Oběžná dráha Země

Zemská orbita je orbit následuje objekt obíhající kolem na Zemi . Od začátku vesmírného věku (1957) bylo na oběžnou dráhu kolem naší planety umístěno několik tisíc satelitů. Dráhy kosmické lodi mají různé vlastnosti, aby splnily cíle své mise. Miliony vesmírného odpadu všech velikostí, které jsou výsledkem vesmírné činnosti, obíhají také kolem Země. Kromě předmětů vytvořených člověkem obíhal kolem Země i přirozený objekt, Měsíc .

Orbitální parametry satelitu kolem Země

Eliptická dráha satelitu kolem Země je popsána pomocí dvou rovin - roviny orbity ( orbitální roviny ) a rovníkové roviny (roviny, která prochází rovníkem Země) - a šesti parametrů (prvků ): semi-hlavní osa , výstřednost , sklon , délka vzestupného uzlu , perigeový argument a poloha objektu na jeho oběžné dráze. Dva z těchto parametrů - excentricita a poloviční hlavní osa - definují trajektorii v rovině, tři další - sklon, délka vzestupného uzlu a argument pericentra - definují orientaci roviny v prostoru a poslední - okamžik průchodu v pericentru - definuje polohu objektu.

• Družice obíhá na elipsu (kruhová oběžná dráha je zvláštním případem elipsy. Semi-hlavní osa na{\ displaystyle a} je poloviční vzdálenost mezi perigeem (nízký bod elipsy) a apogee (vysoký bod elipsy). 'Elipsa ) Tento parametr definuje absolutní velikost oběžné dráhy.
• Excentricita E{\ displaystyle e}  : elipsa je lokus bodů, jejichž součet vzdáleností ke dvěma pevným bodům, ohniskům (ana diagramu), je konstantní. Excentricita měří odsazení ohnisek od středu elipsy (na schématu); je to poměr vzdálenosti středového ohniska k polohlavní ose. Typ trajektorie závisí na výstřednosti: S{\ displaystyle S}S′{\ displaystyle S '}VS{\ displaystyle C}
  • E=0{\ displaystyle e = 0} : kruhová oběžná dráha
  • 0<E<1{\ displaystyle 0 <e <1} : eliptická dráha
  • E=1{\ displaystyle e = 1} : parabolická trajektorie: satelit nezůstává na oběžné dráze a spadne zpět na Zemi.
  • E>1{\ displaystyle e> 1} : hyperbolická dráha: satelit opouští pozemskou oběžnou dráhu a umisťuje se na heliocentrickou oběžnou dráhu.

• Parametry oběžné dráhy satelitu kolem Země

• Orbitální parametry umělé družice: pravý vzestup vzestupného uzlu ☊, sklon i, perigeový argument ω.

• Pohled kolmý na orbitální rovinu: poloviční hlavní osa a, argument perigeum ω, skutečná anomálie ν.

Referenční rovina nebo referenční rovina je pro pozemské oběžné dráhy roviny procházející rovníkem. Referenční rovina a rovina oběžné dráhy jsou tedy dvě protínající se roviny. Jejich průsečík je přímka, která se nazývá linie uzlů. Dráha protíná referenční rovinu ve dvou bodech nazývaných uzly. Vzestupný uzel je ten, kterým tělo prochází vzestupnou trajektorií; druhý je sestupný uzel.

Průchod mezi orbitální rovinou a referenční rovinou je popsán třemi prvky, které odpovídají Eulerovým úhlům  :

• Sklon , poznamenat , což odpovídá nutace úhel  : je sklon (mezi 0 a 180  stupňů), je úhel, že oběžná rovina svírá s rovinou procházející rovníku. i{\ displaystyle i}
  • 90 ° satelit letí nad póly. Oběžné dráhy se sklonem blízkým 0 ° jsou polární oběžné dráhy . Sluneční synchronní oběžná dráha je podtyp polární oběžné dráhy.
  • 0 °: satelit je trvale nad rovníkem. Dráhy se sklonem blízkým 0 ° jsou kvazi-rovníkové dráhy .
• Délka vzestupného uzlu , uvedeno ☊, což odpovídá precesní úhel  : je to úhel mezi směrem jarního bodu a linií uzlů, v rovině ekliptiky. Směr jarního bodu je čára spojující Slunce a jarní bod (astronomický referenční bod odpovídající poloze Slunce v době jarní rovnodennosti ). Čára uzlů je čára, ke které patří vzestupné uzly (bod na oběžné dráze, kde objekt prochází severně od rovníkové roviny) a sestupný (bod na oběžné dráze, kde objekt prochází jižně od ní). Toto).
  • Pro rovníkové dráhy (nulový orbitální sklon) nemá tento parametr žádný význam. Podle konvence je hodnota 0.
• Argument perigea , uvést je úhel mezi linií uzlů a směru perigea (na přímce procházející Zemi a perigea orbity) v oběžné rovině. Zeměpisná délka přízemím je součet délka vzestupného uzlu a argument přízemím. ω{\ displaystyle \ omega}
  • Argument 0 ° perigeum znamená, že satelit je nejblíže Zemi a současně prochází rovníkovou rovinou z jihu na sever.
  • Argument 90 ° perigeu naznačuje, že perigeu je dosaženo, když je tělo v maximální vzdálenosti nad rovníkovou rovinou.

