Геоцентрическая орбита

Геоцентрическая орбита , околоземная орбита или околоземная орбита включает в себя любой объект , вращающийся вокруг Земли , например Луну или искусственные спутники . По оценкам НАСА, в 1997 году на орбите Земли находилось около 2465 полезных нагрузок искусственных спутников и 6216 единиц космического мусора , отслеживаемых Центром космических полетов Годдарда . ^[1] Более 16 291 ранее запущенных объектов претерпели орбитальный распад и вошли в атмосферу Земли . ^[1]

Космический корабль выходит на орбиту, когда его центростремительное ускорение силы тяжести меньше или равно центробежному ускорению, обусловленному горизонтальной составляющей его скорости. Для низкой околоземной орбиты эта скорость составляет около 7,8 км/с (28 100 км/ч; 17 400 миль в час); ^[2] Напротив, самая высокая скорость самолета с экипажем, когда-либо достигнутая (исключая скорости, достигнутые при сходе с орбиты космического корабля), составила 2,2 км / с (7900 км / ч; 4900 миль в час) в 1967 году на самолете North American X-15 . ^[3] Энергия, необходимая для достижения орбитальной скорости Земли на высоте 600 км (370 миль), составляет около 36 МДж / кг, что в шесть раз превышает энергию, необходимую просто для подъема на соответствующую высоту. ^[4]

Космический корабль с перигеем ниже примерно 2000 км (1200 миль) подвержен воздействию атмосферы Земли. ^[5] что уменьшает высоту орбиты. Скорость распада орбиты зависит от площади поперечного сечения и массы спутника, а также от изменений плотности воздуха в верхних слоях атмосферы. Ниже примерно 300 км (190 миль) распад становится более быстрым, а время жизни измеряется днями. Как только спутник опустится на высоту 180 км (110 миль), у него останется всего несколько часов, прежде чем он испарится в атмосфере. ^[6] Скорость отрыва, необходимая для того, чтобы полностью освободиться от гравитационного поля Земли и переместиться в межпланетное пространство, составляет около 11,2 км / с (40 300 км / ч; 25 100 миль в час). ^[7]

Список терминов и понятий

Высота: здесь используется высота объекта над средней поверхностью океанов Земли ( средний уровень моря ).
Аналемма: термин в астрономии , используемый для описания графика положения Солнца на небесной сфере в течение одного года. Очень напоминает восьмерку.
Апогей: это самая дальняя точка, в которой спутник или небесное тело может удалиться от Земли, в которой орбитальная скорость будет минимальной.
Эксцентриситет: мера того, насколько орбита отклоняется от идеального круга. Эксцентриситет строго определен для всех круговых и эллиптических орбит , а также параболических и гиперболических траекторий .
Экваториальная плоскость: здесь используется воображаемая плоскость, простирающаяся от экватора Земли до небесной сферы .
Скорость убегания: Как здесь используется, это минимальная скорость, которую должен иметь объект без движения , чтобы удалиться от Земли на неопределенный срок. Объект с этой скоростью войдет в параболическую траекторию ; выше этой скорости он войдет на гиперболическую траекторию .
Импульс: интеграл , силы по времени в течение которого она действует. Измеряется в ( Н · сек или фунт *сек).
Наклон: угол плоскостью между базовой плоскостью другой . или осью и В обсуждаемом здесь смысле эталонной плоскостью Земли является экваториальная плоскость .
Орбитальная дуга: воображаемая дуга на небе, видимая из любого места на поверхности Земли.
Орбитальные характеристики: шесть параметров кеплеровских элементов необходимы для однозначного определения этой орбиты.
Орбитальный период: как определено здесь, это время, необходимое спутнику для совершения одного полного оборота вокруг Земли.
Perigee: — ближайшая точка сближения спутника или небесного тела с Землей, в которой орбитальная скорость будет максимальной.
Звездный день: время, за которое небесный объект поворачивается на 360°. Для Земли это: 23 часа 56 минут 4,091 секунды.
Солнечное время: здесь используется местное время, измеряемое солнечными часами .
Скорость: скорость объекта в определенном направлении. Поскольку скорость определяется как вектор , для ее определения необходимы как скорость, так и направление.

Типы

Ниже приводится список различных классификаций геоцентрических орбит.

