Глава 1. Условия орбитального полета

Глава 1. Условия космического полета.Полное и достоверное знание условий полета летательного аппарата вкосмическом пространстве необходимо прежде всего на этапе проектированияи создания КА. Неучет каких-либо условий,в которых окажется аппарат впроцессе полета, может привести к потере КА или прекращению егофункционирования. Необходимо также четко представлять, что степеньреальных условий полета КА однозначно влияет на уровень проектнобаллистическх и проектно-конструкторскх изысканий и находит своеконечное отражение в итоговом результате – весе полезной нагрузки,выводимой на траекторию полета.В процессе развития ракетно-космической техники отчетливо проявиласьтесная связь уровня знаний условий космического полета и принимаемыхпроектно-конструкторских решений. Наиболее значительно эта связьпроявляется при решении вопросов обеспечения безопасности полетов ипосадки пилотируемых аппаратов (радиационная и метеорная защита,теплозащита спускаемого аппарата).

При создании автоматических аппаратовдля исследования планет Солнечной системы полный учет условий полета КАи движения его в атмосфере планеты позволяет проектантам найтирациональное распределение между массойзащитного корпуса и массойдоставляемой полезной нагрузки, между массой и составом бортовойаппаратуры 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, разработчикдолжен иметь информацию о таких вопросах, как структура и строениеСолнечной системы, структура и динамика атмосфер планет, особенностигравитационного поля и условия на поверхности небесных тел, условия вкосмическом пространстве (уровень воздействия электрического, магнитногополей и радиационных поясов для Земли; уровень корпускулярного иволнового излучения; метеорная обстановка и др.).1.1.

Солнечная система и Солнце.Солнечной системойназывается система, состоящая из центральнойзвезды – Солнца и обращающихся вокруг нее 9 больших планет со своимиспутниками, астероидов (малых планет), комет, метеоров, метеорных тел,межпланетной твердой космической пыли и разреженных газов.Пространство,занимаемоеСолнечнойсистемы,пронизываетсякорпускулярным и электромагнитным излучением Солнца. Характерными дляСолнечной системы являются также электромагнитные и гравитационныеполя. Движение всех достаточно крупных тел Солнечной системыподчиняется закону всемирного тяготения.Солнечная система является составной частью обширной звезднойсистемы, состоящей из более чем 100 млрд.

звезд, которая называетсяГалактикой. Диаметр Галактики оценивается величиной около 100000световых лет.Световой год – это расстояние, которое проходит луч света за один год:1св.год=63241.1 а.е.= 9.46073047*1015м.Астрономическая единица длины (а.е.) – это среднее расстояние отЗемли до Солнца: 1 а.е.= 149597870.66 км.Наша Галактика является лишь одной из множества других галактик ипринадлежит к небольшому скоплению галактик, называемому местнойгруппой галактик. В состав этой группы входит также туманность Андромеды– галактика, удаленная от нас на расстояние 2.2*106световых лет и являющаясясамым далеким объектом, видимым с Земли невооруженным глазом.Реальные границы Солнечной системы определяются из условияустойчивого движения ее тел.

Все 9 больших планет – Меркурий, Венера,Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон – обращаются вокругсолнца в одном направлении ( в направлении осевого вращения Солнца), попочти круговым орбитам, мало наклоненным к плоскости эклиптики.Большинство планет вращается вокруг своей оси в прямом направлении(против хода часовой стрелки, если наблюдать с северного полюса Мира).Исключения составляют лишь две планеты: Венера, вращающаяся в обратномнаправлении; Уран, ось вращения которого лежит почти в плоскости орбитыдвижения.Планеты Солнечной системы принято классифицировать по тремразличным признакам:a) по размерам – на большие (Меркурий, Венера, Земля, Марс,Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон) и малые, или астероиды;b) по расположению относительно Земли – на внутренние (Меркурий,Венера) и внешние(Марс, Юпитер и др.);c) по физическим особенностям – на земную группу (Меркурий,Венера, Земля, Марс, Плутон) и юпитерову группу (Юпитер,Сатурн, Уран, Нептун).Среднее расстояние от Солнца до самой далекой планеты Плутонсоставляет 39.51 а.е.Плоскостью эклиптики называется плоскость, в которой движетсяцентр масс системы Земля-Луна.

Эта плоскость принимается за основную приобсчете наклонений орбит планет и других тел Солнечной системы.Сидерический период обращения планеты есть промежуток времени, втечении которого планета совершает полный оборот вокруг Солнца.Синодический период обращения планеты – это промежуток времени, поистечении которого планета возвращается в прежнее положение относительноСолнца (при наблюдении с Земли.).Солнце (Гелиос) (ʘ). КА, движущийся в космическом пространстве,испытывает со стороны Солнца световое, тепловое, гравитационное ирадиационное воздействие. Солнце представляет собой гигантскийсамосветящийся водородно-гелиевый шар. Мощность излучения Солнцачрезвычайно велика и составляет 3.74*1023 кВт, однако на Землю попадаетлишь около половины миллиардной доли этой величины.Масса Солнца составляет Мʘ=1.989*1027т, что превышает в 332400 размассу Земли, а радиус Солнца Rʘ=6.9598*105 км превышает земной радиус в109 раз.

