¿Qué es Perturbación de la órbita de la nave espacial?

El fenómeno de que la órbita real de la nave espacial se desvía de la órbita de Puller (ver el problema de los dos cuerpos). Esta desviación es causada por la fuerza de perturbación.

Fuerzas de perturbación: las principales fuerzas de perturbación que recibe la nave incluyen las fuerzas de perturbación no esféricas del cuerpo central, las fuerzas gravitacionales de otros cuerpos celestes, la resistencia atmosférica y la presión de la radiación solar.

Fuerza de perturbación no esférica del cuerpo central: cuando una nave espacial orbita un cuerpo celeste, este cuerpo celeste se denomina cuerpo central. Si el cuerpo central es una esfera con una superficie esférica concéntrica en la capa de isodensidad, la gravedad de este cuerpo central a la nave espacial se llama gravedad esférica del cuerpo central.

Es equivalente a la fuerza gravitacional de un punto de masa, que se encuentra en el centro de la esfera, y su masa es la masa total del cuerpo central. Entonces, la órbita de la nave espacial que se mueve alrededor del cuerpo central es la órbita de Kepler.

Sin embargo, la distribución de masa de los cuerpos celestes generales es desigual y la forma es irregular, por lo que la gravedad real es diferente de la gravedad esférica del cuerpo central, y la diferencia es la fuerza de perturbación no esférica del cuerpo central. Esta fuerza de perturbación disminuye a medida que aumenta la distancia entre la nave espacial y el cuerpo central.

Gravedad del cuerpo celeste: al estudiar el movimiento de una nave espacial alrededor del cuerpo central, la gravedad del cuerpo central es la fuerza principal. La gravedad de otros cuerpos celestes es la fuerza de perturbación.

Dado que el movimiento es relativo al cuerpo central, la magnitud de la fuerza de perturbación es la masa de la nave espacial multiplicada por la diferencia vectorial de las dos aceleraciones. Una aceleración es la aceleración de otros cuerpos celestes que atraen a la nave espacial, y la otra aceleración es la aceleración de otros cuerpos celestes que atraen al cuerpo central.

La aceleración de la nave espacial menos (resta del vector) la aceleración del cuerpo central se llama aceleración de perturbación. La fuerza de perturbación no esférica y la gravedad de otros cuerpos celestes solo están relacionadas con la posición de la nave espacial, que se llama fuerza conservadora, y se puede obtener la función potencial (potencial) (ver la órbita del satélite terrestre artificial) .

Resistencia atmosférica: en muchos casos, la nave espacial está relativamente cerca del cuerpo central. Cuando el cuerpo central está rodeado por la atmósfera, la atmósfera tiene un efecto amortiguador sobre el movimiento de la nave espacial. La resistencia atmosférica también es una fuerza de perturbación.

El tamaño de la resistencia atmosférica está relacionado con la densidad de la atmósfera, la velocidad de la nave espacial en relación con la atmósfera, el tamaño, la masa y la forma de la nave espacial. Es difícil determinar con precisión factores como la densidad de la atmósfera y el movimiento de la atmósfera misma, y la resistencia atmosférica no es fácil de determinar con precisión.

Presión de radiación solar: la presión de radiación solar también se denomina presión de la luz solar. En la década de 1960, la gente descubrió que el Echo-I y otros satélites tenían patrones de movimiento anormales y comenzaron a prestar atención a la influencia de la presión de la radiación solar. En mecánica cuántica, la luz se considera una corriente de fotones.

Cuando la corriente de fotones golpea la superficie de la nave espacial, una parte se absorbe y otra se refleja. En este proceso, el impulso se transfiere a la nave espacial, lo que provoca un cambio en el impulso de la nave espacial, que es equivalente a que la nave espacial sea presionada desde la dirección de la luz solar.

Esta fuerza se llama presión de radiación solar, que también es una fuerza de perturbación. Es particularmente eficaz para naves espaciales tipo globo grandes y ligeras. Cuando la nave espacial se mueve hacia el área de sombra, la presión de la radiación solar desaparece.