Классификации высот

Трансатмосферная орбита (ТАО): Геоцентрические орбиты с высотой в апогее более 100 км (62 миль) и перигеем , пересекающимся с определенной атмосферой . ^[8]
Низкая околоземная орбита (НОО): Геоцентрические орбиты высотой от 160 км (100 миль) до 2000 км (1200 миль) над средним уровнем моря . На высоте 160 км один оборот занимает примерно 90 минут, а круговая орбитальная скорость составляет 8 км/с (26 000 футов/с).
Средняя околоземная орбита (СОО): Геоцентрические орбиты с высотой в апогее от 2000 км (1200 миль) до высоты геосинхронной орбиты 35 786 км (22 236 миль).
Геосинхронная орбита (GEO): Геоцентрическая круговая орбита высотой 35 786 км (22 236 миль). Период обращения равен одним сидерическим суткам , совпадающим с периодом вращения Земли. Скорость составляет примерно 3 км/с (9800 футов/с).
Высокая околоземная орбита (HEO): Геоцентрические орбиты с высотой в апогее выше, чем у геостационарной орбиты. Особым случаем высокой околоземной орбиты является сильно эллиптическая орбита , где высота в перигее составляет менее 2000 км (1200 миль). ^[9]

Классификации наклона

Наклонная орбита

Орбита, наклонение которой относительно плоскости экватора не равно 0.

Полярная орбита: Спутник, проходящий над обоими полюсами планеты или почти над ними при каждом обороте. Следовательно, его наклон составляет (или очень близок к этому) 90 градусов .
Синхронная орбита Полярного Солнца: Почти полярная орбита , проходящая через экватор в одно и то же местное время при каждом прохождении . Полезно для спутников, производящих снимки, поскольку тени будут одинаковыми при каждом проходе.

Классификации эксцентриситета

Круговая орбита

Орбита с эксцентриситетом 0 , траектория которой проходит по окружности.

Эллиптическая орбита

Орбита с эксцентриситетом больше 0 и меньше 1, орбита которой повторяет траекторию эллипса .

Переходная орбита Гомана

Орбитальный маневр, при котором космический корабль перемещается с одной круговой орбиты двигателя на другую с помощью двух импульсов . Этот маневр был назван в честь Вальтера Хомана .

Геосинхронная переходная орбита (ГТО)

Геоцентрически -эллиптическая орбита , на которой перигей находится на высоте низкой околоземной орбиты (НОО), а апогей — на высоте геостационарной орбиты .

Высокоэллиптическая орбита (HEO)

Геоцентрическая орбита с апогеем выше 35 786 км и низким перигеем (около 1000 км), что приводит к длительному времени пребывания вблизи апогея.

Molniya orbit: с Высокоэллиптическая орбита наклонением 63,4 ° и периодом обращения ½ звездных суток (примерно 12 часов). Такой спутник большую часть времени проводит над заданным участком Земли.
Тундра орбиты: Высокоэллиптическая орбита с наклонением 63,4 ° и орбитальным периодом в один звездный день (примерно 24 часа). Такой спутник большую часть времени проводит над заданным участком Земли.

Гиперболическая траектория

объекта «Орбита» с эксцентриситетом больше 1. Скорость достигает некоторого значения, превышающего скорость убегания , поэтому он выйдет из-под гравитационного притяжения Земли и продолжит двигаться бесконечно со скоростью (относительно Земли), замедляющейся до некоторой конечной значение, известное как гиперболическая избыточная скорость .

Траектория побега: Эту траекторию необходимо использовать для запуска межпланетного зонда от Земли, поскольку именно превышение скорости убегания меняет его гелиоцентрическую орбиту по сравнению с орбитой Земли.
Захват траектории: Это зеркальное отражение траектории бегства; объект, движущийся с достаточной скоростью и не направленный прямо на Землю, будет двигаться к ней и ускоряться. При отсутствии импульса тормозного двигателя для вывода его на орбиту он будет следовать по траектории отхода после перицентра.

Параболическая траектория: объекта «Орбита» с эксцентриситетом, точно равным 1. Скорость равна скорости убегания , поэтому он выйдет из-под гравитационного притяжения Земли и продолжит двигаться со скоростью (относительно Земли), замедляющейся до 0. Космический корабль, запущенный с Земли с этой скоростью улетел бы на некоторое расстояние от него, но следовал бы за ним вокруг Солнца по той же гелиоцентрической орбите . Возможно, но маловероятно, что приближающийся к Земле объект сможет следовать по параболической траектории захвата, но скорость и направление должны быть точными.

Классификации направлений

Подвижная орбита: орбита, на которой проекция объекта на экваториальную плоскость вращается вокруг Земли в том же направлении, что и вращение Земли.
Ретроградная орбита: орбита, на которой проекция объекта на экваториальную плоскость вращается вокруг Земли в направлении, противоположном вращению Земли.

