Pealeht » Kosmosest » Üldiselt » Kosmoseaparaatide orbiidid
Prindi

Kosmoseaparaatide orbiidid

Iga kosmoseaparaat täidab oma spetsiifilist ülesannet, millest lähtudes valitakse tema orbiit. Kosmoses eksisteerivad aga ka nõudmised ja piirangud, mis määravad satelliidi orbiidi ümber Maa, Päikese või teise taevakeha. Selles artiklis vaatleme detailsemalt orbiitide klassifikatsioone ja omadusi seoses ülesannetega, mida aparaadid nendel orbiitidel täitma on saadetud.

Meenutame (vaata detailsemalt), et ideaalsel juhul kujutab ainepunkti orbiit ümber sfäärilist keha (teiste mõjude puudumisel) endast koonuselõike: ringi, ellipsit, parabooli või hüperbooli. Need on nn Kepleri orbiidid. Reaalsed orbiidid erinevad Kepleri orbiitidest, kuna ideaalseid tingimusi looduses ei eksisteeri. Kepleri orbiidi põhiparameetriteks on suure pooltelje pikkus, mis määrab orbiidi suuruse; ekstsentrilisus, mis määrab selle lapikuse; kalle ehk inklinatsioon - nt. Maa orbiitide puhul määrab nurga orbitaaltasandi ja Maa ekvaatoritasandi vahel; tõususõlme pikkus , mis määrab orbitaaltasandi pöörde ümber Maa telje; ja peritsentri argument, mis määrab orbiidi pööret oma tasandis. Kuuendaks parameetriks on keskmine anomaalia, mis määrab satelliidi asukoha orbiidil. Edasi vaatleme, kuidas need parameetrid on seotud satelliidi funktsionaalsusega.

Orbitaalkõrguse roll

Orbiidi kõrgus on otseselt seotud suure pooltelje pikkusega: ringkujulise orbiidi puhul on kõrgus orbitaalraadiuse ja Maa raadiuse vahe. Orbiite klassifitseeritakse olenevalt kõrgusest järgnevalt:

Madal Maa orbiit (ingl Low Earth Orbit, LEO) on orbiidid kõrgusega alla 2000 km. Orbitaalkõrgusel on ka alampiir, mis on määratud Maa atmosfäärgia: õhutakistus ei võimalda orbiite kõrgusega alla ca 130 km. Vastasel juhul sukeldub kosmoseaparaat atmosfääri ja hävib enne täistiiru lõpetamist. Praktiliselt kasutatakse orbiite kõrgusega üle 180 km. Satelliidid saavad sellel kõrgusel teha vaid mõned tiirud, seejärel tuleb kõrgust tõsta. Atmosfääritaksistus on märgatav kuni ca 1000 km kõrguseni. Madalamatel orbiitidel asuvad satelliidid peavad kõrguse säilitamiseks kütust kulutama. LEO orbitaalperioodid on vahemikus 90 – 130 min.

2015-06-orb-space-junk-orbital-debris-100924-02

Orbiitide asustus kosmoseprügiga. Kõige tihedamini asustatud piirkonnad on LEO ja geostatsionaarne orbiit (lai ring). Illustratsioon: ESA, http://www.space.com/12819-space-junk-cleanup-giant-net-tether.html kaudu.

