ОРБИ́ТЫ НЕБЕ́СНЫХ ТЕЛ
-
Рубрика: Физика
-
Скопировать библиографическую ссылку:
ОРБИ́ТЫ НЕБЕ́СНЫХ ТЕЛ, траектории движения тел в космич. пространстве под действием сил естественного или искусственного происхождения. К первой группе сил относятся прежде всего силы гравитационной природы, ко второй группе – силы тяги двигателей КА на активных участках траектории.
Определение О. н. т. из астрономич. наблюдений – одно из осн. практич. приложений небесной механики. Простейшей из применяемых при этом моделей является двух тел задача, в которой рассматривается относит. движение двух тел с учётом только сил их взаимного притяжения. Общее решение дифференциальных уравнений этой модельной задачи допускает в качестве О. н. т. конич. сечения (окружность, эллипс, парабола, гипербола) с фокусом в доминирующем притягивающем центре, причём относит. движение происходит с постоянной секторной скоростью. Такое движение называется невозмущённым или кеплеровым, а соответствующая орбита – невозмущённой или кеплеровой.
Невозмущённая орбита полностью характеризуется элементами орбиты – параметрами движения, определяющими пространственную ориентацию орбиты, её размеры и форму, а также положение тела на орбите. Так, ориентация орбитальной плоскости относительно осн. плоскости системы отсчёта характеризуется долготой восходящего узла орбиты и наклонением. Ориентацию О. н. т. в самой орбитальной плоскости характеризует угловое расстояние перицентра от узла орбиты. Фокальный параметр и эксцентриситет О. н. т. характеризуют размер и форму конич. сечения. Все перечисленные элементы орбиты являются по своей природе геометрич. характеристиками. Существует также т. н. динамич. элемент орбиты – момент прохождения объекта через перицентр орбиты.
Положение объекта на орбите задаётся его орбитальными координатами: расстоянием от центра притяжения, а также т. н. истинной аномалией – углом, отсчитываемым от перицентра в сторону направления движения по орбите. Интервал времени между двумя последовательными прохождениями небесного тела через перицентр называется аномалистич. периодом обращения.
Возмущения орбит небесных тел (т. е. их отклонения от кеплеровых невозмущённых движений) возникают вследствие влияния разл. возмущающих факторов, в качестве которых выступают: притяжение др. небесных тел, световое давление, сопротивление среды, несферичность фигур взаимодействующих тел и т. п. Исследование возмущённых движений сопряжено с серьёзными математич. трудностями и составляет предмет возмущений теории в небесной механике. Одним из старейших методов этой теории является метод вариации произвольных постоянных (метод Лагранжа). В теоретич. астрономии роль таких варьируемых постоянных играют т. н. оскулирующие элементы орбиты, соответственно движение небесного объекта рассматривают как движение по оскулирующей орбите, элементы которой зависят от времени. Истинная (возмущённая) орбита является огибающей семейства оскулирующих орбит. Истинную орбиту можно представить также в виде кеплеровой орбиты с непрерывно изменяющимися с течением времени элементами. Среди множества существующих методов определения элементов О. н. т. наибольшее распространение получили: для параболич. орбит – метод, разработанный Г. Ольберсом в 1797, для эллиптич. орбит – метод К. Гаусса, опубликованный в 1809.
Высокоточное прогнозирование движений небесных объектов разбивается на 3 этапа: 1) определение приближённой орбиты по нескольким (3–4) наблюдениям; 2) уточнение элементов орбиты на основе всего комплекса имеющихся наблюдений; 3) максимально точное вычисление орбиты, учитывающее наибольшие по величине возмущения. Рассчитанные таким образом О. н. т. позволяют находить положение и скорость объектов в любой заданный момент времени, т. к. в процессе определения элементов орбиты становятся известными и пространственные траектории объектов, и законы их движения по этим траекториям.
Хотя изучением видимых движений небесных тел астрономы занимаются с древнейших времён, проблема прогнозирования движений небесных тел была сформулирована в совр. виде лишь в кон. 17 в. благодаря работам И. Ньютона. В его труде «Математические начала натуральной философии» (1687), наряду с основами дифференциального и интегрального исчислений, изложены основы классич. механики и теории тяготения. Именно тогда изучение движений небесных тел было сведено к математич. задаче интегрирования систем обыкновенных дифференциальных уравнений, что позволило Ньютону объяснить эмпирические Кеплера законы движений планет как следствие закона всемирного тяготения.
Начиная со 2-й пол. 20 в. для создания теорий движения ИСЗ, Луны и др. тел Солнечной системы успешно применяются как аналитические, так и численные методы небесной механики. Исходные данные для разработки этих теорий получают благодаря наблюдениям ИСЗ (и др. КА), а также естеств. небесных тел (в т. ч. Луны, Меркурия, Марса) с использованием радиотехнич., радиолокационных и светолокационных (лазерных) методов. На нач. 21 в. модифицированы классич. методы определения О. н. т. и разработаны новые методы (напр., по фотографич. или лазерно-локационным наблюдениям). Исследованиям орбит искусственных космич. объектов посвящён отд. раздел небесной механики – астродинамика, служащая теоретич. основой космонавтики.