Геосинхронные классификации

Полусинхронная орбита (ССО)

Орбита с высотой примерно 20 200 км (12 600 миль) и орбитальным периодом примерно 12 часов.

Геосинхронная орбита (GEO)

Орбиты высотой примерно 35 786 км (22 236 миль). Такой спутник будет отслеживать аналемму на небе (рис. 8).

Геостационарная орбита (ГСО)

Геосинхронная орбита с наклонением нулевым . Для наземного наблюдателя этот спутник будет выглядеть как неподвижная точка на небе.

Орбита Кларка

Другое название геостационарной орбиты. Назван в честь писателя Артура Кларка .

орбиты Земли Точки либрации: Точки либрации объектов, вращающихся вокруг Земли, находятся на 105 градусах западной долготы и 75 градусах восточной долготы. В этих двух точках собрано более 160 спутников. ^[10]

Суперсинхронная орбита: Орбита захоронения/хранения выше ГСО/ГСО. Спутники будут дрейфовать на запад.
Субсинхронная орбита: Дрейфовая орбита близка к ГСО/ГСО, но ниже нее. Спутники будут дрейфовать на восток.
Орбита кладбища , орбита утилизации, орбита мусора.: Орбита на несколько сотен километров выше геосинхронной , на которую спутники переводятся в конце своей работы.

Специальные классификации

Солнечно-синхронная орбита: Орбита, сочетающая высоту и наклонение таким образом, что спутник проходит над любой заданной точкой поверхности планеты в одно и то же местное солнечное время . Такая орбита может обеспечить постоянное солнечное освещение спутника и полезна для спутников изображений, шпионажа и погоды .
Лунная орбита: Орбитальные характеристики Луны. Средняя высота 384 403 километра (238 857 миль), эллиптически - наклонная орбита .

Негеоцентрические классификации

Подковообразная орбита: Орбита, которая кажется наземному наблюдателю вращающейся вокруг планеты, но на самом деле находится на орбите одной с ней . См. астероиды 3753 (Круитне) и 2002 AA ₂₉ .
Суборбитальный полет: Запуск, при котором космический корабль приближается к высоте орбиты, но ему не хватает скорости для ее поддержания.

Тангенциальные скорости на высоте

Орбита	От центра к центру расстояние	Высота выше поверхность Земли	Скорость	Орбитальный период	Удельная орбитальная энергия
Собственное вращение Земли у поверхности (для сравнения — не орбита)	6378 км	0 км	465,1 м/с (1674 км/ч или 1040 миль в час)	23 часа 56 минут 4,09 секунды	−62,6 МДж/кг
Теоретическая орбита у поверхности Земли (экватора)	6378 км	0 км	7,9 км/с (28 440 км/ч или 17 672 миль в час)	1 час 24 минуты 18 секунд	−31,2 МДж/кг
Низкая околоземная орбита	6600–8400 км	200–2000 км	Круговая орбита: 7,7–6,9 км/с (27 772–24 840 км/ч или 17 224–15 435 миль в час) соответственно. Эллиптическая орбита: 10,07–8,7 км/с соответственно.	1 час 29 минут – 2 часа 8 минут	−29,8 МДж/кг
Molniya orbit	6900–46300 км	500–39 900 км.	1,5–10,0 км/с (5 400–36 000 км/ч или 3 335–22 370 миль в час) соответственно	11 часов 58 минут	−4,7 МДж/кг
Геостационарный	42 000 км	35 786 км	3,1 км/с (11600 км/ч или 6935 миль в час)	23 часа 56 минут 4,09 секунды	−4,6 МДж/кг
Орбита Луны	363 000–406 000 км.	357 000–399 000 км.	0,97–1,08 км/с (3492–3888 км/ч или 2170–2416 миль в час) соответственно	27,27 дней	−0,5 МДж/кг

