Орбитальный распад - Orbital decay

Высота Тяньгун-1 в последний год неконтролируемого возвращения.^[1]

В орбитальная механика, разлагаться постепенное уменьшение расстояние между двумя вращающийся по орбите тела при их ближайшем приближении ( перицентр ) на многих орбитальных периодах. Эти вращающиеся тела могут быть планета и это спутник, а звезда и любой объект, вращающийся вокруг него, или компоненты любого бинарная система. Орбиты не распадаются без какого-либо механизма, похожего на трение, который передает энергию орбитального движения. Это может быть любое количество механический, гравитационный, или же электромагнитный последствия. Для тел в низкая околоземная орбита, наиболее значительный эффект атмосферное сопротивление.

Если его не остановить, распад в конечном итоге приведет к прекращению движения по орбите, когда меньший объект удары поверхность первичной; или для объектов, у которых основной имеет атмосферу, меньший объект горит, взрывается или иным образом распадается в большем объекте атмосфера; или для объектов, в которых первичной является звезда, заканчивается сжиганием излучением звезды (например, для кометы ), и так далее.

Столкновения звездных масс обычно вызывают катастрофические эффекты, такие как гамма-всплески.

Из-за сопротивления атмосферы самая низкая высота над земной шар при которой объект на круговой орбите может совершить по крайней мере один полный оборот без движения, составляет примерно 150 км (93 мили), в то время как самый низкий перигей эллиптического вращения составляет примерно 90 км (56 миль).

Причины

Атмосферное сопротивление

Атмосферное сопротивление на орбитальной высоте вызывается частыми столкновениями газа. молекулы со спутником. Это основная причина разрушения орбиты спутников в низкая околоземная орбита. Это приводит к снижению высота орбиты спутника. В случае Земли сопротивление атмосферы, приводящее к повторному входу в атмосферу спутника, можно описать следующей последовательностью:

меньшая высота → более плотная атмосфера → повышенное сопротивление → повышенная температура → обычно горит при входе в атмосферу

Орбитальный распад, таким образом, включает положительный отзыв Эффект: чем сильнее затухает орбита, тем ниже падает ее высота, а чем ниже высота, тем быстрее затухание. Распад также особенно чувствителен к внешним факторам космической среды, таким как солнечная активность, которые не очень предсказуемы. В течение солнечные максимумы атмосфера Земли вызывает значительное сопротивление на высотах намного выше, чем во время солнечные минимумы.^[2]

Атмосферное сопротивление оказывает существенное влияние на высотах космические станции, шаттлы и другие пилотируемые космические аппараты на околоземной орбите, а также спутники с относительно высокими "низкими околоземными орбитами", такие как Космический телескоп Хаббла. Космические станции обычно требуют регулярного увеличения высоты, чтобы противодействовать распаду орбиты (см. Также орбитальная станция ). Неконтролируемый орбитальный распад привел к Скайлаб космической станции, и (относительно) контролируемый орбитальный распад использовался для спуска с орбиты Мир космическая станция.^{[нужна цитата ]}

Перезагрузки для космического телескопа Хаббла встречаются реже из-за его гораздо большей высоты. Однако орбитальный распад также является ограничивающим фактором для продолжительности времени, в течение которого Хаббл может обойтись без сближения для технического обслуживания, последнее из которых было успешно выполнено СТС-125, с космическим кораблем Атлантида в 2009. Новее космические телескопы находятся на гораздо более высоких орбитах или, в некоторых случаях, на солнечной орбите, поэтому ускорение орбиты может не потребоваться.^[3]

Приливные эффекты

Орбита также может распадаться на отрицательные приливное ускорение когда вращающееся тело достаточно велико, чтобы поднять значительный приливная выпуклость на теле он вращается и находится либо в ретроградная орбита или ниже синхронная орбита. Это отбирает импульс у движущегося по орбите тела и передает его вращению первичного элемента, уменьшая высоту орбиты.

Примерами спутников, подвергающихся приливному орбитальному распаду, являются спутники Марса. Фобос, Луна Нептуна Тритон, и внесолнечная планета ТрЭС-3б.

Световое и тепловое излучение

Мелкие предметы в Солнечная система также испытывают орбитальный распад из-за сил, приложенных асимметричным давлением излучения. В идеале поглощенная энергия должна быть равна черное тело энергия, испускаемая в любой заданной точке, в результате чего нет чистой силы. Однако эффект Ярковского - это явление, при котором, поскольку поглощение и излучение тепла не происходит мгновенно, объекты, которые не заблокированы окончательно, поглощают энергию солнечного света на поверхностях, обращенных к Солнцу, но эти поверхности не переизлучают большую часть этой энергии, пока объект повернулся, так что излучение идет параллельно орбите объекта. Это приводит к очень небольшому ускорению, параллельному орбитальной траектории, но которое может быть значительным для небольших объектов в течение миллионов лет. Эффект Пойнтинга-Робертсона - это сила, противодействующая скорости объекта, вызванная асимметричным падением света, т. Е. аберрация света. Для объекта с прямым вращением эти два эффекта будут применять противоположные, но, как правило, неравные силы.

Гравитационное излучение

Гравитационное излучение это еще один механизм орбитального распада. Он незначителен для орбит планет и спутников планет (при рассмотрении их орбитального движения на временных шкалах столетий, десятилетий и меньше), но заметен для систем компактные объекты, как видно из наблюдений за орбитами нейтронных звезд. Все вращающиеся тела излучают гравитационную энергию, поэтому никакая орбита не является бесконечно устойчивой.

Электромагнитное сопротивление

Спутники, использующие электродинамический трос, перемещаясь через магнитное поле Земли, создает силу сопротивления, которая в конечном итоге может сойти с орбиты спутника.

Звездное столкновение

Сближение двух двойные звезды когда они теряют энергию и приближаются друг к другу. Несколько вещей могут вызвать потерю энергии, в том числе: приливные силы, массообмен, и гравитационное излучение. Звезды описывают путь спираль когда они приближаются друг к другу. Иногда это приводит к слиянию двух звезд или созданию черная дыра. В последнем случае последние несколько оборотов звезд вокруг друг друга занимают всего несколько секунд.^[4]

Массовая концентрация

Хотя это и не является прямой причиной орбитального распада, неравномерное распределение массы (известное как масконы) вращающегося тела может со временем нарушить орбиты, а экстремальное распределение может вызвать очень нестабильность орбит. В результате нестабильная орбита может трансформироваться в орбиту, где может иметь место одна из прямых причин орбитального распада.

внешняя ссылка

Расчеты орбитального распада с обсуждением и примерами

[cmse-1] "Орбитальный статус Тяньгун-1". Официальный сайт пилотируемого космического пространства Китая. Китайское управление пилотируемой космической техники. 1 апреля 2018 г.. Получено 1 апреля 2018.

[2] Nwankwo, Victor U.J .; Чакрабарти, Сандип К. (1 мая 2013 г.). "Эффекты торможения плазмы на спутниках на низкой околоземной орбите из-за нагрева атмосферы Земли корональными выбросами массы". arXiv:1305.0233 [Physics.space-ph ].

[3] Программа Хаббла - Служебные миссии - SM4

[4] «ВДОХНОВЕННЫЕ ГРАВИТАЦИОННЫЕ ВОЛНЫ». LIGO. Получено 1 мая 2015.

[1]

[2]

[3]

[4]