется больше гидразинового топлива , чем ожидалось. [7] [8]
Орбитальный аппарат CAPSTONE и планируемый Lunar Gateway будут размещены на околопрямолинейной гало-орбите (NRHO) вокруг точки Лагранжа L2 Земля-Луна. [9] [10] [11]
Три гелиофизические миссии – Advanced Composition Explorer (ACE), Солнечная гелиосферная обсерватория (SOHO) и Global Geoscience WIND – постоянно вращаются вокруг внутренней точки либрации Солнца и Земли L1 с 1997, 1996 и 2004 годов… Типичный интервал между ожогами для этого трио составляет около трех месяцев, а типичная дельта-V значительно меньше 0,5 м/сек. Типичные годовые затраты на содержание станции составляют около 1,0 м/с для ACE и WIND и намного меньше, чем для SOHO. У всех трех космических кораблей осталось достаточно топлива; за исключением непредвиденных обстоятельств, все три, в принципе, могли бы сохраняться на уровне L1 в течение десятилетий.