Šestým parametrem je poloha orbitálního tělesa na jeho oběžné dráze v daném čase. Je nutné mít možnost to v budoucnu definovat. Lze jej vyjádřit několika způsoby:

• Okamžitý τ průchodu do perigeu .
• Průměr anomálie M objektu pro konvenční okamžik (dále epocha orbity). Střední anomálie není fyzický úhel, ale určuje zlomek povrchu oběžné dráhy zametený linií spojující ohnisko s objektem od jeho posledního průchodu perigeem, vyjádřený v úhlové formě. Například pokud čára spojující ohnisko s objektem prošla čtvrtinu povrchu oběžné dráhy, průměrná anomálie je ° °. Střední délka objektu je součtem délky perigeu a střední anomálie.0,25×360{\ Displaystyle 0,25 \ krát 360}=90{\ displaystyle = 90}
• Pravda anomálie .
• Argument zeměpisné šířky.

Znázornění orbitálních parametrů

Tyto orbitální parametry objektů na oběžné dráze Země jsou reprezentovány jako standard v podobě dvouřádkovým orbitální parametry ( TLE). NORAD a NASA udržuje katalog těchto parametrů nejen umělých družic , ale i pro vesmírného odpadu větší než 10 cm v Leo a 1 m geostacionární oběžné dráze (v tomto velikost úlomků nemůže být sledována jednotlivě rychlostní kamery). Data obsažená v tomto katalogu umožňují kdykoli vypočítat polohu objektů na oběžné dráze. Vzhledem k mnoha poruch, ke kterému se vztahují (vlivy přitažlivosti na Měsíc a Slunce , atmosférického brzdění , sluneční vítr , fotonické tlaku, atd, ale také orbitální manévry , tyto parametry však musí být pravidelně aktualizován a nejsou jediným platným na omezenou dobu.

Parametry spravované v katalogu jsou následující:

• Čas měření (poslední dvě číslice roku) 21
• Epocha času měření (den v roce a zlomková část dne) 264,51782528
• První derivace středního pohybu dělená 2 6 -, 00002182
• Druhá derivace průměrného pohybu dělená 6 (za desetinnou čárkou) 00000-0
• Koeficient odporu BSTAR například 7
• Orbitální náklon např. 51,6416 °
• Zeměpisná délka vzestupného uzlu, např. 247,4627 °
• Výstřednost, např. 0,0006703
• Argument periapsis například 130,5360 °
• Průměrná anomálie například 325,0288 °
• Počet otáček za den, například 15,72125391
• Počet otáček provedených v daném čase, například 56 353

Katalog objektů na oběžné dráze

V katalogu bylo v polovině roku 2019 uvedeno přibližně 44 000 objektů, včetně 8 558 satelitů vypuštěných od roku 1957. Pravidelně je sledováno 17 480 V lednu 2019 odhadovala Evropská kosmická agentura , že americká organizace dokázala vystopovat 34 000 vesmírných úlomků. Miliony menších trosek nejsou uvedeny.

V tomto katalogu má každý objekt na oběžné dráze dva identifikátory přiřazené vypuštění satelitu nebo když se objeví nové úlomky: identifikátor COSPAR a identifikátor NORAD . Identifikátor COSPAR je mezinárodní identifikátor, který je přiřazen jakémukoli objektu umístěnému na oběžné dráze, který má nezávislou trajektorii. Jeho struktura je následující: rok vypuštění, pořadové číslo vypuštění, písmeno umožňující rozlišit různé vypuštěné satelity. 2021-05C tedy označuje satelit umístěný na oběžnou dráhu v roce 2021 během pátého startu roku, který zahrnoval nejméně tři satelity (protože mu bylo přiděleno písmeno C). Identifikátor NORAD je sériové číslo přidělené americkou organizací při spuštění nebo detekci vesmírného odpadu.