LEO saavutamine on kõige lihtsam, selleks kulub kõige vähem kütust. Orbiidid alla ca 500 km asuvad alla Van Alleni kiirgusvööndi ja seega on nendel orbiitidel radiatsiooni tase suhteliselt väike. Sel põhjusel tiirelvad kõik mehitatud kosmoselaevad ja orbitaaljaamad LEO-l kõrgusel alla 500 km. Erandiks oli Gemini XI, mille apogee tõsteti lühiajaliselt 1370 km ja Kuule suundunud Apollo kosmoselaevad. Kaugseire satelliidid tiirlevad samuti madalatel orbiitidel, kuna madalast kõrgusest s.t väiksest kaugusest vaadeldavate objektideni, saab maksimaalse lahutusvõime, ehk lähemalt pildistades tuleb teravam pilt. LEO kasutatakse ka side organiseerimiseks. Madalate kommunikatsioonisatelliitidega on lihtsam sidet pidada, kuna raadiolained levivad väiksema viivitusega. Samuti esineb selle orbiidi kasutamisega veidi probleeme. Esiteks, väikeselt kõrguselt on satelliidile nähtav ala suhteliselt väike, kuna horisont asub lähedal. Teiseks, madala satelliidi nurkkiirus on maapinna suhtes on - see tähendab, et satelliidi nähtavusaeg mingist maapealsest punktist on lühike, kuna ta lendab madalalt kiiresti üle pea. Sel põhjusel koosneb madalorbiidiliste satelliitide kommunikatsioonivõrk reeglina paljudest aparaatidest maakera ühtlaseks katmiseks. Need aparaadid vahetavad pidevalt omavahel andmeid. Nt madalorbiidiline Iridium kommunikatsioonivõrk koosneb 66 ca 780 km kõrgusel tiirlevast aktiivsest satelliidist.

Nagu näeme, on LEO-d laialt kasutatud, seega kunstlike objektide kontsentratsioon on nendel üks suurimatest.

 

2015-06-orb-SPAC Iridium Constellation III lg

66 Iridium sidesatelliiti moodustavad võrgu, kus toimub pidevalt andmevahetus. Illustratsioon http://www.defenseindustrydaily.com/iridium-next-boosting-data-speeds-improving-dod-space-awareness-06161/ kaudu.

Keskmised Maa orbiidid (Medium Earth Orbit, MEO). Need on orbiidid kõrgusega vahemikus 2000 – 36 000 km. Ülemine piir vastab geosünkroonsele orbiidile. Orbitaalperioodid 2 – 24 t. Neid orbiite kasutavad nt navigatsioonisatelliidid (GPS, GALILEO jms). Atmosfääritakistus on nendel orbiitidel väga madal ja kütuse kulu pole orbiidi tõstmiseks vaja. MEO orbiitide puuduseks on see, et nad läbivad kiirgusvööndit, seega nõuavad satelliidid tugevat radiatsioonikaitset.

2015-06-orb-730056main 20130228-radiationbelts-orig full

Van Allen radiatsioonivöönd. MEO asuvad kõrge osakeste kontsentratsiooniga tsoonis. Illustratsioon: NASA, http://www.nasa.gov/mission_pages/sunearth/news/gallery/20130228-radiationbelts.html

Geostatsionaarne orbiit (Geostationary Orbit, GSO). See on orbiit ekvatoriaaltasandil, mille periood võrdub täpselt ööpäeva pikkusega ehk 24 h. (Seda kutsutakse ka Clarke'i orbiidiks, kuulsa inglise ulmekirjaniku Arthur C. Clarke'i järgi, kes 20. sajandi alguses satelliidi kontseptsiooni peale esimesena üldse tuli ning sellest ja ka kaugetest kosmoselendudest hulganisti põnevaid raamatuid kirjutas.) Saab välja arvutada, et GEO kõrgus on ca 35 900 km. Sel orbiidil tiirlev satelliit jääb liikumatuks maapealse vaatleja suhtes. Tema jaoks jääb geostatsionaarne satelliit alati taevasfääril samasse punkti. See omadus teeb GSO väga mugavaks signaali retransleerimiseks: saatja ja vastuvõtja antennid võivad jääda fikseerituks samasse punkti. Teiste kommunikatsioonisatelliitide puhul peavad antennid pidevalt satelliiti tema ülelennul jälgima ja kaas aliikuma. Samas on GSO-l ka mitu puudust.

