ОРБИТИ НА НЕБЕСНИ ТЕЛА

Орбитите на небесните тела са траекториите, по които Слънцето, звездите, планетите, кометите се движат в космоса, както и изкуствените космически кораби (изкуствени спътници на Земята, Луната и други планети, междупланетни станции и др.). За изкуствените космически кораби обаче терминът "орбита" се прилага само за онези участъци от техните траектории, в които те се движат с изключена задвижваща система (т.нар. Пасивни участъци от траекторията).

Формите на орбитите и скоростите, с които небесните тела се движат по тях, се определят главно от силата на универсалната гравитация. При изучаване на движението на небесните тела в повечето случаи е допустимо да не се вземат предвид тяхната форма и структура, тоест да се разглеждат като материални точки. Това опростяване е възможно, тъй като разстоянието между телата обикновено е в пъти по-голямо от техните размери. Разглеждайки небесните тела като материални точки, ние можем директно да приложим закона за всеобщата гравитация при изследването на тяхното движение (виж Гравитацията). Освен това в много случаи човек може да се ограничи да разглежда движението само на две привличащи тела, пренебрегвайки влиянието на другите (вж. Небесната механика). Така например, когато се изучава движението на планета около Слънцето, може да се приеме с определена точност, че планетата се движи само под въздействието на силите на слънчевата гравитация. По същия начин, при приблизително изследване на движението на изкуствен спътник на планета, човек може да вземе предвид само гравитацията на „своята“ планета, пренебрегвайки не само привличането на други планети, но и слънчевата.

Тези опростявания водят до така наречения проблем с две тела. Едно от решенията на този проблем е дадено от I. Kepler, пълното решение на проблема е получено от I. Newton. Нютон доказа, че една от привличащите материални точки се върти около другата в орбита под формата на елипса (или кръг, което е частен случай на елипса), парабола или хипербола. Фокусът на тази крива е върху втората точка.

Формата на орбитата зависи от масите на разглежданите тела, от разстоянието между тях и от скоростта, с която едното тяло се движи спрямо другото. Ако телесната маса

(kg) е на разстояние g (m) от тяло с маса

(kg) и се движи по това време със скорост v (m/s), тогава формата на орбитата се определя от стойността

Постоянна гравитация

Ако

, това тяло

се движи спрямо тялото

в елиптична орбита; ако

- в параболична орбита; ако

- в хиперболична орбита.

Най-малката начална скорост, която трябва да се придаде на тялото, така че то, след като е започнало да се движи близо до повърхността на Земята, да преодолее земната гравитация и да остави Земята завинаги в параболична орбита, се нарича втората космическа скорост. Тя е равна на 11,2 km/s. Най-малката начална скорост, която трябва да се придаде на тялото, за да може то да се превърне в изкуствен спътник на Земята, се нарича първата космическа скорост. Тя е равна на 7,91 km/s (виж космическите скорости).

Повечето тела в Слънчевата система се движат по елиптични орбити. Само някои малки тела на Слънчевата система - комети, вероятно се движат по параболични или хиперболични орбити. При проблеми с космически полети най-често се срещат елиптични и хиперболични орбити. И така, междупланетните станции се изпращат в полет с хиперболична орбита спрямо Земята; след това те се движат по елипсовидни орбити спрямо слънцето към планетата дестинация.

Ориентацията на орбита в пространството, нейният размер и форма, както и положението на небесно тяло в орбита се определят от шест величини, наречени орбитални елементи. Някои характерни точки на орбитите на небесните тела имат свои собствени имена. И така, точката на орбитата на небесно тяло, движеща се около Слънцето най-близо до Слънцето, се нарича перихелий, а точката на най-отдалечената от него елиптична орбита се нарича афелий. Ако се разглежда движението на тялото спрямо Земята, тогава точката на най-близката до Земята орбита се нарича перигея, а най-отдалечената - апогея. В по-общи проблеми, когато привличащият център може да означава различни небесни тела, се използват имената: периапсис (точката на орбитата най-близо до центъра) и апоцентър (точката на орбитата най-отдалечена от центъра).

Случаят на взаимодействие само на две небесни тела е най-простият и почти не се наблюдава (въпреки че има много случаи, когато привличането на третото, четвъртото и т.н. тела може да бъде пренебрегнато). В действителност всичко е много по-сложно: на всяко тяло действат много сили. Планетите в своето движение са привлечени не само от Слънцето, но и една от друга. В звездните купове всяка звезда е привлечена от всички останали. Движението на изкуствените спътници на Земята се влияе от силите, причинени от несферичността на земната фигура и съпротивлението на земната атмосфера, привличането на Луната и Слънцето. Тези допълнителни сили се наричат смущаващи, а ефектите, които те предизвикват при движението на небесните тела, се наричат смущения. Поради смущения орбитите на небесните тела непрекъснато се променят бавно.

Изследването на движението на небесните тела, като се вземат предвид смущаващите сили, се занимава с раздела на астрономията - небесната механика. Методите, разработени в небесната механика, позволяват много точно да се определи положението на всякакви тела в Слънчевата система за много години напред. За изследване на движението на изкуствени небесни тела се използват по-сложни изчислителни методи. Изключително трудно е да се получи точно решение на тези проблеми в аналитична форма (т.е. под формата на формули). Следователно се използват методи за числено решение на уравненията на движението с помощта на високоскоростни електронни компютри. При такива изчисления се използва концепцията за сферата на действие на планетата.

Сферата на действие се нарича област на околопланетно (или окололунно) пространство, в която при изчисляване на нарушеното движение на тялото (междупланетен космически кораб, планетарен спътник, комета) е удобно да се разглежда не Слънцето, а тази планета ( или Луната) като централно тяло. В този случай изчисленията са опростени поради факта, че в сферата на действие смущаващото влияние на привличането на Слънцето в сравнение с привличането на планетата е по-малко от смущението от планетата в сравнение с привличането на Слънцето. Но трябва да се помни, че както в сферата на действие, така и извън нея - навсякъде силите на привличане на Слънцето, планетата и други тела действат върху тялото, макар и в различна степен.

Радиусът на сферата на действие зависи от разстоянието между Слънцето и планетата. Орбитите на небесните тела в сферата на действие могат да бъдат изчислени въз основа на проблема с две тела. Ако небесно тяло напусне планетата, тогава движението на това тяло в сферата на действие се извършва по хиперболична орбита. Радиусът на сферата на действие на Земята е около 1 милион км; сферата на действие на Луната спрямо Земята има радиус от около 63 хиляди км.

Методът за определяне на орбитата на небесно тяло с помощта на концепцията за сфера на действие е един от методите за приблизително определяне на орбитите. Познавайки приблизителните стойности на орбиталните елементи, човек може да използва други методи за получаване на по-точни стойности на орбиталните елементи. Това стъпково по стъпка подобрение на определената орбита е типична техника за изчисляване на параметрите на орбитата с висока точност. В момента обхватът от задачи за определяне на орбити се разшири значително, което се обяснява с бързото развитие на ракетно-космическите технологии.