Орбита захвата

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Орбита захвата — тип орбит тел в задачах трёх, -тел, релятивистской задачи двух тел и астродинамике, при которых происходит гравитационный захват одного тела другим более массивным телом с последующим вращением обоих вокруг общего центра масс системы[1]. Орбита характеризуется изменением эксцентриситета со значения e≥1 на значение е<1 относительно выбранного тела. Так как кеплеровы элементы орбиты в случае орбит захвата меняются, то для описания орбиты тела можно использовать параметр Тиссерана[2].

Такие орбиты встречаются у астероидов, захваченных планетами-гигантами, в аккреционных дисках и у межпланетных автоматических станций.

В задаче свободно движущегося тела эта орбита не имеет никакого смысла[3].

В задаче двух тел в рамках ньютоновой механики формально этот процесс невозможен. Тело, изначально двигающееся по незамкнутой траектории с большой скоростью, например, по параболе, гиперболе или прямой, не может быть захвачено вторым телом. Частица, прилетающая из бесконечности, имеет неотрицательную полную энергию и снова улетает в бесконечность.

Всё же из-за релятивистских эффектов этот процесс возможен и наблюдается при падении вещества на компактные объекты, черный дыры, нейтронные звезды и др. При движении по такой орбите тело в конечном итоге упадет на компактный объект[4][5].

В задаче трёх тел этот процесс возможен даже без учета теории относительности, но он имеет временный характер. Это является следствием теоремы Пуанкаре об обратимости движения[6][7]. Чаще всего движение тел рассматривают в условиях ограниченной задачи трёх тел, где третье тело имеет ничтожно малую массу и не влияет на движение двух массивных тел. Есть два варианта возможного захвата. При определённом значений характеристической скорости области возможного движения тела представляют собой две пересекающиеся в окрестности точки Лагранжа L1 сферы — сферы действия двух массивных тел. Тогда тело, вращаясь изначально вокруг одного тела, может попасть в область пересечения этих сфер и быть захваченным гравитацией второго тела.

Вторая возможность реализуется в случае более высокой характеристической скорости. Пресечение двух областей движения происходит в области точки L2. Тело должно двигаться вокруг более массивного тела в системе по орбите, близкой к подковообразной, но иметь большую скорость, чтобы пересечь точку L2 и попасть в область действия менее массивного тела[8].

В задаче n тел нет надёжной, строго доказанной теории движения и, как следствие, подтверждения существования таких постоянных орбит, но численные модели показывают захват тел на длительном промежутке времени.

Практическое применение

[править | править код]
Пример низкозатратной переходной траектории, в которой использовалась орбита захвата. Траектория аппарата GRAIL
  GRAIL-A ·  Луна ·  Земля

Данный вид орбиты интересен для расчёта и запуска космического аппарата на перелётную траекторию от планеты к планете.

На сегодняшний день активно используется гомановский перелёт, где космическому аппарату требуется дважды включать двигатель, и биэллиптический перелёт, где двигатель включается трижды.

Для перелёта от планете к планете по орбите захвата аппарату достаточно включить двигатель один раз. Впервые он был использован японским космическим кораблём Хитен в 1991 году, как способ добраться до Луны.

Полёт по таким орбитам будет иметь следующие преимущества:

  • так как нет необходимости запускать двигатель, даже при его отказе шансов достижения цели больше. В случае же отказа двигателя при любом другом манёвре шансов выйти на орбиту другой планеты почти нет.
  • будет более экономичный расход топлива, а значит, можно отправить больше полезного груза. Но это реализуется не во всех случаях[6].
  • можно запустить практически в любое время, нет необходимости ждать узкого окна возможностей запуска

Минусы данного перелёта:

  • увеличенное время полёта. В случае полёта на Марс по орбите захвата потребуется более одного года вместо шести месяцев для гомановского перелёта.
  • значительная зависимость от скорости аппарата. Диапазон скоростей аппарата при первом включении двигателей очень узок. Выход за границы этого диапазона грозит пролётом аппарата мимо цели.
  • Неустойчивость к неучтённым возмущениям. Даже при небольшом внешнем воздействии орбита может сильно измениться. Компенсировать это можно, используя менее мощные, но более эффективные ионные двигатели[9].

Естественные тела

[править | править код]
Орбита захвата 2006 RH120

Естественные тела также наблюдались на орбитах захвата.

Важный фактор, влияющий на орбиты естественных тел на орбитах захвата — резонанс Лидова — Козаи, при котором эксцентриситет орбиты «обменивается» на наклонение и наоборот[10].