  1. Kuna GSO on väga kõrge, nõuab satelliidi saatmine suurt ja kallist kanderaketti.
  2. Kuna orbiit on ekvatoriaalne, ei ole seda näha pooluste lähedastest regioonidest (seega GSO satelliite ei saa kasutada poolustel).
  3. Signaal levib GSO satelliidini ja tagasi vähemalt 1/4 sekundiga ja taoline hilinemine võib osutuda mõningatel juhtudel kriitiliseks.
  4. Maa gravitatsioonivälja mittetsentraalsuse tõttu ei ole GSO päris statsionaarne, seega peavad satelliidid pidevalt veidi manööverdama ja kütust kulutama.
  5. Kuna tegemist on üheainsa orbiidiga, tekib ruumipiirangu probleem. Rahvusvaheline telekommunikatsiooni Liit (International Telecommunication Union) jagab kohti riikide vahel. Vanad satelliidid peavad lahkuma GSO-lt ruumi vabastamiseks, selleks manöövriks on vaja lisakütust. Tavaliselt suunatakse need GSO-st veidi kõrgemale, nn kalmistu- ehk supersünkroonsele orbiidile (graveyard orbit). Manöövrid teostataksehetkel, mil kütusevaru on otsa lõppemas ja kütust jätkub vaid GSO vabastamiseks.

Vaatamata nimetatud puudustele on GSO eelised nii suured, et see orbiit on väga tihedalt asustatud. Vahepealne orbiit, mille kaudu liiguvad satelliidid oma teel GSO-le, nimetatakse geostatsionaarseks ülekandeorbiididks (Geostationary Transfer Orbit, GTO).

Geosünkroonsed orbiidid (Geosynchronous Orbit, GEO) on orbiidid perioodiga 24 t, aga erinevalt GSO-st ei ole need ekvatoriaalsed. Maapealse vaatleja suhtes liigub satelliit ringkujulisel GEO-l „8“-kujulist trajektoori mööda (s.o satelliidi jälg, ehk joon, mida „joonistab“ satelliidi vertikaalne projektsioon maapinnale). GEO on võrreldes GSO-ga kättesaadavam (GEO-le saatmiseks on vajalik väiksem rakett) aga maapealne antenn peab kas jälgima satelliiti või omama laiemat suunadiagrammi. Viimasel juhul on vastuvõetava signaali võimsus väiksem. GSO on GEO erijuhtum, kus jälg koondub ühte punkti.

 

2015-06-orb-fig-3

Geosünkroonsete orbiitide jäljed. Punane jälg vastab ringkujulisele ja kollane elliptilisele orbiidile. Illustratsioon https://celestrak.com/columns/v04n07/ kaudu.

Kõrged Maa orbiidid (High Earth Orbit, HEO) on orbiidid, mille apogee on GEO-st kõrgem. Nendesse kuuluvad ka suure ekstsentrilisusega orbiidid (Highly Elliptical Orbit). Seda tüüpi orbiidid ei ole väga populaarsed, kuna vajadus nende järgi on väike. Neid orbiite kasutavad teaduslikud satelliidid, mis uurivad kosmosetingimusi suurtel kõrgustel ja mõned teised, nt USA Vela satelliidid 1960-ndate lõpus tuumarelvade katsetamiste detekteerimiseks kosmoses ja atmosfääris.

2015-06-orb-molniya track

Molniya orbiidi jälg. Illustratsioon http://hakenberg.de/numerics/spacecraft_orbits.htm kaudu.

HEO orbiitide hulka kuuluvad ka nn Molnija ja Tundra orbiidid. Need on sidesatelliitide poolt kasutatavad väga ekstsentrilised orbiidid perioodiga vastavalt 12 t ja 24 t ja kaldega ca 63,40. Vastavate orbiitide omapära on selles, et nad ei pöörle oma tasandis (peritsentri argument on muutumatu), seega apogee jääb sama laiuskraadi kohale. Sidesatelliit nendel orbiitidel liigub aeglaselt apogee juures (mis tavaliselt asub põhjapoolkeras) ja seda saab kasutada retranslaatorina poolusele lähedal. Kolm sellist satelliiti tagavad ööpäevaringse kommunikatsiooni. Orbiidid said nimetuse NSVL sidesatelliitide järgi.

