Замороженная орбита — орбита космического аппарата, на которой её естественный дрейф, возникающий из-за формы центрального тела, сведён к минимуму путем тщательного выбора параметров. Как правило, это орбита, на которой в течение длительного периода времени высота спутника в одной и той же точке остается близкой к постоянной . Изменения наклонения , положения апсид и эксцентриситета на замороженной орбите сведены к минимуму за счёт специального выбора начальных условий. Использование орбиты, остающейся замороженной на большом промежутке времени, сводит к минимуму использование топлива для поддержания траектории космического аппарата .

Предыстория и мотивация

Для большинства космических аппаратов изменения орбит вызваны сплющенностью Земли , гравитационным притяжением со стороны Солнца и Луны , давлением солнечного излучения и сопротивлением верхней атмосферы Земли. Такие воздействия называются возмущающими силами. Чтобы удержать космический аппарат на желаемой орбите им необходимо противодействовать включением корректирующих двигателей . Так для геостационарного спутника требуются корректирующие маневры, обеспечивающие противодействие силам притяжения со стороны Солнца и Луны, которые смещают плоскость орбиты от экваториальной плоскости Земли .

Для солнечно-синхронных космических аппаратов может быть использовано преднамеренное смещение плоскости орбиты, называемое прецессией . Для таких миссий используется почти круговая орбита высотой 600—900 км. Соответствующий наклон (97,8-99,0 градуса) выбирается таким образом, чтобы прецессия плоскости орбиты была равна скорости движения Земли вокруг Солнца, примерно на 1 градус в сутки.

В результате на каждой орбите космический аппарат будет проходить над точками на Земле, в которых время суток одинаково. Например, если орбита перпендикулярна направлению на Солнце, то космический аппарат всегда будет проходить над точками, в которых 6 часов утра на северном участке и 6 часов вечера на южном участке, или наоборот. Такая орбита называется орбитой Рассвет-Закат . В качестве альтернативы, если Солнце находится в плоскости орбиты, то космический аппарат всегда будет проходить над местами, где сейчас полдень, на северном участке, и местами, где сейчас полночь, на южном участке (или наоборот). Они называются орбитами Полдень-Полночь . Такие орбиты предпочтительны для многих миссий по наблюдению Земли, таких как прогноз погоды, получение изображений и картографирование.

Возмущающая сила, вызванная сплющенностью Земли, в целом действует не только плоскость орбиты, но и на вектор эксцентриситета орбиты. Однако существует почти круговая орбита, для которой нет вековых или долгопериодических возмущений вектора эксцентриситета, но имеются только периодические возмущения с периодом, равным периоду орбиты. Тогда такая орбита является идеально периодической, с точностью до прецессии плоскости орбиты, и поэтому она называется замороженной орбитой . Такая орбита зачастую оказывается предпочтительной для миссии по наблюдению Земли, в ходе которой предполагается проводить повторные наблюдения за одним и тем же районом Земли в максимально постоянных условиях наблюдения.

Европейские спутники наблюдения за Землёй ERS-1 , и Envisat эксплуатируются на солнечно-синхронных замороженных орбитах.

Лунные замороженные орбиты

Изучая многие спутники, находящиеся на лунной орбите, ученые обнаружили, что большинство низких лунных орбит неустойчивы. Были определены четыре замороженные лунные орбиты с наклонениями 27°, 50°, 76° и 86°. НАСА это так разъяснило в 2006 году :

Лунные масконы делают большинство низких лунных орбит неустойчивыми… Когда спутник проходит в 50 или 60 милях над головой, масконы тянут его вперед, назад, влево, вправо или вниз, причём точное направление и величина притяжения зависят от траектории спутника. При отсутствии каких-либо периодических воздействий со стороны бортовых двигателей для коррекции орбиты, большинство спутников, запущенных на низкие лунные орбиты (менее 60 миль или 100 км), в конечном итоге врежутся в Луну. … [Существует] ряд замороженных орбит, на которых космический корабль может оставаться на низкой лунной орбите неопределенное время. Они имеют место при четырех наклонениях: 27°, 50°, 76°, и 86°" — последний находится почти над лунными полюсами. Орбита относительно долгоживущего субспутника миссии Apollo 15 имела наклонение 28°, что оказалось близким к наклону одной из замороженных орбит, но менее удачливый субспутник имел орбитальное наклонение всего 11°.

Примечания

Ссылки

• Mats Rosengren Improved technique for Passive Eccentricity Control (AAS 89-155)" Advances in the Astronautical Sciences. 1989. Vol. 69. AAS/NASA.