2.4.3 Космический полёт и его особенности
Орбитальные полёты космических летательных аппаратов (КЛА) – носителей съёмочной аппаратуры протекают по законам небесной механики. В общем случае невозмущённое движение КЛА в поле земного тяготения происходит по орбите в виде некоторой плоской кривой второго порядка (в частном случае – эллипс), один из фокусов которого находится в центре массы Земли (рисунок).
Для того, чтобы КЛА находился на орбите вращения вокруг Земли и не падал на неё, ему необходимо сообщить при выходе на орбиту некоторую тангенциальную (орбитальную) скорость vк. При достижении этой скорости КЛА будет совершать полёт вокруг Земли по круговой орбите. Эта скорость равна 7905 м/с и называется первой космической.
При скорости v < vк КЛА по некоторой траектории упадёт на Землю, при vк < v < vк√2 движение его будет происходить по эллиптической орбите, один из фокусов которой будет совпадать с центром Земли. При v = vк√2 КЛА выйдет на траекторию незамкнутой параболической орбиты, в при v > vк√2 – на гиперболическую.
Скорость, с которой КЛА выйдет на параболическую орбиту, то есть преодолеет силу земного притяжения и выйдет на траекторию полёта к другим планетам, равна 11186 м/с и называется второй космической.
У замкнутых орбит существует шесть элементов (рисунки):
1. Долгота восходящего узла Ω – угол, расположенный в плоскости земного экватора и отсчитываемый от направления на точку весеннего равноденствия до линии узлов ζζ, то есть линии пересечения плоскости орбиты с плоскостью экватора (восходящим узлом ζ орбиты называют точку, в которой КЛА переходит из Южного полушария в Северное. Диаметрально противоположная точка ζ называется нисходящим узлом орбиты).
2. Наклонение орбиты i – двухгранный угол между плоскостью орбиты и плоскостью земного экватора.
3. Элемент перигея ω – угловое расстояние перигея орбиты от её восходящего узла, отсчитываемое в плоскость орбиты в направлении вращения КЛА.
4. Большая полуось орбиты а – среднее радиальное расстояние движущегося по орбите КЛА до притягивающего центра (центра Земли).
5. Эксцентриситет орбиты е – отношение расстояния между центром орбиты О′ и её фокусом О в центре Земли к большой полуоси.
6. Момент прохождения КЛА через восходящий узел орбиты tΩ.
Первые три элемента Ω, i и ω определяют положение и ориентацию плоскости орбиты в мировом пространстве, а также и относительно земной поверхности, так как от долгот восходящего узла Ω при необходимости можно перейти к его географической долготе L. Остальные элементы а, е и tΩ определяют форму и размеры орбиты и положение на ней КЛА во времени.
Итак, по форме существует 4 вида орбит: круговая (е = 0), эллиптическая (e < 1), параболическая (е = 1) и гиперболическая (е > 1).
В зависимости от величины угла наклонения орбиты к плоскости экватора различают орбиты прямые (0o < i < 90o), полярные (i = 90 o), обратные (90 o < i < 180 o) и экваториальные (i = 0 o). Угол наклонения плоскости орбит КЛА к экватору определяет ту широтную область земной поверхности, над которой он будет пролетать, двигаясь по заданной траектории. Разумеется, в реальности, из-за неравномерности гравитационного поля Земли, орбиты движения КЛА будут несколько отличаться от их математических моделей. Поэтому корректнее говорить об околокруговых, околополярных и околоэкваториальных орбитах.
Важным параметром движения спутника по орбите является период времени Т обращения его вокруг Земли. Для КЛА, движущихся по околоземным орбитам, в среднем период обращения равен 1,5 часа, то есть за сутки КЛА делает около 16 витков вокруг Земли.