Rekurrentne orbiit (Recurrent Orbit). Vastavalt 3. Kepleri seadusele, on satelliidi pöörlemisperiood võrdeline orbitaaltelje pikkusega astmes 3/2. Teatud pooltelje pikkuste väärtustel võrdub orbitaalperioodi T ja Maa pöörlemisperioodi P suhe täisarvude suhtega. Sel juhul on orbiidi jälg suletud: peale teatud tiirude arvu naaseb satelliit Maa suhtes samale kohale . See tähendab, et ta  „külastab“ korduvalt samu maapinnapunkte. Geosünkroonne orbiit on ka rekurrentne. Tavaliselt kasutatakse selliseid orbiite kaugseire jaoks – satelliit vaatleb perioodiliselt samu regioone.

Kalde roll

Kalle ehk inklinatsioon on nurk Maa ekvatoriaaltasandi ja orbitaaltasandi vahel. Vaatleme, kuidas see mõjub satelliitide funktsionaalsusele.

2015-06-orb-0092

Orbiidi kalle 300 ja 600. Satelliit läbib viirutatud regioonide kohal. Illustratsioon http://www.tpub.com/neets/book17/76.htm kaudu.

Ekvatoriaalne orbiit on orbiit, mille kalle on null: i = 00. Sellel orbiidil jääb satelliit kogu aeg ekvaatori kohale ja „näeb“ ainult ekvaatorilähedasi regioone. Horisondi kaugus sõltub orbitaalkõrgusest: nt satelliit 300-kilomeetrilisel ringorbiidil „näeb“ Maa riba 170 põhja- ja 170 lõunalaiuste vahel (seega satelliiti on näha kauguselt kuni 1900 km ekvaatorilt, riba laius on 2 x 1900 = 3800 km). Geostatsionaarsest satelliidist on näha Maa kuni 81. laiuskraadini, satelliit on nähtav tervelt Maalt kuni kauguseni 960 km mõlemast poolustest. Loomulikult on ekvaatorilt kaugemad alad nähtavad satelliidist suure nurga all.

 

2015-06-orb-Satellite Orbital Elements ISS Groundtrack

Rahvusvahelise kosmosejaama (orbiidi kalle 51,60) jälg. Iga järgmine tiir nihkub läände eelmise suhtes. Pilt: NASA, https://commons.wikimedia.org kaudu.

Satelliit orbiidil, mille kalle erineb nullist, liigub maapinna suhtes lainelisel trajektooril. Maksimaalne laiuskraad, mille kohalt satelliit üle lendab, võrdub selle sama satelliidi inkilinatsiooni nurgaga ekvaatori suhtes. See tähendab, et satelliit orbiidil kaldega i = 280 liigub 280 põhja- ja 280 lõunalaiuste vahel. Loomulikult on satelliiti näha ka kõrgematelt laiuskraadidelt sõltuvalt satelliidi kõrgusest. Kuna maakera pöörleb läänest itta, ei ole orbiidi jälg suletud: ühe tiiru jooksul nihkuvad maapinna punktid itta ja igal järgmisel tiirul nihkub jälg nihkub läände. Juhul, kui satelliidi nurkkiirus on mingis orbiidipunktis Maa pöörlemise kiirusest väiksem, nihkub jälg nendel hetkedel ida poole. See juhtub kõrgete orbiitide puhul, sest suurel kõrgusel oleva satelliidi kiirus on väike.