Примеры естественных тел на орбитах захвата:

  • Наблюдаются орбиты временного захвата комет планетами-гигантами, например, комета Шумейкеров-Леви 9[11]. Вероятно, кольца планет образовались из захваченных комет, которые потом были разрушены.
  • Нерегулярные спутники планет-гигантов. Их орбиты нехарактерны для спутников, сформированных вместе с планетой, а значит, они были захвачены[12][13]. Известно чуть более 100 нерегулярных спутников у всех четырёх планет-гигантов[14][15].
  • Спутники Марса Фобос и Деймос также, вероятно, двигались ранее по орбите захвата из пояса астероидов, но есть и другие теории происхождения спутников[16].
  • У Земли в 2006—2007 годах был естественный спутник помимо Луны 2006 RH120[17].

Примечания

[править | править код]
  1. 📌 Capture orbit (англ.). Academic Dictionaries and Encyclopedias. Дата обращения: 23 августа 2019. Архивировано 23 августа 2019 года.
  2. И. С. Шестака, А. К. Маркина, В. И. Мусий, Л. Я. Скобликова. Критерий родственности малых тел Солнечной системы // Кинематика и физика небесных тел. — 1995. — Т. 11, № 3. — С. 36—43.. — ISSN 0233-7665. Архивировано 20 августа 2016 года.
  3. 7 Понятие свободного тела. StudFiles. Дата обращения: 23 августа 2019. Архивировано 23 августа 2019 года.
  4. Гравитационный захват - Физическая энциклопедия. femto.com.ua. Дата обращения: 23 августа 2019. Архивировано 23 августа 2019 года.
  5. § 2.9. Гравитационный захват. know.sernam.ru. Дата обращения: 23 августа 2019. Архивировано 30 ноября 2017 года.
  6. 1 2 ОБ ОПТИМАЛЬНЫХ ТРАЕКТОРИЯХ ПОЛЕТА КА К ЛУНЕ В СИСТЕМЕ ЗЕМЛЯ-ЛУНА-СОЛНЦЕ. www.keldysh.ru. Дата обращения: 24 августа 2019. Архивировано 4 июня 2019 года.
  7. Баллистический захват: дешевый и безопасный путь на Марс. Дата обращения: 23 августа 2019. Архивировано 23 августа 2019 года.
  8. Петухов В.г, Ивашкин В. В. Траектории перелета с малой тягой между орбитами спутников Земли и Луны при использовании орбиты захвата Луной. — 2008. Архивировано 26 июня 2019 года.
  9. Adam Hadhazy. A New Way to Reach Mars Safely, Anytime and on the Cheap (англ.). Scientific American. Дата обращения: 23 августа 2019. Архивировано 28 марта 2020 года.
  10. Linqing Wen. On the Eccentricity Distribution of Coalescing Black Hole Binaries Driven by the Kozai Mechanism in Globular Clusters (англ.). — 2002-11-22. — doi:10.1086/378794. Архивировано 27 августа 2019 года.
  11. ЗАХВАТ КОМЕТ ИЗ ОБЛАКА ООРТА НА ОРБИТЫ ГАЛЛЕЕВСКОГО ТИПА И ОРБИТЫ СЕМЕЙСТВА ЮПИТЕРА - тема научной статьи по астрономии из журнала "Астрономический вестник". Дата обращения: 23 августа 2019. Архивировано 23 августа 2019 года.
  12. Grigori Fedorets, Mikael Granvik, Robert Jedicke. Orbit and size distributions for asteroids temporarily captured by the Earth-Moon system (англ.) // Icarus. — Elsevier, 2017-03-01. — Vol. 285. — P. 83—94. — ISSN 0019-1035. — doi:10.1016/j.icarus.2016.12.022. Архивировано 24 августа 2019 года.
  13. The Abundant Irregular Satellites of the Giant Planets | Scott S. Sheppard (англ.). ResearchGate. Дата обращения: 24 августа 2019.
  14. Nicholson, Philip D. "Irregular satellites of the giant planets.". web.archive.org (30 ноября 2014). Дата обращения: 24 августа 2019. Архивировано 30 ноября 2014 года.
  15. Lillian Ortiz. Two New Moons for Jupiter (англ.). Universe Today (9 февраля 2012). Дата обращения: 24 августа 2019. Архивировано 24 августа 2019 года.
  16. Фобос, сын Марса: Прояснение происхождения. Популярная механика. Дата обращения: 24 августа 2019. Архивировано 24 августа 2019 года.
  17. Brent W. Barbee. "Accessible Near-Earth Objects (NEOs)" (PDF). NASA/GSFC. Архивировано (PDF) 1 ноября 2021. Дата обращения: 23 августа 2019.