Období revoluce

Období revoluce (oběžná doba) družice kolem Země je čas potřebný k dokončení kompletního oběhu kolem Země. Jeho hodnota klesá se vzdáleností mezi Zemí a satelitem. Jde z 90 minut na nízké oběžné dráze ve výšce 200 kilometrů do 23 hodin 56 minut na geostacionární oběžné dráze. Na této poslední oběžné dráze se shoduje s obdobím revoluce Země. Družice proto zůstává trvale nad stejnou pozemskou oblastí. Oběžná doba Měsíce je 27,27 dne.

Orbitální rychlost

Oběžná rychlost kolem Země je tím nižší, protože oběžná dráha způsobí, že satelit se vzdálit na značné vzdálenosti od Země. Na kruhové oběžné dráze Země je tato rychlost 7,9 km / s na 200 km a 3,1 km / s na úrovni geostacionární oběžné dráhy. Měsíc cestuje oběžnou rychlostí, která osciluje mezi 0,97 a 1,08 km / s, protože je mírně eliptická. Ve skutečnosti, když je oběžná dráha eliptická, rychlost kolísá po celé oběžné dráze: dosahuje svého maxima v perigeu a svého minima v apogee . Družice umístěná na oběžné dráze Molnie, jejíž perigeum se nachází 500 kilometrů od povrchu Země a jeho vrchol ve vzdálenosti 39 900 kilometrů, zaznamenává zvýšení rychlosti z 10 km / s blízko Země na 1,5 km / s na svém vrcholu.

Klasifikace oběžných drah Země

Klasifikace podle nadmořské výšky

• Orbit Low Earth  : Low Earth Orbit, nebo LEO ( Low Earth Orbit v angličtině ) je oběžná dráha Země do výšky 2 000 kilometrů. Existují satelity pro pozorování Země (meteorologie, studie o podnebí, zvládání katastrof, monitorování plodin, oceánografie, geodézie atd.), Některé telekomunikační satelity i týmy nesoucí kosmické lodě a vesmírné stanice , včetně Mezinárodní vesmírné stanice . Je to oběžná dráha prvořadého významu pro vesmírné aplikace. Jedná se o nejhustěji obsazené místo a satelitní operátoři musí bojovat s množením vesmírného odpadu a rizikem kolize. Atmosféra pod 90 kilometry je příliš hustá na to, aby udržovala kosmickou loď na oběžné dráze i za použití pohonu. Pod 400 kilometry způsobí zbytková atmosféra atmosférický reentry kosmické lodi po několika hodinách (v nejnižších nadmořských výškách) až několika letech.

• Střední oběžná dráha Země  : Střední oběžná dráha Země nebo MEO ( Medium Earth Orbit ) je oblast vesmíru kolem Země mezi nadmořskou výškou 2000 a 35 786 km nebo nad nízkou oběžnou dráhou Země a pod geostacionární oběžnou dráhou.

• Geosynchronous Orbit  : Geosynchronous orbit, zkráceně GEO ( Geosynchronous Orbit ), je oběžná dráha, ve které se satelit pohybuje stejným směrem jako planeta (od Země na západ od východu) a jehož oběžná doba se rovná době hvězdné rotace Země (přibližně 23 h 56 min 4,1 s). Tato oběžná dráha má poloviční hlavní osu asi 42 200 km.

• High orbit Earth  : High Earth orbit, or HEO ( High Earth Orbit ) is a Earth orbit which apogee is located above the geosynchronous orbit, or about 35 786 km.

Klasifikace podle sklonu

Nakloněná oběžná dráha je oběžná dráha skloněna vzhledem k rovníkové rovině .

• Polární oběžná dráha  : Satelit na polární oběžné dráze letí s póly planety (nebo jiného nebeského tělesa) s každou revolucí . Točí se kolem hvězdy s velkým sklonem, která se nachází blízko 90 stupňů, což ji činí zajímavou pro pozorování Země. Jeho nadmořská výška, obvykle poměrně nízká, je kolem 700 kilometrů.

• Sluneční synchronní  oběžná dráha: Sluneční synchronní oběžná dráha označuje oběžnou dráhu, jejíž nadmořská výška a sklon jsou zvoleny tak, aby úhel mezi její rovinou a směrem Slunce zůstal přibližně konstantní. Družice umístěná na takové oběžné dráze prochází daným bodem na zemském povrchu ve stejném místním slunečním čase.