Maa lapikuse tõttu pöörlevad vahepealsete kalletega orbitaaltasandid ümber Maa telje. Pöörlemine toimub satelliidi tiirlemisega vastupidises suunas. Kuna enamik satelliite lastakse läänest itta, siis Maa pöörlemine aitab kaasa, suurendades kanderaketi kiirust Maa pöörlemiskiiruse võrra., Orbitaaltasandi pöörlemine toimub idast läände. See tähendab, et igal tiirul nihkub satelliidi orbiit täiendavalt läände Maa suhtes – s.o nn sõlmede regressioon. Pöördenurk sõltub orbitaalparameetritest. Nt rahvusvahelise kosmosejaama puhul võrdub see ca 50 päevas.

On teada järgmine satelliitide laskmisi puudutav fakt: antud kosmodroomilt on võimalik ilma täiendavat manööverdamist satelliite lennutada vaid orbiitidele, mille kalle ületab või võrdub kosmodroomi asukoha laiuskraadiga. See tähendab, et nt Canaverali neeme kosmodroomilt (laiuskraad 28,50) on võimalik otseselt lasta satelliite kalletele i >=28,50. Laskmiseks väiksematele kalletele on vaialik orbitaaltasandivahetuse manööver. Sellised manöövrid on väga kallid kütusekulu mõttes. Seega stardid ekvaatorilähedastele orbiitidele on seda odavamad, mida lähedam on kosmodroom ekvaatorile. Sel põhjusel asub Euroopa kosmodroom Prantsuse Guajaanas, laiuskraadil vaid 5,20.

 

2015-06-orb-Image151

Polaarse orbiidi jälg. Illustratsioon http://ccar.colorado.edu/asen5050/projects/projects_2000/redlin/ kaudu.

Polaarsed orbiidid (Polar Orbit) on orbiidid, mille kalle on i = 900 või selle lähedane. Polaarsel orbiidil lendab satelliit pooluselt pooluseni, ja tänu Maa pöörlemisele katab orbiit terve maakera. Polaarsed orbiidid sobivad väga kaugseire jaoks (ilmasatelliidid, luuresatelliidid, kaardistavad satelliidid): teatud aja vältel saab satelliit pildistada tervet maakera.

 

2015-06-orb-orbital plane

Päikesesünkroonne orbiit pöörleb perioodiga 1 aasta, seega säilib nurk orbitaaltasandi ja Päikese suuna vahel. Illustratsioon: NASA, http://landsathandbook.gsfc.nasa.gov/data_properties/prog_sect6_3.html kaudu.

Polaarsete orbiitide eriliigiks on päikesesünkroonsed orbiidid (Sun-synchronous orbit, SSO). Need on orbiidid, mille kalle on veidi suurem kui 900. See teeb need retrograadseteks: erinevalt enamikest satelliitidest, tiirleb satelliit SSO-l idast läände. Retrograadsuse tõttu pöörleb orbiit läänest itta. Kui orbiidi kalle ja kõrgus on omavahel sobitatud, võrdub orbiidi pöörlemisperiood ühe aastaga. See lubab säilitada nurka orbitaaltasandi ja Päikese vahel. Tänu sellele omadusele „külastab“ satelliit SSO-l teatud kohti maapinnal siis, kui Päikese kõrgus nendes (ja seega ka valgustustingimused) on samad. Nii ilmub võimalus pildistada optimaalsetes valgustustingimustes ja elimineerida ööpäevaste valgustuse- ja temperatuurimuutuste mõju.

Ekstsentrilisuse roll

Vastavalt Kepleri 2. seadusele on satelliidi kiirus suurem perigees ja väiksem apogees. Väga ekstsentrilised orbiidid on tundlikumad Maa lapikusest ja Kuu ning Päike gravitatsioonilisest mõjust tingitud häiritustest. Eriti tugevasti mõjutab Kuu satelliidele, mis liginevad sellele apogees. Selline satelliit võib olla haaratud Kuu orbiidile või välja visatud Päikese orbiidile või selle perigee võib muutuda nii madalaks, et aparaat sattub atmosfääri ja põleb ära.

