© В.Н. Самохвалов
доктор технических наук, профессор
Контакт с автором: samohvalov_vn@mail.ru
Аннотация
Дано объяснение аномальных ускорений космических аппаратов при гравитационных маневрах вблизи Земли и поворотов плоскостей орбит искусственных спутников. Показано влияние массодинамического поля вращения Земли на возникновение дополнительных сил, приводящих к отклонению скорости и траектории космических аппаратов от расчетов.
______________________________________________________________
Введение
Изучение гравитационных манёвров пяти космических аппаратов (Galileo, Cassini, Rosetta, MESSENGER и NEAR) вблизи Земли, проведенное под руководством Джона Андерсона из Лаборатории реактивного движения Калифорнийского технологического института (Калтеха) в Пасадене, показало значительные (до нескольких миллиметров в секунду) отклонения скорости космических аппаратов при пролёте вблизи Земли от расчётов. Точность измерений составляла около 0,1 мм/с. При этом, на протяжении большей части полёта расчётная траектория совпадала с наблюдаемой примерно с такой точностью [1].
При пролёте вблизи Земли аномалии доходили 13,5 мм/c в пересчёте на асимптотическую скорость космического аппарата. Относительные изменения асимптотической скорости (и энергии) аппарата оказались пропорциональны изменению косинуса угла между экватором планеты и вектором скорости аппарата. Результаты исследований опубликованы в журнале Physical Review Letters. Величина эффекта Лензе-Тирринга и прочих гравимагнитных эффектов, определяющих особенности гравитационного поля вращающегося тела, существенно меньше наблюдаемых аномалий. Учёные заключили, что наблюдаемый ими эффект реален, но объяснить его пока не удаётся. Объяснить выявленный эффект погрешностями расчетных моделей или погрешностями измерений не удалось, т.к. модели хорошо работают вдали от Земли. Они сравнивают его со знаменитым “эффектом Пионеров” – необъяснимым ускорением космических аппаратов, находящихся у границ Солнечной системы.
В другом случае, проведенный итальянскими учеными анализ изменения орбит спутников LAGEOS I и II, запущенных в космос в 1976 и 1992 годах, показал, что орбита спутников смещалась на два метра в год в направлении вращения Земли [2].
При наблюдении орбит низколетящих искусственных спутников Земли (высота 200 -500 км) установлено, что происходит изменение формы орбиты космического аппарата (появляется дополнительная прецессия перигея и др.), эллиптическая орбита все более приближается к круговой, монотонно изменяются эксцентриситет и большая полуось. Авторы работ [3, 4] объясняет эти процессы действием вращения атмосферы. Боковое давление на спутник, создаваемое вращающей атмосферой, приводит к появлению небольших поперечных силы, под действием которых появляются малые монотонно растущие возмущения наклонения (знак которого определяется направлением движения спутника на орбите) и малые периодические возмущения долготы восходящего узла. Основываясь на наблюдениях изменений наклонений орбит спутников [5], авторы работы [6] также объясняют это сверхвращением атмосферы на высотах выше 150 и до 400 км, однако не объясняя причину возникновения сверхвращения атмосферы на этих высотах.
Общей причиной вызывающей вышерассмотренные эффекты при движении космических аппаратов является действие на движущиеся тела массодинамических сил со стороны массодинамических полей больших вращающихся вокруг своих осей масс - планет (в том числе Земли) и Солнца. Экспериментальные подтверждения существования массодинамических полей и их воздействия на движущиеся объекты представлены в работах [7−11].
Движение космических аппаратов и искусственных спутников в массодинамическом поле Земли
Как показано в работах [7, 8], Земля вращаясь вокруг своей оси генерирует массодинамическое поле МДП(З) (рисунок 1).
Рисунок 1- Движение космического аппарата в массодинамическом поле Земли
При движении аппарата массой mС (рисунок 1) со скоростью VC по траектории в относительной близости Земли, а, следовательно, в массодинамическом поле МДП(З), на космический аппарат (КА) кроме гравитационной силы притяжения к Земле FГ действует массодинамическая сила FМД(З):
FМД(З)= mС× НМД(З)´ VС,
где НМД(З) – вектор напряженности массодинамического поля вращения Земли вокруг своей оси в точке нахождения КА, VС – вектор скорости движения космического аппарата.