Otros factores de perturbación incluyen los efectos de las mareas terrestres, la influencia de las naves espaciales por el campo magnético y el control artificial.

Cálculo dela perturbación orbital Mediante el cálculo de la perturbación orbital, se puede calcular la posición y la velocidad de la nave espacial en cualquier momento. El cálculo de la perturbación de la órbita incluye el establecimiento y la solución de la ecuación de perturbación.

Los parámetros básicos del movimiento del satélite en la órbita de Kepler se denominan elementos orbitales, y la ecuación que describe la relación entre los cambios de los elementos orbitales y la fuerza de perturbación se denomina ecuación de perturbación. La ecuación de perturbación comúnmente utilizada es la ecuación lagrangiana del movimiento planetario.

El resultado de resolver la ecuación de perturbación muestra que cuando la fuerza de perturbación es cero, el elemento orbital es constante y la órbita de la nave espacial es la órbita de Kepler, y el movimiento en este momento también se denomina movimiento no perturbado.

Cuando la fuerza de perturbación no es cero, el elemento orbital es una variable que cambia con el tiempo. Los cambios que son proporcionales al tiempo se denominan perturbaciones de largo plazo y los cambios periódicos se dividen en perturbaciones de período largo y perturbaciones de período corto según la duración del período de cambio.

El período de la perturbación de período corto es de la misma magnitud que el período de operación. La órbita real de una nave espacial es la envoltura de un conjunto de elipses (o parábola, hipérbola) que cambian con el tiempo.

La elipse en cada momento se denomina órbita intensiva (elipse cercana, parábola cercana, etc.), y los elementos orbitales que describen el movimiento de la órbita cercana se denominan elementos cercanos, este es el método de variación de parámetros en la mecánica celeste clásica.

Hay dos métodos principales para resolver la perturbación orbital: Método analítico aproximado: La solución analítica aproximada de las ecuaciones de perturbación enumeradas se resuelve mediante expansión en serie o transformación de variable. Puede indicar claramente la relación correspondiente entre el cambio orbital y la fuerza de perturbación.

Solo necesitamos conocer el estado inicial de movimiento de la nave espacial, podemos calcular rápidamente la posición y velocidad de la nave espacial en cualquier momento. Para resolver la ecuación, a menudo es necesario simplificar el modelo físico de la fuerza de perturbación, lo que afectará la precisión hasta cierto punto.

Para resolver varias fuerzas de perturbación al mismo tiempo, el método analítico aproximado sigue siendo bastante difícil. Método de cálculo numérico: Para las ecuaciones de movimiento o ecuaciones de perturbación enumeradas, se puede seleccionar un método de cálculo numérico adecuado para obtener la solución numérica del movimiento.

Los métodos numéricos comúnmente utilizados son el método Cowell y el método Encke. Siempre que conozca la posición y velocidad de la nave espacial en un momento determinado, y la use como valor inicial mediante el cálculo de la computadora, puede obtener la posición y velocidad de la nave espacial en cualquier momento.

En principio, el método de cálculo numérico se puede calcular siempre que se enumere la ecuación, y la ecuación de perturbación que incluye múltiples fuerzas de perturbación se pueda calcular al mismo tiempo, y el resultado obtenido sea muy preciso. Sin embargo, el método de cálculo numérico solo puede dar la relación entre los valores, que es un resultado completo. Para los resultados calculados a largo plazo, el error acumulativo no se puede ignorar.

En general, la fuerza de perturbación que recibe una nave espacial es muy pequeña en comparación con la gravedad esférica del cuerpo central, pero el efecto acumulativo a largo plazo de la fuerza de perturbación no puede ignorarse. El estudio de la perturbación de la órbita se ha convertido en la base de la determinación, observación y predicción de la órbita, la mejora de la órbita y el diseño de la órbita.