Значения скорости спутника в перигее и апогее орбиты

Наклонение орбиты и прямое восхождение восходящего узла определяют ориентацию орбиты в пространстве и ее положение по отношению к земной системе координат. Наклонение орбиты i – это угол между плоскостью орбиты и плоскостью земного экватора. Восходящим узлом орбиты называется точка орбиты, в которой спутник пересекает плоскость земного экватора, переходя из южного полушария в северное. Соответственно противоположная точка на орбите называется нисходящим узлом, а линия, соединяющая эти точки – линией узлов. Прямым восхождением восходящего узла Ω, называется угол между линией узлов и направлением на точку весеннего равноденствия.

Для ориентации самой орбиты в плоскости орбиты и определения положения спутника на орбите в данный момент времени используется угловое расстояние перигея от восходящего узла ω (угол между линией узлов и линией апсид) и время прохождения спутника через восходящий узел орбиты t₀.

Движение спутника по орбите характеризуется шестью элементами: наклонением орбиты i, прямым восхождением восходящего узла Ω, большой полуосью орбиты a, ее эксцентриситетом е, угловым расстоянием перигея ω и временем прохождения спутника через восходящий узел t₀.

При движении спутника в центральном поле тяготения, когда отсутствует сопротивление атмосферы, первые пять элементов орбиты остаются постоянными, и периодическое движение спутника по орбите может продолжаться неопределенно большой промежуток времени.

Типы орбит в зависимости от их параметров

Классификация орбит ИСЗ по наклонению. Наклонение орбит ИСЗ лежит в диапазоне 0° < i < 90° (рис. 3.2.). В зависимости от значения наклонения и высоты ИСЗ над поверхностью Земли, положение областей его видимости имеют различные границы широты, а в зависимости от высоты над поверхностью – и различный радиус этих областей. Чем больше наклонение, тем на более северных широтах может быть виден спутник, а чем он выше – тем шире область видимости. Таким образом, наклонение i и большая полуось a определяют перемещение по поверхности Земли полосы видимости ИСЗ и её ширину.

В общем случае параметры орбиты будут эволюционировать в зависимости от наклонения i, большой полуоси a и эксцентриситета e.

Рис. 3.2. Орбиты спутников с наклонением 0° < i < 90°.

Экваториальные орбиты. Экваториальная орбита – крайний случай орбиты, когда наклонение i = 0° (рис. 3.3). В этом случае прецессия и поворот орбиты будут максимальны – до 10°/сутки и до 20°/сутки соответственно. Ширина полосы видимости спутника, которая расположена вдоль экватора, определяется его высотой над поверхностью Земли. Орбиты с малым наклонением i часто называют «около экваториальными».

Рис. 3.3. Экваториальная орбита

Полярные орбиты. Полярная орбита – второй крайний случай орбиты, когда наклонение i = 90° (рис. 3.4). В этом случае прецессия орбиты отсутствует, а поворот орбиты происходит в сторону, обратную относительно вращения ИСЗ, и не превышает 5°/сутки. Подобный полярный ИСЗ последовательно проходит над всеми участками поверхности Земли. Ширина полосы видимости спутника определяется его высотой над поверхностью Земли, но спутник рано или поздно можно увидеть из любой точки. Орбиты с наклонением i, близким к 90°, называют «приполярными».

Рис. 3.4. Полярная орбита.

Солнечно-синхронные орбиты.Солнечно-синхронная орбита (ССО) – особый вид орбиты, часто используемый спутниками, которые производят съёмку поверхности Земли. Представляет собой орбиту с такими параметрами, что спутник проходит над любой точкой земной поверхности приблизительно в одно и то же местное солнечное время. Движение такого спутника синхронизировано с движением линии терминатора по поверхности Земли – за счёт этого спутник может лететь всегда над границей освещённой и неосвещённой солнцем территории, или всегда в освещённой области, или наоборот – всегда в ночной, причём условия освещённости при пролёте над одной и той же точкой Земли всегда одинаковые. Для достижения этого эффекта орбита должна прецессировать в сторону, обратную вращения Земли (т.е. на восток) на 360° в год, чтобы компенсировать вращение Земли вокруг Солнца.

Рис. 3.5. Солнечно-синхронная орбита

Такие условия соблюдаются только для определённого диапазона высот орбит и наклонений – как правило, это высоты 600-800 км и наклонение должно быть порядка 98°, т.е. ИСЗ на солнечно-синхронных орбитах имеют обратное движение (рис. 3.5). При увеличении высоты полёта ИСЗ наклонение должно увеличиваться, из-за чего он не будет пролетать над полярными районами. Как правило, солнечно-синхронные орбиты близки к круговым, но могут быть и заметно эллиптичными. Из-за влияния возмущений спутник постепенно выходит из режима синхронизации, в связи с чем он периодически нуждается в коррекции своей орбиты при помощи двигателей.