Klasifikace podle výstřednosti

• Kruhová oběžná dráha  : je to oběžná dráha, jejíž výstřednost je nulová. Perigeum se rovná apogea .
• Eliptická dráha
  • Hohmannova oběžná dráha je trajektorie, která umožňuje průchod z jedné kruhové oběžné dráhy na jinou kruhovou oběžnou dráhu umístěnou ve stejné rovině pomocí pouze dvou impulsních manévrů. Omezením na dva manévry je tato trajektorie tou, která k dosažení tohoto cíle spotřebovává nejméně energie.
  • Geostacionární oběžná dráha je eliptická oběžná dráha, která se používá k přenosu satelitu na geostacionární oběžnou dráhu. Apogee se nachází v nadmořské výšce 35 786 km (nadmořská výška geostacionární oběžné dráhy), zatímco perigeum je obecně 200 km.
  • Molniya orbita je třída vysoce eliptické dráhy skloněna 63,4 ° vzhledem k rovině rovníku a po dobu 12 hodin. Jeho vrchol se blíží 40 000 km a perigeum téměř 1 000 km. Družice umístěná na této oběžné dráze tráví většinu času nad polárními oblastmi. Doplňuje pokrytí satelitů na geostacionární oběžné dráze, které v těchto oblastech nejsou přijímány. Poprvé ho zavedli Sověti, jejichž většina se nachází ve vysokých zeměpisných šířkách.
  • Tundra oběžná dráha je druh velmi eliptické geostacionární oběžné dráze se po dobu 24 hodin. Souvisí to s oběžnou dráhou Molnie, která má dobu 12 hodin. To bylo používáno určitými telekomunikačními satelity k pokrytí oblastí špatně obsluhovaných geostacionární oběžnou dráhou, zejména pólů. Tuto oběžnou dráhu poprvé použili i Sověti.

Progradujte nebo retrográdní oběžnou dráhu

Když se satelit točí kolem Země rotačním pohybem shodným s pohybem Země (ve směru hodinových ručiček při pohledu ze severního pólu), jeho dráha je považována za postupující . Velká většina satelitů je umístěna na postupné oběžné dráze, protože to umožňuje těžit z rychlosti rotace Země (0,46 km / s na rovníku). Výjimky zahrnují izraelské satelity, které nelze vypustit na západ (= ve směru rotace Země), protože odpalovací zařízení by letělo přes obydlenou zemi. Kolují na retrográdní oběžné dráze.

Vložení na oběžnou dráhu Země

Aby bylo kosmické vozidlo umístěno na oběžnou dráhu Země, je nutné mu sdělit minimální rychlost. Tato minimální rychlost na oběžné dráze je u satelitu na kruhové oběžné dráze ve výšce 200 km asi 7,9 km / s (jedná se o horizontální rychlost, objekt vypuštěný vertikálně touto rychlostí nebo vyšší rychlostí by spadl zpět na Zemi).

Pokud je horizontální rychlost nižší než 7,9 km / s, stroj před návratem na Zemi popisuje parabolu různé délky v závislosti na rychlosti. Pokud je rychlost vyšší než rychlost uvolnění (11,2 km / s nebo 40 320 km / h), její trajektorie popisuje hyperbolu a opouští oběžnou dráhu Země, aby se umístila na heliocentrickou oběžnou dráhu (kolem Slunce ).

Pokles oběžné dráhy

Životnost satelitu na nízké oběžné dráze

Nadmořská výška	Život
200 km	Několik dní
250 km	~ 60 dní
300 km	~ 220 dní
500 km	Pár let
1000 km	Několik století (orientační)
1 500 km	10 000 let (orientační)

Oběžná dráha satelitu kolem Země není stabilní. Podstupuje síly, které jej postupně upravují. Zejména na nízké oběžné dráze Země působí zbytková atmosféra, i když je velmi tenká, na kosmické vozidlo generováním aerodynamické síly skládající se ze dvou složek: výtah , kolmý na vektor rychlosti, jehož hodnota je zanedbatelná, dokud husté vrstvy je dosažena atmosféra (ve výšce asi 200 km a níže) a odpor, který snižuje rychlost a tím způsobuje snížení nadmořské výšky. Hodnota odporu se zvyšuje, když klesá nadmořská výška, protože atmosféra je hustší. Když je sluneční aktivita intenzivnější, hustota atmosféry ve vysoké nadmořské výšce se zvyšuje, což zvyšuje odpor. A konečně, odpor také závisí na balistickém koeficientu kosmické lodi, to znamená na poměru mezi jeho úsekem, jak se objevuje ve směru posunu a jeho hmotou. Kvůli této síle zůstane kosmická loď cestující ve výšce 200 kilometrů na oběžné dráze pouze několik dní, než pronikne do silných vrstev atmosféry a bude zničena (nebo přistane, pokud byla navržena tak, aby přežila vysoké teploty). Pokud cestuje v nadmořské výšce 1 500 kilometrů, dojde k této události až po přibližně 10 000 letech (viz tabulka).

