Астродинамика

АСТРОДИНАМИКА (от астро... и динамика), раздел небесной механики, изучающий движение космических аппаратов (КА) - искусственных спутников Солнца, планет и планетных спутников, а также межпланетных станций, межзвёздных зондов и тому подобное. Используются также термины «космодинамика», «небесная баллистика», «механика космического полёта».

Астродинамика возникла как ветвь классической небесной механики, изучающей движение естественных небесных тел. В конце 17 века И. Ньютон впервые провёл расчёты, по которым для запуска искусственного спутника Земли (ИСЗ) необходимо достичь скорости 8 км/с, а для запуска КА к Марсу - 11 км/с. К. Э. Циолковский доказал возможность достижения космических скоростей с помощью ракет.

Специфика астродинамики состоит в необходимости оптимизации траекторий КА и их систем, учёта возможной управляемости КА, а также учёта притяжения протяжённых небесных тел и многих негравитационных сил: сопротивления атмосферы, давления солнечного и отражённого от Земли излучения, влияния магнитосферы и др. Астродинамика базируется на математическом исследовании уравнений (как правило, обыкновенных дифференциальных уравнений движения, возможно с управляющими параметрами) и использует методы небесной механики и теории оптимального управления (например, принцип максимума Понтрягина). Применяются методы расчёта орбит (смотри Орбиты небесных тел), разрабатываются собственные методы решения задач, не встречавшихся в классической небесной механике. К таким задачам, например, относится проектирование орбит, оптимальных по важнейшему критерию работы КА и приемлемых по остальным параметрам (например, орбита перелёта Земля - Марс с минимальными затратами топлива, орбита наилучшего обзора данного региона Земли и др.). Для систем КА (спасательных, навигационных, спутников связи и др.) оптимизации подлежат не отдельные орбиты, а их ансамбль.

Часто выход на рабочую орбиту целесообразно осуществлять в несколько этапов, и возникает задача о переходе между орбитами. Переход может осуществляться за счёт работы реактивных двигателей, обеспечивающих кратковременную большую тягу (КА испытывает действие почти мгновенного дополнительного импульса) или постоянно действующую малую тягу, а также за счёт энергии поля тяготения планеты или спутника (гравитационный манёвр) или энергии солнечного излучения (солнечный парус). Сюда же относятся задачи о посадке или выходе на орбиту искусственного спутника планеты (включая Землю) с использованием торможения в атмосфере или о посадке на Луну и другие безатмосферные тела. С математической точки зрения задача заключается в расчёте импульсов или дополнительной тяги, необходимых для изменения орбиты. Для типичных задач построены базовые решения, часто неочевидные. Так, техника ближайшего будущего не в состоянии сообщить КА скорость, достаточную для непосредственного достижения окрестностей Солнца. Решить эту задачу позволяет полёт к Юпитеру с использованием гравитационного манёвра или полёт с многократными гравитационными манёврами у Венеры и Земли. Практическое использование математических результатов астродинамики в задачах космических полётов связано с инженерно-техническими вопросами конструирования КА и их автоматического управления.

Значительное место в астродинамике занимает построение аналитических, полуаналитических и численных теорий движения КА, позволяющих рассчитывать их положение и скорость в любой момент времени. При разработке теорий приходится преодолевать трудности математического характера ввиду сложности уравнений движения и невозможности ограничиться методами, разработанными в классической небесной механике.

Важная задача астродинамики - анализ и проектирование вращательного движения КА относительно центра масс, ориентации КА относительно Земли и других небесных тел в ходе перемещения по орбите. Часто требуется одноосная стабилизация (например, вращение КА вокруг оси, сохраняющей постоянное направление на Землю или Солнце) или трёхосная (КА сохраняет ориентацию неизменной относительно избранной системы отсчёта). Иногда разные части КА должны быть ориентированы по-разному (например, телескоп на Марс, антенна на Землю, солнечные батареи на Солнце). КА обычно обладают сложной несферической формой, приводящей к математическим трудностям при учёте вращательных моментов. Разработаны методы стабилизации вращения с помощью гироскопов, реактивных двигателей и систем пассивной стабилизации, использующих моменты сил тяготения, магнитных и аэродинамических сил.

Являясь в основном прикладной наукой, астродинамика стимулирует решение задач классической небесной механики, так как расчёты межпланетных перелётов невозможны без высокоточных данных о движении планет, их массах и гравитационных полях. Астродинамика помогает решать и задачи фундаментальной науки. Например, данные траекторных измерений систем геодезического и навигационного ИСЗ привлекаются для получения сведений о значении гравитационной постоянной и её возможном изменении со временем, о гравитационном поле Земли, распределении масс в её теле, дрейфе континентов.

Смотри также Искусственный спутник Земли, Космический аппарат.

Лит.: Балк М. Б. Элементы динамики космического полета. М., 1965; Белецкий В.В. Движение спутника относительно центра масс в гравитационном поле. М., 1975; Справочное руководство по небесной механике и астродинамике / Под редакцией  Г. Н. Дубошина. 2-е изд. М., 1976; Херрик С. Астродинамика: В 3 т. М., 1976-1978; Бахшиян Б. Ц.. Назиров Р. Р.. Эльясберг П. Е. Определение и коррекция движения. М., 1980; Охоцимский Д.Е., Сихарулидзе Ю. Г. Основы механики космического полета. М., 1990.