3.1. Общая характеристика возмущений и возмущенного движения
Возмущенное движение — фактическое (истинное) движение КА под действием различных сил известной и неизвестной природы. Изучение возмущенного движения позволяет определить фактическое движение КА и небесных тел с учетом воздействия многих гравитирующих тел (Солнца, планет, Луны). Для этого необходимо как изучение и математическое описание различных возмущающих факторов, так и решение сложных теоретических задач астрономии.
Одной из основных задач небесной механики (начиная с XYII в.) является выявление и формализованное представление возмущений, а также разработка методов определения фактического движения небесных тел. Эти вопросы составляют предмет ТЕОРИИ ВОЗМУЩЕННОГО ДВИЖЕНИЯ, результаты которой широко используются при баллистико-навигационном обеспечении полетов КА.
Можно выделить три основные группы возмущающих факторов:
► влияние нецентральности поля сил тяготения основного притягивающего тела, что вызывается отличием фигуры тела от шарообразной формы, а также неравномерным распределением масс внутри притягивающего тела; влияние притяжения Солнца, Луны и планет; световое давление; электродинамические силы, возникающие при движении КА в магнитном поле Земли или планет; действие дополнительных сил, например, для КА на низких орбитах — аэродинамическая сила сопротивления атмосферы планеты и др.;
► отклонения начальных условий полета КА;
► дополнительные силы случайной природы, связанные, например, с реализацией управления движением КА за счет корректирующих импульсов изменения скорости и пр. Действие возмущений на движение КА проявляется по-разному. В зависимости от характера и результатов действия возмущения разделяют на периодические и вековые. Вековыми называют такие возмущения, которые приводят к постоянному изменению элементов орбиты (с увеличением времени полета эти возмущения накапливаются). К числу периодических относят возмущения, действие которых повторяется через определенный интервал времени. В составе периодических возмущений можно выделить короткопериодические и долгопериодические возмущения. Долгопериодические возмущения проявляются на больших интервалах времени и поэтому для анализа движения на небольших интервалах эти возмущения иногда рассматриваются как вековые возмущения. Для исследования и анализа этих типов возмущений разработаны специальные методы, позволяющие достаточно просто получать численные оценки каждого из них для конкретной задачи исследования.
Следует специально остановиться на вопросах формирования номинальной и определения фактической траекторий движения КА. Рассмотренная в главе 2 номинальная (исходная) траектория отвечает решению задачи двух тел. В ходе изучения возмущений и их природы осуществляется уточнение (усложнение) соответствующих уравнений движения КА за счет учета дополнительных возмущений и возмущающих факторов. В результате происходит усложнение расчетных моделей движения КА, что позволяет рассчитывать орбиты КА более точно.
Орбиты КА, рассчитанные с использованием той или иной модели движения, называют номинальными или расчетными. Такими орбитами являются все типы кеплеровых орбит в рамках ограниченной задачи двух тел (см. гл. 2). При проектно-баллистическом анализе межпланетных экспедиций (см. гл. 4) в качестве номинальных траекторий движения КА рассматривают траектории, отвечающие решению задачи трех тел (с учетом возмущений Солнца и планеты-цели). Решение задачи трех тел (являющееся более точным и строгим по сравнению с решением задачи двух тел) используется также при определении номинальных траекторий движения КА для исследования Луны и спутников планет (Марса, Юпитера). Особым классом номинальных траекторий являются межпланетные траектории полета КА к планете-цели с пролетом «вблизи» третьей планеты, грявитапионное поле которой возмущяет первоначальную траекторию таким образом, что после пролета КА движется уже по новой, «искривленной», траектории. Описанное целенаправленное изменение межпланетной траектории КА за счет действия силы тяготения «промежуточной» планеты называют пертурбационным (гравитационным) маневром. Аналогичный маневр изменения траектории движения являлся характерным в реализованной программе полета советских автоматических станций «Вега».
Из-за действия возмущающих факторов истинная траектория движения КА отличается от номинальной, т. е. фактическая траектория является возмущенной относительно номинальной траектории (будь то в задаче двух тел или в задаче трех тел). Между фактической и номинальной траекториями движения КА появляются некоторые различия, являющиеся интегральной оценкой действующих на КА возмущений.
В настоящей главе в качестве номинальных рассматриваются траектории движения КА, отвечающие решению задачи двух тел.
Выбор схемы полета советских автоматических станций «Вега» достаточно наглядно иллюстрирует преимущества и эффективность использования гравитационного маневра для решения задачи последовательного облета одним аппаратом двух космических тел. Чтобы понять существо вопроса, сделаем небольшое отступление.
Середина 1980-х годов ознаменовалась чрезвычайно интересным событием в жизни человечества: в пределы прямых наблюдений возвратилась комета Галлея, которая движется относительно Солнца по вытянутой эллиптической орбите с периодом 76 лет. Появилась уникальная возможность более глубокого «непосредственного» исследования кометы с использованием научной аппаратуры, установленной на КА, пролетающем вблизи ее. Результаты этих исследований с нетерпением ждали ученые всего мира, надеясь получить ответ на ряд фундаментальных вопросов, проверить некоторые научные гипотезы и т. п.
Из общих соображений ясно, что можно было организовать прямой полет КА к комете. Именно по такому пути пошли западноевропейские и японские ученые (соответственно автоматические зонды «Джотто» и «Планета»). Советские ученые выбрали другой путь — путь использования одной автоматической станции для решения двух задач. Дело в том. что в декабре 1984 г. были осуществлены очередные запуски АМС для исследования Венеры. Никаких оснований отказываться от этих запусков не было, а создавать дополнительно новые станции для исследования кометы практически сложно и экономически невыгодно. В результате была поставлена и практически решена задача создания универсальной станции «Вега». При ее разработке был полностью использован опыт и задел по АМС «Венера». Это оказалось возможный в силу того, что АМС «Венера» по существу состоит из двух основных частей: орбитального отсека (00), предназначенного для обеспечения функционирования АМС на межпланетной трассе, связи с Землей, проведения исследований в космосе и др., и спускаемого аппарата (СА), с помощью
плотные слои атмосферы Венеры. За 1...2 дпя до пхода в атмосферу СА и ОО разделяются и проводятся коррекция «увода» ОО на пролетную траекторию, чтобы в дальнейшем полете обеспечивалась связь ОО с СА и ретрансляция полученных с СА результатов на Землю. В дальнейшем ОО или переводится на орбиту ИСВ, или пролетает мимо Венеры и оказывается спутником Солнца. А нельзя ли орбитальный отсек направить на встречу с кометой? Проведенные исследования показали: если траектория АМС будет проходить на определенном расстоянии от центра Венеры, то гравитационное поле планеты «развернет» траекторию полета нужным образом по направлению к комете. Для обеспечения достаточной точности и необходимых условий встречи с кометой дополнительно к гравитационному используется и активный маневр (рис. 3.1) при весьма умеренных дополнительных энергетических затратах. Эти особенности были учтены при разработке АМС «Вега», а реализованные полеты блестяще подтвердили правильность заложенных идей.
|