Отметим также, что для Солнечной системы характерна резкаядиспропорция в распределении массы и момента количества движения – надолю планет приходится 0.15% массы и 98% момента количества движениясистемы. Вращение Солнца прямое, совпадает по направлению с движениемпланет по своим орбитам.Солнечная активность. Многочисленные наблюдения за Солнцемпривели к выявлению закономерности в солнечной активности, котораясвязывается с появлением так называемых солнечных пятен сначала воколополярных областях, затем их количество увеличивается и в итоге онидостигают солнечного экватора.

Общая численность активных образований(факелов, протуберанцев) подчинена 11-летнему циклу. Обнаружены и другиеболее продолжительные циклы (например, 80-летний цикл). Выявлены такжеактивные области на Солнце, в которых наиболее часто возникают активныеобразования. Для количественной оценки солнечной активности используетсячисло Вольфа:R  k  10  g  S  ,где g - число группы пятен, S - общее число пятен, k - коэффициент,зависящий от мощности применяемого инструмента.Хромосферные вспышки. Солнечная (хромосферная) вспышкапредставляет собой внезапное и кратковременное увеличение яркости участкахромосферы. Увеличение яркости до максимума происходит в течениевремени порядка 5 мин со средней продолжительностью вспышки 1000с.Вспышки обычно сопровождаются радиовсплесками. Через 2-3 минуты отмомента фиксирования вспышки в окрестности Земли регестрируетсяповышение рентгеновского излучения, а через 10-100 – увеличениеинтенсивности космического излучения.Солнечные вспышки оказывают определенное влияние на верхнююатмосферу Земли.

Возникают внезапные ионосферные возмущения,магнитные бури, полярные сияния, изменения плотности воздуха и другиеявления.Солнечный ветер представляет собой радиальное истечение плазмысолнечной короны в межпланетное пространство со средней скоростью около300км/с.1.2.Земля и околоземное пространство.Земля( , )движется по эллиптической орбите, в одном из фокусовкоторой находится Солнце. Среднее расстояние от солнца 1 а.е. Периодобращения Земли вокруг Солнца – сидерический земной год составляет365.254 сут.Гравитационное поле и фигура Земли.

Земля представляет собойнеоднородное тело вращения, имеющее сложную конфигурацию поверхности.Однако в первом приближении Землю можно рассматривать как однородноетело, имеющее форму сферы с радиусом поверхности R=6371 км и ускорениесвободного падения на поверхности g0  9.81 м 2 . Потенциал сил тяжести дляссферической модели Земли (когда плотность является функцией толькорасстояние от центра сферы) записывается как U параметр Земли   398600.4 км с  ,32, где  – гравитационныйrравный произведению постояннойтяготения f на массу Земли M  5976 1021 кг :   f  M , r - расстояние от центрасферической Земли до точки, в которой рассчитывается потенциал.Ускорение g силы притяжения направлено по радиус-вектору к центруЗемли и определяется в соответствии с выражением g U 2 .rrДля определения значения g на высоте h полета КА используют другое2 R соотношение: g  h   g 0  0  , где R0 – средний радиус Земли, g0 – ускорение R0  h на высоте h=0.Следующим приближением к действительной форме Земли являетсяэллипсоид вращения, называемый земным эллипсоидом.

Для характеристикиразмеров и формы земного эллипсоида используются параметры: большаяполуось a, малая полуось b, эксцентриситет e a ba 2  b2и сжатие  .aaЭллипсоид наилучшим образом описывающий (аппроксимирующий) какойлибо район земной поверхности, называется референц-эллипсоидом. В Россиив качестве референц-эллипсоида принят эллипсоид Ф.Н. Красовского спараметрами a  6378.245км и   1 298.3 .При проведении точных баллистических расчетов траектории 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, оськоторого наклонена ≈ на 11.4° к оси вращения. Напряженность поля нагеомагнитных полюсах в 2 раза превышает напряженность поля на экваторе.Геомагнитные полюсы не являются диаметрально противоположными,мысленно проведенная через них линия будет расположена на расстоянииоколо 1100 км от центра Земли. Геомагнитное поле располагается вограниченной области околоземного космического пространства (вследствиепостоянно действующего солнечного ветра). Область расположениягеомагнитного поля называется магнитосферой Земли.Радиационные пояса Земли.

Зарегистрировано 2 больших пояса –внутренний и внешний, в которых в результате взаимодействия с магнитнымполем Земли “остаются” высокоэнергетические заряженные частицы –электроны и протоны.Внутренний радиационный пояс состоит из частиц высокойинтенсивности, в основном, протонов. Расположен симметричноотносительно магнитного экватора и ограничен с внешней стороны силовымилиниями, выходящими на геомагнитной широте 35-40°.

Внутренняя границапояса, ближайшая к земной поверхности, находится на расстоянии 500 км (взападном полушарии) и на расстоянии 1500-1600 км (в восточном) от земнойповерхности. Верхняя граница пояса расположена на высотах 9000-10000 км.Внешний радиационный пояс состоит, в основном, из электронов. Онрасположен между двумя поверхностями, образованными силовыми линиямимагнитного поля, выходящими на геомагнитных широтах 50° и 70°.Атмосфера Земли есть газообразная оболочка вокруг земного шара срадиальной протяженностью порядка 20000км.Атмосфера состоит из смеси различных газов, которые на уровне морязанимают (по объему): азот (N2) – 78.08%, кислород (О2) – 20.95%, аргон(Ar) –0.93%, углекислый газ (СО2) – 0.03%.