Глава 1. Условия космического полета

ГЛАВА IУСЛОВИЯ КОСМИЧЕСКОГО ПОЛЕТАПолное и достоверное знание условий полета летательного аппарата вкосмическом пространстве необходимо, прежде всего, на этапе проектирования и создания КА. Не учет каких-либо условий, в которых окажется аппарат впроцессе полета, может привести к его потере или прекращению функционирования. Необходимо также четко представлять, что степень знания реальныхусловий полета КА однозначно влияет на уровень проектно-баллистических ипроектно-конструкторских изысканий и находит свое конечное отражение витоговом результате – весе полезной нагрузки, выводимом на траекторию полета.В процессе развития ракетно-космической техники отчетливо проявиласьтесная связь уровня знаний условий космического полета и принимаемых проектно-конструкторских решений.Наиболее значительно эта связь проявляется при решении вопросовобеспечения безопасности полетов и посадки пилотируемых аппаратов (радиационная и метеорная защита, теплозащита спускаемого аппарата).

При создании автоматических аппаратов для исследования планет Солнечной системыполный учет условий полета КА и движения его в атмосфере планеты позволяет проектантам найти рациональное распределение между массой защитногокорпуса и массой доставляемой полезной нагрузки, между массой и составомбортовой аппаратуры и т.д.В результате для успешного решения прикладных задач космонавтикинеобходимо, с одной стороны, привлекать достижения многих естественнонаучных дисциплин – астрономии, планетологии, физики атмосферы, климатологии, геологии и многих других.

С другой стороны, разработчик должен иметь ин-формацию о структуре и строении Солнечной системы, структуре и динамике атмосфер планет, особенностях гравитационного поля и условиях на поверхностинебесных тел, а также в космическом пространстве (уровень воздействия электрического, магнитного полей и рационных поясов для Земли; уровень корпускулярного и полнового излучения; метеорная обстановка и др.).1.1. Солнечная система и СолнцеСолнечной система – система, состоящая из центральной звезды –Солнца и обращающихся вокруг нее 9 больших планет со своими спутниками,астероидов (малых планет), комет, метеоритов, метеорных тел, межпланетнойтвердой космических пыли и разреженных газов. Пространство, занимаемоеСолнечной системой, пронизывается корпускулярным и электромагнитным излучением Солнца.

Характерными для Солнечной системы являются такие электромагнитные и гравитационные поля. Движение всех достаточно крупных телСолнечной системы подчиняется закону всемирного тяготения.Солнечная система – составная часть обширной звездной системы, состоящей из более 100 млрд. звезд, которая называется Галактикой. Диаметр Галактики оценивается величиной около 100000 световых лет.Световой год – расстояние, которое проходит луч света за один год: 1 св.год = 63239,7 а.е.Астрономическая единица длины (а.е.д.) – среднее расстояние от Земли до Солнца: 1 а.е. = 149597900 км.Наша Галактика является лишь одной из множества других галактик ипринадлежит к небольшому скоплению галактик, называемому местной группой галактик.

В состав этой группы входит также туманность Андромеды – галактика, удаленная от нас на расстояние 2,2 млн. световых лет и являющаясясамым далеким объектом, видимым с Земли невооруженным глазом.Реальные границы Солнечной системы определяются из условия устойчивого движения ее тел. Все 9 больших планет: Меркурий, Венера, Земля,Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон – обращаются вокруг Солнцав одном направлении (в направлении осевого вращения Солнца), по почти круговым орбитам, с малым наклонением к плоскости эклиптики.

Большинствопланет вращаются вокруг своей оси в прямом направлении (против хода часовой стрелки, если наблюдать с северного полюса Мира). Исключение составляют две планеты: Венера (вращающаяся в обратном направлении) и Уран (осьвращения которого лежит почти в плоскости орбиты движения).Планеты Солнечной системы принято классифицировать по трем признакам:а) размер: большие (Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн,Уран, Нептун, Плутон) и малые (астероиды);б) расположение относительно Земли: внутренние (Меркурий, Венера) ивнешние (Марс, Юпитер и др.);в) физические особенности: земная группа (Меркурий, Венера, Земля,Марс, Плутон) и юпитерова группа (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун).Среднее расстояние от Солнца до самой далекой планеты Плутон составляет 39,51 а.е.Плоскость эклиптики – плоскость, в которой движется центр масс системы Земля-Луна. Эта плоскость принимается за основную при отсчетенаклонений орбит планет и других тел Солнечной системы.Сидерический период обращения планеты – промежуток времени, в течение которого планета совершает полный оборот вокруг Солнца.Синодический период обращения планеты – промежуток времени, поистечении которого планета возвращается в прежнее положение относительноСолнца (при наблюдении с Земли).Солнце (Гелиос ).