Když nadmořská výška satelitu způsobí, že pronikne hustšími vrstvami atmosféry, teplo produkované odporem díky jeho rychlosti kolem 8 km / s dosáhne několika tisíc stupňů. Pokud kosmická loď nebyla navržena tak, aby přežila svůj atmosférický návrat, shoří a roztříští se na několik kusů, z nichž některé mohou dosáhnout na zem. Vzhledem k tomu, atmosférického odporu je nejnižší výška nad internetu , na které objekt v kruhové dráze může alespoň jednu plnou otáčku bez pohonu je přibližně 150  km , zatímco nejnižší perigeum z eliptické dráhy je asi 90  km .

Pozemní stopa

Pozemní dráha z umělé družice je pomyslná čára skládá ze všech bodů umístěných na vertikální, která prochází středem Země a družice. Tato stopa umožňuje určit místa viditelnosti satelitu ze země a naopak určit části povrchu pokrytého satelitem. Jeho charakteristiky jsou určeny parametry oběžné dráhy. Cíle mise splněné satelitem, poloha pozemských stanic komunikujících se satelitem pomáhají zafixovat tvar pozemní dráhy a tím na oplátku zachovat parametry oběžné dráhy.

Shrnutí: nadmořská výška, energie, doba a oběžná rychlost

Historie spuštění

Typ oběžné dráhy	Nadmořská výška nad povrchem	Vzdálenost od středu Země	Orbitální rychlost	Oběžná doba	Orbitální energie
Zemský povrch (pro informaci to není oběžná dráha)	0 km	6 378 km	465 m / s (1674 km / h)	23:56 min. 4,09 s.	-62,6 Mj / kg
Oběžná dráha na povrchu (teoretická)	0 km	6 378 km	7,9 km / s (28 440 km / h)	1h24 min 18s.	-31,2 Mj / kg
Nízká oběžná dráha	200 až 2 000 km	6 600 až 8 400 km	7,8 až 6,9 km / s	1h29min až 2h8min	-29,8 Mj / kg
Geostacionární oběžná dráha	35 786 km	42 000 km	3,1 km / s	23h56m. 4 s.	-4,6 Mj / kg
Oběžná dráha měsíce	357 000 - 399 000 km	363 000 - 406 000 km	0,97 - 1,08 km / s	27,27 dnů	-0,5 Mj / kg
Molnia Orbit	500–39 900 km	6 900–46 300 km	0,97 - 1,08 km / s	11h58m.	-4,7 Mj / kg

Poznámky a odkazy

1. (fr) Luc Duriez, „Problém dvou těl se vrátil“, Daniel Benest a Claude Froeschle (ed.), Moderní metody nebeské mechaniky , Gif-sur-Yvette, Frontières, 2. vydání, 1992, s. 18 ( ISBN  2-86332-091-2 )
2. (in) TS Kelso, „  SATCAT Boxscore  “ , CelesTrak (přístup 23. června 2019 )
3. (in) TS Kelso, "  TLE History Statistics  " , CelesTrak (přístup 23. června 2019 )
4. (in) „  Kosmický odpad podle čísel  “ , ESA ,ledna 2019
5. Vesmírná mechanika - B - Orbitální poruchy - Kapitola 3 - atmosférické brzdění - Životnost , str.  123-128

Bibliografie

• (en) Robert Guiziou, Kurz vesmírné mechaniky (DESS v kosmických technikách) , UNIVERZITA STŘEDOMOŘÍ - AIX-MARSEILLE II,2000, 184  s. ( číst online )
• Michel Capderou, satelity Kepler na GPS , Springer,2012( ISBN  978-2-287-99049-6 )

Podívejte se také

Související články

• Obíhat
• Minimální obíhající rychlost , rychlost uvolňování
• Pozemní stopa
• Dvouřádkové orbitální parametry
• Pokles oběžné dráhy
• Suborbitální let
• Měsíc
• Umělý satelit
• Vesmírný odpad

externí odkazy

<img src="https://fr.wikipedia.org/wiki/Special:CentralAutoLogin/start?type=1x1" alt="" title="" width="1" height="1" style="border: none; position: absolute;">