Teist tüüpi orbiidid

Paraboolne orbiit (Parabolic Orbit). See on orbiit ekstsentrilisusega e = 1, mida mööda liigub teist kosmilist kiirust (ehk paokiirust) omav objekt. Reaalsuses ei esine, kuna praktikas ei saa kiirus omada täpset väärtust.

Hüperboolne orbiit (Hyperbolic Orbit). Sellel orbiidil liigub Maalt (või teiselt kosmiliselt kehalt) eemale sond, mille kiirus ületab paokiiruse. Orbiidi ekstsentrilisus on ühest suurem (e > 1). Sondid, mis liginevad süvakosmosest planeedile, liiguvad samuti hüperboolsetel orbiitidel.

Haaramisorbiit (Capture Orbit) on orbiit, mida mööda ligineb sond planeedile süvakosmosest enne sealt väljumist planeedi orbiidile või ennem maandumist. Tavaliselt väga ekstsentriline hüperboolne orbiit. Peritsentri juures pidurdub sond rakettmootoriga või siseneb planeedi atmosfääri, mis pidurdab sondi nii, et ta ei saa enam lahkuda planeedi gravitatsiooniväljast.

 

2015-06-orb-new-horizons-8-25-2014 

New Horizons Pluuto sondi heliotsentriline trajektoor. Illustratsioon: John Hopkins University, http://earthsky.org/space/pluto-bound-new-horizons-crosses-neptunes-orbit kaudu.

 

Heliotsentrilised orbiidid on orbiidid Päikese ümber. Sellistel orbiitidel liiguvad kosmosesondid teel ühelt kosmiliselt kehalt teisele. Mõnede sondide kiirused ületavad Päikese paokiirust (ehk kolmandat kosmilist kiirust), nad liiguvad Päikesesüsteemilt ära Päikese hüperboolsetel orbiitidel (nt. Voyager-id).

 

2015-06-orb-lagrangian points

Lagrange’i punktid süsteemis Päike-Jupiter. Illustratsioon http://abyss.uoregon.edu/~js/ast121/lectures/lec18.html kaudu.

Halo orbiidid (Halo Orbit) on eritüüp kolmemõõtmilisi orbiite Lagrange libratsioonipunktide ümber (vt joonis). Need punktid esinevad kahest kosmilisest kehast koosnevates süsteemides, nt Päike ja Maa, Maa ja Kuu. Libratsioonipunktid L1, L2 ja L3 on ebastabiilsed, s.t sond lahkub sellest punktist minimaalse häirituse tõttu. Kuigi eksisteerib hulk orbiite (halo orbiidid) nende punktide ümbruses, millele sond võib jääda pikaks ajaks väikese kütusekuluga. Libratsioonipunktid L3 ja L4 (nn trojaanipunktid) on stabiilsed, kosmosesond jääb orbiidile nende ümbruses ilma kütusekuluta. Halo orbiidid ümber L1 ja L2 süsteemis Päike-Maa kasutatakse orbitaalobservatooriumi paigaldamiseks. Kosmoseaparaat jääb nendel orbiitidel piisavalt kaugele Maast. Seega Maa optiline kiirgus ja magnetväli peaaegu ei häiri vaatlusi. Samal ajalei ei eemaldu aparaat Maast liiga palju ja kommunikatsioon sellega on lihtne.

 

2015-06-orb-trajectory

Genesis kosmosesondi orbiit L1 punkti ümber süsteemis Päike-Maa. Illustratsioon http://www.jpl.nasa.gov kaudu.

 

Autor: Vladislav-Veniamin Pustõnski / Green Vironia OÜ

Allikad:
http://www.polaris.iastate.edu/EveningStar/Unit4/unit4_sub3.htm
http://www.radio-electronics.com/info/satellite/satellite-orbits/satellites-orbit-definitions.php
https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_orbits
http://www.eorc.jaxa.jp/en/hatoyama/experience/rm_kiso/satellit_type_orbit_e.html