Космический аппарат, движущийся в космическомпространстве, испытывает со стороны Солнца световое, тепловое, гравитационное и радиационное воздействия.Солнце представляет гигантский самосветящийся водородно-гелиевыйшар. Мощность излучения Солнца чрезвычайно велика и составляет 3,74 10 23кВт, однако на Землю попадает лишь около половины миллиардной доли этойвеличины.Масса Солнца составляет M C =1,989 1027 т, что превышает в 332400 размассу Земли, а радиус Солнца R C =6,9598 105 км превышает земной радиус в109 раз. Отметим также, что для Солнечной системы характерна резкая диспропорция в распределении массы и момента количества движения – на долюпланет приходится 0,15% массы и 98% моменты количества движения системы.Вращение Солнца прямое, совпадает по направлению с движением планет по своим орбитам.Солнечная активность.

Многочисленные наблюдения за Солнцем привели к выявлению закономерности в солнечной активности, которая связывается с появлением так называемых солнечных пятен сначала в околополярныхобластях, затем их количество увеличивается и, в итоге, они достигают солнечного экватора. Общая численность активных образований (факелов, протуберанцев) подчинена 11-летнему циклу. Обнаружены и другие более продолжительные циклы (например, 80-летний цикл). Выявлены также активные областина Солнце, в которых наиболее часто возникают активные образования.Хромосферные вспышки. Солнечная (хромосферная) вспышка представляет собой внезапное и кратковременное увеличение яркости участка хромосферы. Увеличение яркости до максимума происходит в течение временипорядка 5 мин. Со средней продолжительностью вспышки 1000 с. Вспышкиобычно сопровождаются радиовсплесками.

Через 2-3 минуты от момента фик-сирования вспышки в окрестности Земли регистрируется повышение рентгеновского излучения, а через 10-100 минут – увеличение интенсивности космического излучения.Солнечные вспышки оказывают определенное влияние на верхнюю атмосферу Земли. Возникают внезапные ионосферные возмущения, магнитныебури, полярные сияния, изменения плотности воздуха и другие явления.Солнечный ветер – радиальное истечение плазмы солнечной короны вмежпланетное пространство со средней скоростью 300 км/с.1.2. Земля и околоземное пространствоЗемля () движется по эллиптической орбите, в одном из фокусов которойнаходится Солнце.

Среднее расстояние от Солнца – 1 а.е. Период обращения Земли вокруг Солнца (сидерический земной год) – T =365,254 суток.Гравитационное поле и фигура Земли. Земля – неоднородное теловращения, имеющее сложную конфигурацию поверхности. Однако, в первомприближении Землю можно рассматривать как однородное тело, имеющееформу сферы с радиусом поверхности R  =6371 км и ускорением свободногопадения на поверхности g 0 =9,81 м/с2.

Потенциал сил тяжести для сферическоймодели Земли (когда плотность является функцией только расстояния от центра сферы) имеет видU,rгде   fM – гравитационный параметр Земли (   398600,4 км3/с2); f – постоянная тяготения; M  – масса Земли ( M  =5976 1021 кг); r – расстояние отцентра сферической Земли до точки, в которой рассчитывается потенциал.Ускорение силы притяжения g направлено по радиус-вектору к центруЗемли и определяется в соответствии с выражением Ug rДля определения значения g на высоте полета КА h используется соотношение2 R0 g(h )  g 0  ,Rh 0где R 0 – средний радиус Земли; g 0 – ускорение на высоте h =0.Следующее приближение к действительной форме Земли – эллипсоидвращения или земной эллипсоид. Для характеристики размеров и формы земного эллипсоида используются параметры: большая полуось а, малая полуосьb, эксцентриситет e и сжатие  ab.

Эллипсоид, наилучшим образом опиaсывающий (аппроксимирующий) какой-либо район земной поверхности, называется референц-эллипсоидом. В России в качестве референц-эллипсоидапринят эллипсоид Ф.Н. Красовского с параметрами a=6378,245км и b=1/298,3.При проведении точных баллистических расчетов траекторий движенияКА в качестве наилучшего приближения к действительной поверхности Землипринимается геоид – гипотетическая уровенная поверхность потенциала силпритяжения, совпадающая с уровнем спокойного океана.Магнитное поле Земли. Земля представляет собой слабый постоянныймагнит. Магнитное поле Земли напоминает магнитное поле диполя, ось которого наклонена  на 11,40 к оси вращения.