Кривая на земной поверхности, состоящая из подспутниковых точек (то есть точек из которых спутник в данный момент виден в зените), отражающая проекцию полёта спутника относительно земной поверхности, называется трассой КЛА (рисунок). Если вывести спутник на экваториальную круговую орбиту с высотой 36000 км, то его период обращения будет равен 24 часам, то есть одним суткам, следовательно, угловая скорость его вращения по орбите будет равна угловой скорости вращения Земли. Трасса такого спутника будет представлять собой точку, так как он всё время будет находиться над одной и той же точкой экватора. Такой спутник и соответствующая орбита называются геостационарными. С такого спутника можно с требуемой частотой вести съёмку одной и той же территории в пределах целого полушария. Для того чтобы держать в поле зрения всю Землю, кроме полярных шапок, требуется четыре-пять геостационарных спутников. К 1995 г. полностью развернута международная система геостационарных спутников, состоящая из пяти спутников: двух американских, европейского, российского и японского космического аппарата. Чаще всего геостационарными являются метеорологические спутники и спутники связи.
Спутник, период обращения которого вокруг Земли равен одним суткам, но который находится не на стационарной, а на наклонной орбите, через каждые 24 часа будет пролетать над одной точкой земной поверхности. Такой спутник и орбита называются геосинхронными периодическими суточными.
Если период обращения спутника вокруг Земли кратен (а не равен) суткам, то его орбита называется геосинхронной периодической несуточной. Это значит, что такой спутник, благодаря вращению Земли, в одно и то же время, в течение каждых последующих суток будет пролетать над разными точками земной поверхности, т. е. будет происходить сдвиг трассы спутника. Например, на орбитах со скоростью спутника 11 км/с они имеют период обращения примерно 1,5 ч, делая за сутки около 16 витков вокруг Земли. В данном случае сдвиг трассы составит 22,5°, что на экваторе будет соответствовать 2500 км. Учитывая, что при фотографической съемке охват территории большинства видов аппаратуры значительно меньше, то разрывы между соседними трассами неизбежны.
Для проведения космической съемки с некоторым поперечным перекрытием орбиты рассчитывают таким образом, чтобы каждая последующая трасса съемки обеспечивала бы определенное перекрытие предыдущей трассы. Это возможно на так называемых квазипериодических орбитах, т. е. околоземных круговых орбитах с периодом обращения, не кратным данным суткам. В данном случае со сменой суток на местности будет наблюдаться положительное или отрицательное смещение трасс, называемое суточным сдвигом.
Помимо орбит, обеспечивающих синхронное (по отношению к суточному вращению Земли) движение КЛА, важное значение для космических съёмок имеют и орбиты, обладающие способностью сохранять постоянную ориентацию на Солнце. Такие орбиты называют солнечно-синхронными. Достоинство этих орбит заключается в том, что они обеспечивают незначительное во времени изменение освещённости земной поверхности вдоль трассы полёта КЛА. Это имеет большое значение для многократных, повторных съёмок одних и тех же районов Земли. В зависимости от времени пролета КЛА над районом съемки различают утренние, полуденные и сумеречные орбиты. Солнечно-синхронные обратные орбиты используются для ресурсных и метеорологических спутников.
Учитывая многие факторы, влияющие на эффективность и особенность космической съёмки, можно прийти к выводу, что для глобальной съёмки Земли в целях изучения природных ресурсов, целесообразно запускать КЛА на орбиты, которые одновременно будут и круговыми, и околополярными, и квазигеосинхронными, и солнечно-синхронными. Если к тому же потребовать, чтобы при заданном суточном сдвиге трасс (порядка 200 км) глобальная съёмка Земли выполнялась бы в кратчайшие сроки, то окажется, что только две орбиты с высотами порядка 900 и 600 км наилучшим образом удовлетворяют этому и остальным перечисленным требованиям. Спутник, движущийся по этим двум орбитам (в обратном, по отношению к вращению Земли направлении), будет делать в сутки соответственно 14 и 15 оборотов. Имея на борту съёмочную аппаратуру с обзором в 200 км, он сможет покрыть съёмкой всю Землю за 18 суток.
Рисунок – Широтные пояса охвата съемкой при разном наклонении орбит: 1 – прямая субполярная орбита (метеорологические спутники); 2 – обратная субполярная орбита (ресурсные спутники); 3 – прямая наклонная орбита (пилотируемые космические корабли, орбитальные станции). На изображениях справа показаны трассы спутников и область, охваченная наблюдениями