Классификация орбит ИСЗ по величине большой полуоси.Вторая классификация – по величине большой полуоси, и точнее, по высоте над поверхностью Земли.

Низкоорбитальные ИСЗ (LEO). Низкоорбитальными ИСЗ (НОС (рус.), рис. 3.6, а) обычно считаются спутники с высотами от 160 км до 2000 км над поверхностью Земли. Такие орбиты (и спутники) в англоязычной литературе называют LEO (от англ. «Low Earth Orbit»). Орбиты LEO подвержены максимальным возмущениям со стороны гравитационного поля Земли и её верхней атмосферы. Угловая скорость спутников LEO максимальна – от 0,2°/с до 2,8°/с, периоды обращения от 87,6 минут до 127 минут.

Рис. 3.6.. Низкоорбитальные ИСЗ (а) и среднеорбитальные ИСЗ (б).

Среднеорбитальные ИСЗ (MEO). Среднеорбитальными ИСЗ (СОС (рус.), или «MEO» – от англ. «Medium Earth Orbit») обычно считаются спутники с высотами от 2 000 км до 35 786 км над поверхностью Земли (рис.3.6, б). Нижний предел определяется границей LEO, а верхний – орбитой геостационарных спутников. Эту зону в основном занимают спутники навигации (ИСЗ NAVSTAR системы GPS летают на высоте 20200 км, ИСЗ системы ГЛОНАСС – на высоте 19100 км) и связи, которые покрывают полюса Земли. Период обращения – от 127 минут до 24 часов. Угловая скорость – единицы и доли угловой минуты в секунду.

Геостационарные и геосинхронные орбиты ИСЗ. Геостационарные ИСЗ (ГСС (рус.), или «GSO» – от англ. «Geosynchronous Orbit») считаются спутники, имеющие период обращение вокруг Земли, равный звёздным (сидерическим) суткам – 23 ч 56 м 4,09 с. Если наклонение i орбиты нулевое, то такие орбиты называют геостационарными (рис. 3.7, а). Геостационарные ИСЗ летают на высоте 35786 км над поверхностью Земли. Т.к. их период обращение совпадает с периодом обращения Земли вокруг своей оси, то такие ИСЗ «висят» в небе на одном месте. Если наклонение i не равно нулю, то такие ИСЗ называются геосинхронными (рис. 3.7, б). В реальности многие геостационарные спутники имеют небольшое наклонение и подвержены возмущениям со стороны Луны и Солнца, в связи с чем они описывают на небе фигуры в виде «восьмёрок», вытянутых в направлении север-юг.

Рис. 3.7. Геостационарный (а) и геосинхронный (б) ИСЗ.

Высокоорбитальные ИСЗ (HEO). Высокоорбитальными ИСЗ (ВОС (рус.), или «HEO» – от англ. «High Earth Orbit») считаются спутники, достигающие высот более 35786 км над поверхностью Земли, т.е. залетающие выше геостационарных спутников. Орбиты могут иметь значительный эксцентриситет (например, спутники серии «Меридиан», «Молния») – в этом случае они называются высокоэллиптичными (ВЭС, рис. 3.8), так и быть почти круговыми (пример – ИСЗ «Vela» (те самые ИСЗ, на которых в конце 1960-х гг. были открыты гамма-всплески)).

Рис. 3.8. Орбита ВЭС.

Использование высокоэллиптической орбиты позволяет избежать недостатков свойственных низкоорбитальным системам связи и в некоторых случаях получить ряд преимуществ: благодаря большой высоте ИСЗ над Землей увеличивается длительность связи. На охват данного района Земли спутниковой системой связи влияет и наклонение орбиты.

В настоящее время обеспечивают высококачественную связь спутники на высокоэллиптических орбитах серии «Молния», у которых апогей около 40 тысяч км и перигей около 500 км при наклонении около 63^о, а период обращения равен 12 часам. Один ИСЗ, находясь на такой орбите, в течение 8 – 9 часов обеспечивают одновременную радиовидимость между Москвой и Дальним Востоком. Два ИСЗ, выведенные с интервалом 6 – 7 часов, на подобной орбите обеспечат связь с любым пунктом на территории нашей страны.

Орбиты захоронения. Орбиты захоронения – отдельный класс орбит ИСЗ, специально предназначенный для увода на них спутников, вышедших из строя для уменьшения вероятности столкновения с работающими спутниками и для освобождения места новым ИСЗ. Для геостационарных спутников (ГСС) орбитой захоронения считается орбита, на 200 км выше самой орбиты ГСС (рис. 3.9).

Рис. 3.9. Орбита захоронения ГСС.

Для каждого ГСС спутника орбита захоронения рассчитывается отдельно, причём минимальный перигей ΔH равен:

где C_R – коэффициент давления света, S – площадь ИСЗ, m – его масса.

Низкоорбитальные спутники с ядерными реакторами на борту имеют высоту орбиты захоронения порядка 1000 км, куда переводится активная зона ядерного реактора после окончания ее работы.