ასტროდინამიკა

ცოდნა სინათლეა - Knowledge is light - Знание свет -  

                          ასტროდინამიკა

Orbital mechanics - ორბიტალური მექანიკა

ასტროდინამიკა (სხვა ბერძნულიდან ἄστρον - "ვარსკვლავი" და δύναμις - ძალა) არის ციური მექანიკის ფილიალი, რომელიც შეისწავლის ხელოვნური კოსმოსური სხეულების მოძრაობას: ხელოვნურ თანამგზავრებს, პლანეტათაშორის სადგურებს და სხვა კოსმოსურ ხომალდებს.

ასტროდინამიკის ამოცანების სფერო მოიცავს კოსმოსური ხომალდების ორბიტების გამოთვლას, მათი გაშვების პარამეტრების განსაზღვრას, მანევრების შედეგად ორბიტებში ცვლილებების გამოთვლას, გრავიტაციული მანევრების დაგეგმვას და სხვა პრაქტიკულ პრობლემებს. ასტროდინამიკის შედეგები გამოიყენება ნებისმიერი კოსმოსური მისიის დაგეგმვისა და განხორციელებისას.

ასტროდინამიკა გამოირჩევა ციური მექანიკიდან, რომელიც უპირველეს ყოვლისა სწავლობს ბუნებრივი კოსმოსური სხეულების მოძრაობას გრავიტაციული ძალების მოქმედებით, მისი ფოკუსირებით კოსმოსური ხომალდის მართვის გამოყენებითი პრობლემების გადაჭრაზე. ამასთან დაკავშირებით, ასტროდინამიკაში ასევე აუცილებელია კლასიკური ციური მექანიკის მიერ უგულებელყოფილი ფაქტორების გათვალისწინება - ატმოსფეროსა და დედამიწის მაგნიტური ველის გავლენა, გრავიტაციული ანომალიები, მზის გამოსხივების წნევა და სხვა.

იხ. ვიდეო - The Only Video Needed to Understand Orbital Mechanics - Do you find orbital mechanics too confusing to understand? Well, you wont after this video!

In this Animation we're in space! We are going to look at why when navigating in an orbit, to speed up, you need to slow down your spacecraft! But before we answer that question, we will first review what an orbit is in the first place and what mechanical energy is! So grab a coffee and I really hope you enjoy and learn from my latest work! Thanks for passing by and please consider subscribing for more!! 

If you enjoy these animations and would like to support what I do, feel free to join me through one of the platforms below. You can support me financially or through viewing pre-released content and giving feedback!

Thank you to those who are already supporting me!

მე-20 საუკუნეში კოსმოსური მოგზაურობის დაწყებამდე ორბიტალური და ციური მექანიკა არ განსხვავდებოდა ერთმანეთისგან. მე-20 საუკუნის შუა ხანებში, დედამიწის პირველი ხელოვნური თანამგზავრების არსებობის დროს, ამ ტერიტორიას ეწოდა „კოსმოსური დინამიკა“. ორივე ველი იყენებდა ერთსა და იმავე ფუნდამენტურ მეთოდებს, როგორიც იყო კეპლერის პრობლემის გადასაჭრელად (პოზიციის განსაზღვრა დროის ფუნქციით).

იოჰანეს კეპლერი იყო პირველი, ვინც წარმატებით მოახდინა პლანეტების ორბიტების მოდელირება მაღალი ხარისხის სიზუსტით, გამოაქვეყნა თავისი კანონები 1605 წელს. ისააკ ნიუტონმა გამოაქვეყნა ციური მოძრაობის უფრო ზოგადი კანონები თავის Principia Mathematica-ს პირველ გამოცემაში (1687), რომელიც აღწერს სამი დაკვირვებით სხეულის ორბიტის პოვნის მეთოდს. ედმუნდ ჰალეიმ გამოიყენა ეს სხვადასხვა კომეტების ორბიტების დასადგენად, მათ შორის მის სახელს. 1744 წელს, ნიუტონის თანმიმდევრული მიახლოების მეთოდი ოილერმა ფორმალური გახდა ანალიტიკურ მეთოდად, ხოლო მისი ნამუშევარი, თავის მხრივ, განზოგადდა ელიფსურ და ჰიპერბოლურ ორბიტებზე ლამბერტის მიერ 1761-1777 წლებში.

ორბიტების განსაზღვრის კიდევ ერთი ეტაპი იყო კარლ ფრიდრიხ გაუსის მონაწილეობა "გაქცეული" ჯუჯა პლანეტის ცერესის ძიებაში 1801 წელს. გაუსის მეთოდი საშუალებას აძლევდა გამოეყენებინა მხოლოდ სამი დაკვირვება (მარჯვენა ასვლისა და დახრის წყვილის სახით) ორბიტის ექვსი ელემენტის მოსაძებნად, რომლებიც სრულად აღწერს მას. ორბიტის განსაზღვრის თეორია შემდგომში განვითარდა იმდენად, რამდენადაც იგი დღეს გამოიყენება GPS მიმღებებში და ახლად აღმოჩენილი მცირე პლანეტების თვალთვალისა და კატალოგისთვის. თანამედროვე ორბიტის განსაზღვრა და პროგნოზირება გამოიყენება ყველა ტიპის თანამგზავრებთან და კოსმოსურ ზონდებთან მუშაობისთვის, რადგან მათი მომავალი პოზიციები უნდა იყოს ცნობილი მაღალი სიზუსტით.