См. также

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б «Доклад о ситуации со спутником, 1997 год» . НАСА Центр космических полетов имени Годдарда . 01.02.2000. Архивировано из оригинала 23 августа 2006 г. Проверено 10 сентября 2006 г.
^ Хилл, Джеймс В.Х. (апрель 1999 г.), «Добраться до низкой околоземной орбиты» , «Космическое будущее» , заархивировано из оригинала 19 марта 2012 г. , получено 18 марта 2012 г.
^ Шайнер, Линда (1 ноября 2007 г.), X-15 Walkaround , журнал Air & Space Magazine , получено 19 июня 2009 г.
^ Димотакис, П.; и др. (Октябрь 1999 г.), 100 фунтов на низкую околоземную орбиту (НОО): варианты запуска малой полезной нагрузки , The Mitre Corporation, стр. 1–39, заархивировано из оригинала 29 августа 2017 г. , получено 21 января 2012 г.
^ Гош, С.Н. (2000), Атмосферная наука и окружающая среда , Allied Publishers, стр. 47–48, ISBN. 978-8177640434
^ Кенневелл, Джон; Макдональд, Эндрю (2011), Срок службы спутников и солнечная активность , Бюро погоды Австралийского Союза, Отделение космической погоды, заархивировано из оригинала 28 декабря 2011 г. , получено 31 декабря 2011 г.
^ Уильямс, Дэвид Р. (17 ноября 2010 г.), «Информационный бюллетень о Земле» , Lunar & Planetary Science , НАСА, заархивировано из оригинала 30 октября 2010 г. , получено 10 мая 2012 г.
^ Макдауэлл, Джонатан (24 мая 1998 г.). «Космический отчет Джонатана» . Трансатмосферная орбита (ТАО): орбитальный полет с перигеем менее 80 км, но больше нуля. Потенциально используется в миссиях с аэродинамическим торможением и заатмосферных транспортных средствах, а также на некоторых временных этапах орбитального полета (например, STS до OMS-2, некоторые сбои при отсутствии перезапуска в апогее)
↑ Определения геоцентрических орбит из Центра космических полетов Годдарда. Архивировано 27 мая 2010 г., в Wayback Machine.
^ Вышедший из-под контроля спутник угрожает другим близлежащим космическим кораблям , Питер Б. де Селдинг, SPACE.com, 03.05.10. Архивировано 5 мая 2010 года в Wayback Machine.

Внешние ссылки

Орбитальная скорость
Средняя околоземная орбита
NASA.gov. Архивировано 4 мая 2015 г. на Wayback Machine.
Больше лун вокруг Земли? Это не так уж и безумно (архивировано 21 февраля 2010 г.)
Околоземный астероид 3753 Круитни – любопытный спутник Земли
Коорбитальный астероид Земли 2002 AA29

[Goddard-1997-1] Перейти обратно: ^а ^б «Доклад о ситуации со спутником, 1997 год» . НАСА Центр космических полетов имени Годдарда . 01.02.2000. Архивировано из оригинала 23 августа 2006 г. Проверено 10 сентября 2006 г.

[hill1999-2] Хилл, Джеймс В.Х. (апрель 1999 г.), «Добраться до низкой околоземной орбиты» , «Космическое будущее» , заархивировано из оригинала 19 марта 2012 г. , получено 18 марта 2012 г.

[shiner20071101-3] Шайнер, Линда (1 ноября 2007 г.), X-15 Walkaround , журнал Air & Space Magazine , получено 19 июня 2009 г.

[dimotakis1999-4] Димотакис, П.; и др. (Октябрь 1999 г.), 100 фунтов на низкую околоземную орбиту (НОО): варианты запуска малой полезной нагрузки , The Mitre Corporation, стр. 1–39, заархивировано из оригинала 29 августа 2017 г. , получено 21 января 2012 г.

[5] Гош, С.Н. (2000), Атмосферная наука и окружающая среда , Allied Publishers, стр. 47–48, ISBN. 978-8177640434

[slsa-6] Кенневелл, Джон; Макдональд, Эндрю (2011), Срок службы спутников и солнечная активность , Бюро погоды Австралийского Союза, Отделение космической погоды, заархивировано из оригинала 28 декабря 2011 г. , получено 31 декабря 2011 г.

[williams2010-7] Уильямс, Дэвид Р. (17 ноября 2010 г.), «Информационный бюллетень о Земле» , Lunar & Planetary Science , НАСА, заархивировано из оригинала 30 октября 2010 г. , получено 10 мая 2012 г.

[8] Макдауэлл, Джонатан (24 мая 1998 г.). «Космический отчет Джонатана» . Трансатмосферная орбита (ТАО): орбитальный полет с перигеем менее 80 км, но больше нуля. Потенциально используется в миссиях с аэродинамическим торможением и заатмосферных транспортных средствах, а также на некоторых временных этапах орбитального полета (например, STS до OMS-2, некоторые сбои при отсутствии перезапуска в апогее)

[nasa-9] Определения геоцентрических орбит из Центра космических полетов Годдарда. Архивировано 27 мая 2010 г., в Wayback Machine.

[10] Вышедший из-под контроля спутник угрожает другим близлежащим космическим кораблям , Питер Б. де Селдинг, SPACE.com, 03.05.10. Архивировано 5 мая 2010 года в Wayback Machine.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]