Неестественные орбиты спутников обходят стороной законы Кеплера

Поскольку геостационарная орбита заполнена довольно плотно, а возможное число точек стояния на ней ограничено (спутники нельзя подводить сколь угодно близко друг к другу), открытие альтернативных орбит, обладающих свойствами геостационарной, может придать космической отрасли настоящий скачок.

Более четверти века назад американский физик Роберт Форвард (Robert L. Forward) заявил, что при помощи небольшой, но зато постоянной тяги, например от солнечного паруса, космический аппарат можно поместить на некеплеровую орбиту (NKO), или так называемую левитирующую смещённую орбиту (levitated displaced orbit). Её плоскость не проходит через центр масс Земли, а параметры не определяются только лишь силой притяжения.

	Геостационарная орбита удобна тем, что спутник на ней вращается с той же угловой скоростью, что и Земля, – аппарат остаётся над одной и той же точкой земной поверхности (иллюстрация с сайта wikipedia.org).

В частности, левитирующие смещённые орбиты могут проходить параллельно плоскости экватора, но на 10-50 километров выше или ниже геостационарной орбиты, считая направление вдоль земной оси, к северу либо югу.

В 1980-х большинство учёных посчитали, что подобные орбиты – совершенно невозможны в силу целого ряда проблем с динамической стабильностью объекта.

И вот теперь аспирант Шахид Баиг (Shahid Baig) и профессор Колин Макиннес (Colin McInnes), глава лаборатории передовых космических концепций университета Стратклайда (Advanced Space Concepts Laboratory), с помощью тонких расчётов доказали – Форвард всё же был прав!

Британские учёные посчитали оптимальные траектории вывода спутников на орбиты типа NKO. Разнообразные их виды, кстати, могут оказаться очень полезными для развёртывания космических электростанций. Ещё NKO пригодятся, к примеру, для создания ретрансляторов, помогающих получать сигналы от спутников, работающих около других планет, в те моменты, когда такая планета и Земля оказываются точно по разные стороны от Солнца и передача прерывается (иллюстрация Jeannette Heilingers, Advanced Space Concepts Laboratory/University of Strathclyde).

Учёные разработали целое семейство орбит типа NKO, показав, что находящийся выше или ниже фиксированной точки на геостационаре спутник с солнечным парусом будет совершать сложное нелинейное движение. Но хотя его траектория окажется отлична от идеальной окружности, вокруг планеты он будет обращаться аккурат за 24 часа, что и требуется для связи.

(Детали авторы работы изложили в статье, которая будет издана в Journal of Guidance, Control and Dynamics, её препринт можно найти тут.)

Орбита, протянувшаяся параллельно относительно плоскости геостационара, всё равно может остаться по сути "геостационарной", то есть спутник будет виден в конкретной местности всё время в одной точке небосвода (иллюстрация Shahid Baig, Colin R. McInnesy/University of Strathclyde).

Стабильное движение спутника по NKO можно обеспечить одним парусом, маломощной, но эффективной электроракетной системой или сочетанием обоих устройств. До недавнего времени интерес к таким вычислениям был не слишком большой, поскольку та же технология солнечных парусов находилась в зачаточном состоянии.

Однако в начале июля 2010 года произошло довольно знаменательное событие: Японское космическое агентство объявило, что высокоточное слежение за парусником IKAROS позволило подтвердить наличие у него ускорения от давления солнечного света.

Тяга от паруса оказалась равна 1,12 миллиньютона, и она близка к расчётной. (Мы подробно освещали проект IKAROS, старт аппарата, развёртывание паруса и получение его занимательного автопортрета.)

Наличие тяги от давления света доказывает изменение скорости, определённое с высокой точностью. Это фактически первая реально состоявшаяся проверка идеи солнечного паруса в истории (красная наклонная линия на графике) (иллюстрация JAXA).

Аномальные орбиты NKO можно построить и вокруг других планет, и вокруг самого Солнца. В частности, солнечный парус теоретически позволяет создать статит (Statite), изобретённый опять же Форвардом. Такой спутник обращается вокруг Солнца по кругу, на расстоянии одной астрономической единицы и ровно за год, но только в плоскости, не проходящей через центр нашей звезды!

А за счёт этого он может неподвижно висеть высоко над одним из полюсов Земли, что обеспечило бы такому аппарату новые возможности для связи или мониторинга климата.

Орбита статита похожа на земную околосолнечную "тропинку", но сдвинута вверх (или вниз) параллельно плоскости эклиптики (иллюстрация Robert Forward).

Этими так называемыми полярно-стационарными орбитами группа учёных из университета Стратклайда тоже занялась плотно, рассчитывая существенно развить своё искусство определения наилучших параметров NKO, а также законов управления ориентацией солнечного паруса. Ведь он должен обеспечивать стабильность таких орбит, с точки зрения небесной механики — "неестественных аномалий".