ასტროდინამიკა შეიმუშავა ასტრონომმა სამუელ ჰერიკმა 1930-იანი წლების დასაწყისში. გააცნობიერა კოსმოსური ფრენის ეპოქის გარდაუვალი დადგომა და მიიღო მხარდაჭერა რობერტ გოდარდისგან, მან განაგრძო მუშაობა კოსმოსური ნავიგაციის ტექნოლოგიაზე, თვლიდა, რომ ეს საჭირო იქნებოდა მომავალში.

პრაქტიკული ტექნიკა

ცერის წესები

შემდეგი ცერის წესები სასარგებლოა კლასიკური მექანიკის მიერ მიახლოებული სიტუაციებისთვის ასტროდინამიკის სტანდარტული დაშვებებით. განიხილება პლანეტის ირგვლივ მოძრავი თანამგზავრის კონკრეტული მაგალითი, მაგრამ ცერის წესები შეიძლება ასევე გავრცელდეს სხვა სიტუაციებში, როგორიცაა პატარა სხეულების ორბიტა ისეთი ვარსკვლავის გარშემო, როგორიცაა მზე.

პლანეტების მოძრაობის კეპლერის კანონები:

ორბიტები ელიფსურია, უფრო მძიმე სხეული ელიფსის ერთ-ერთ კერაზეა. ამის განსაკუთრებული შემთხვევაა წრიული ორბიტა (წრე არის ელიფსის განსაკუთრებული შემთხვევა) პლანეტით ცენტრში.

პლანეტიდან თანამგზავრამდე დახაზული ხაზი დროის თანაბარ ინტერვალებში აშორებს თანაბარ ფართობებს, არ აქვს მნიშვნელობა ორბიტის რომელი ნაწილი იზომება.

თანამგზავრის ორბიტალური პერიოდის კვადრატი პროპორციულია პლანეტიდან მისი საშუალო მანძილის კუბის.

ძალის გამოყენების გარეშე (მაგალითად, რაკეტის ძრავის გაშვება), თანამგზავრის ორბიტის პერიოდი და ფორმა არ შეიცვლება.

თანამგზავრი დაბალ ორბიტაზე (ან ელიფსური ორბიტის ქვედა ნაწილში) უფრო სწრაფად მოძრაობს პლანეტის ზედაპირთან შედარებით, ვიდრე თანამგზავრი მაღალ ორბიტაზე (ან ელიფსური ორბიტის მაღალ ნაწილში), უფრო ძლიერი გრავიტაციული მიზიდულობის გამო. პლანეტაზე.

თუ ბიძგი გამოყენებული იქნება თანამგზავრის ორბიტის მხოლოდ ერთ წერტილში, ის უბრუნდება იმავე წერტილს ყოველი მომდევნო ორბიტაზე, თუმცა მისი დანარჩენი გზა შეიცვლება. ამრიგად, არ შეიძლება ერთი წრიული ორბიტიდან მეორეზე გადაადგილება მხოლოდ ერთი მოკლე ბიძგის გამოყენებით.

წრიულ ორბიტაზე, ბიძგი, რომელიც გამოიყენება თანამგზავრის მოძრაობის საპირისპირო მიმართულებით, ცვლის ორბიტას ელიფსურში; თანამგზავრი დაეშვება და მიაღწევს ყველაზე დაბალ ორბიტალურ წერტილს (პერიგეს) საწყისი წერტილიდან 180 გრადუსით; შემდეგ ის ამაღლდება. თანამგზავრის მიმართულებით გამოყენებული ბიძგი შექმნის ელიფსურ ორბიტას უმაღლესი წერტილით (აპოგეა) საწყისიდან 180 გრადუსით.

ორბიტალური მექანიკის წესების შედეგები ზოგჯერ საწინააღმდეგოა. მაგალითად, თუ ორი კოსმოსური ხომალდი ერთსა და იმავე წრიულ ორბიტაზეა და უნდა დადგეს, თუ ისინი ძალიან ახლოს არ არიან, დასამაგრებელი ხომალდი უბრალოდ ვერ ამუშავებს მათ ძრავებს სიჩქარის დასაჩქარებლად. ეს შეცვლის მისი ორბიტის ფორმას, გამოიწვევს მის სიმაღლეს და რეალურად შეანელებს ტყვიის გემთან შედარებით. კოსმოსური პაემანი დოკამდე, როგორც წესი, მოითხოვს ძრავის რამდენიმე კარგად გაშვებას რამდენიმე ორბიტალური პერიოდის განმავლობაში, რომელთა დასრულებას საათები ან დღეებიც კი სჭირდება.

თუ ასტროდინამიკის სტანდარტული ვარაუდები არ დაკმაყოფილდება, ფაქტობრივი ტრაექტორიები განსხვავდება გამოთვლილისაგან. მაგალითად, დედამიწის დაბალ ორბიტაზე მყოფი ობიექტებისთვის, ატმოსფერული წევა ართულებს ფაქტორს. ეს ცერის წესები აშკარად არაზუსტია, როდესაც აღწერს შედარებითი მასის ორი ან მეტი სხეულის, როგორიცაა ორობითი ვარსკვლავური სისტემა (იხ. N-სხეულის პრობლემა). ციური მექანიკა იყენებს უფრო ზოგად წესებს, რომლებიც ვრცელდება სიტუაციების ფართო სპექტრზე. უკან კეპლერის პლანეტარული მოძრაობის კანონები, რომლებიც მათემატიკურად შეიძლება გამოვიდეს ნიუტონის კანონებიდან, მკაცრად დაცულია მხოლოდ ორი მიზიდულობის სხეულის მოძრაობის აღწერისას არაგრავიტაციული ძალების არარსებობისას; ისინი ასევე აღწერენ პარაბოლურ და ჰიპერბოლურ ტრაექტორიებს. დიდი ობიექტების უშუალო სიახლოვეს, როგორიცაა ვარსკვლავები, მნიშვნელოვანი ხდება განსხვავება კლასიკურ მექანიკასა და ფარდობითობის ზოგად თეორიას შორის.

ორბიტალური მანევრი

მთავარი სტატია: ორბიტალური მანევრი

კოსმოსური ფრენისას ორბიტალური მანევრი არის მამოძრავებელი სისტემების გამოყენება კოსმოსური ხომალდის ორბიტის შესაცვლელად.

გადაცემის ორბიტა

გადაცემის ორბიტები, როგორც წესი, არის ელიფსური ორბიტები, რომლებიც საშუალებას აძლევს კოსმოსურ ხომალდს გადავიდეს ერთი (ჩვეულებრივ წრიული) ორბიტიდან მეორეზე. ისინი, როგორც წესი, ითხოვენ გაყვანას დასაწყისში და ბოლოს, ზოგჯერ კი პროცესში.

ჰოჰმანის ორბიტა მოითხოვს მინიმალურ ორბიტალურ მანევრირების სიჩქარეს.

ბი-ელიფსური გადასვლა შეიძლება მოითხოვდეს უფრო ნაკლებ ენერგიას, ვიდრე გომანის გადაცემას, თუ ორბიტების თანაფარდობა არის 11,94 ან მეტი, მაგრამ ეს შესაძლებელი ხდება ორბიტის ცვლილების დროის გაზრდით გომანის ტრაექტორიასთან შედარებით.

უფრო სწრაფ გადაცემას შეუძლია გამოიყენოს ნებისმიერი ორბიტა, რომელიც კვეთს როგორც წყაროს, ისე სამიზნე ორბიტას, უფრო მაღალი მანევრის სიჩქარის ფასად.

დაბალი ბიძგის ძრავებით (როგორიცაა ელექტროძრავა), თუ საწყისი ორბიტა სუპერსინქრონულია საბოლოო სასურველ წრიულ ორბიტასთან, მაშინ ოპტიმალური გადაცემის ორბიტა მიიღწევა უწყვეტი ბიძგით სიჩქარის მიმართულებით აპოგეაში. თუმცა, ამ მეთოდს გაცილებით მეტი დრო სჭირდება დაბალი ბიძგის გამო.

ორბიტალური გადასვლის შემთხვევაში არათანაბარ ორბიტებს შორის სიბრტყის ცვლილება უნდა განხორციელდეს ორბიტალური სიბრტყეების გადაკვეთის წერტილში („კვანძი“). ვინაიდან მიზანია სიჩქარის ვექტორის მიმართულების შეცვლა სიბრტყეებს შორის კუთხის ტოლი კუთხით, თითქმის მთელი ეს ბიძგი უნდა განხორციელდეს, როცა ხომალდი აპოცენტრთან ახლოს მდებარე კვანძშია, როცა სიჩქარის ვექტორის სიდიდე არის მისი მინიმუმი. თუმცა, ორბიტალური მიდრეკილების ცვლილების მცირე ნაწილი შეიძლება განხორციელდეს პერიაფსისთან ახლოს მდებარე კვანძთან, ბიძგის ოდნავ დახრით დახრილობის სასურველი ცვლილების მიმართულებით. ეს მუშაობს იმის გამო, რომ მცირე კუთხის კოსინუსი ძალიან ახლოს არის ერთიანობასთან, რის შედეგადაც თვითმფრინავის მცირე ცვლილება ხდება ეფექტურად „თავისუფალი“ პერიაფსისის მახლობლად კოსმოსური ხომალდის მაღალი სიჩქარისა და ობერტის ეფექტის გამო.