Вектор массодинамической силы FМД(З) нормален касательной к траектории КА (вектору скорости VС).
Величина массодинамической силы FМД(З) на несколько порядков меньше гравитационной силы, но, тем не менее, она оказывает действие на КА при его пролете вблизи Земли. Векторная сумма гравитационной FГ и массодинамической сил FМД(З) определяет изменение траектории и скорости движения космического аппарата. Поскольку при движении КА по траектории пролета вблизи Земли между векторами FГ и FМД(С) будет угол не равный 0° , кроме точки минимального сближения с Землей, то равнодействующая гравитационной и массодинамической силы не будет проходить через центр массы Земли. Вследствие этого масссодинамическая сила FМД(С будет хоть и незначительно, но дополнительно искривлять траекторию КА относительно центра Земли.
Скалярная величина массодинамической силы определяется выражением
FМД(З)= mС× НМД(З) × VС× sina , (1)
где a - угол между вектором скорости аппарата и вектором напряженности массодинамического поля Земли в точке нахождения КА, НМД(З) и VС − скалярные величины напряженности МДП(З) и скорости КА.
В экваториальной плоскости векторы напряженности массодинамического поля Земли нормальны этой плоскости, поэтому при движении КА вблизи экваториальной плоскости Земли угол b между экватором и вектором скорости КА будет примерно равен b = 90° − a . Исходя из этого, величина массодинамической силы, действующей на КА равна
FМД(З)= mС× НМД(З) × VС× cos b . (2)
Таким образом массодинамическая сила пропорциональна косинусу угла b . Действие массодинамической силы наиболее сильно будет проявляться при минимальных расстояниях КА от Земли где велики как напряженность массодинамического поля вращения Земли вокруг своей оси - НМД(З), так и скорость движения самого космического аппарата - VС.
Вышеописанное объясняет результаты и закономерность изменения величины скорости космических аппаратов при гравитационных маневрах вблизи Земли, представленные в работе [1]: массодинамические силы со стороны МДП(З) оказывают заметное влияние на космические аппараты только в относительной близи Земли и эта сила пропорциональна косинусу угла между вектором скорости КА и плоскостью экватора.
Массодинамическая сила FМД(З) имеет радиальную составляющую FМД(R), лежащую в плоскости орбиты космического аппарата, и составляющую нормальную к плоскости орбиты − FМД(N) (рисунок 1).
Учитывая направление вектора напряженности массодинамического поля Земли НМД(З) [7, 8], при движении КА по орбите в сторону собственного вращения Земли, вектор радиальной составляющей массодинамической силы FМД(R) будет направлен в сторону Земли (рисунок 2). В противоположном случае – от Земли.
Рисунок 2 – Силовые воздействия на спутник в плоскости его орбиты
Радиальная сила FМД(R) будет вызывать изменение величины скорости движения КА и искривление траектории КА в плоскости орбиты его движения. Скалярная величина радиальной составляющей массодинамической силы, с учетом (2) определяется выражением
FМД(R)= mС× НМД(З) × VС × sina × cosb = mС× НМД(З) × VС × cos2 b , (3)
где b - угол между экватором и вектором скорости КА.
Вектор радиальной составляющей массодинамической силы, в свою очередь, имеет осевую составляющую FМД(RО), совпадающую по направлению с вектором гравитационной силы FГ, и тангенциальную составляющую FМД(RТ) – нормальную ей.
Сила FМД(RО), складываясь с гравитационной силой FГ, фактически изменяет (увеличивает) величину центростремительного ускорения (ускорение свободного падения плюс массодинамическое ускорение). Это приводит к изменению скорости движения КА и, следовательно его траектории. Для искусственного спутника Земли это приводит к изменению периода обращения – перемещению спутника по орбите в сторону вращения Земли, что зафиксировано исследователями и указано в публикации [2]
Сила FМД(RТ) приводит к вращению траектории КА вокруг оси Земли в сторону его движения (т.е. по направлению ее вращения если КА движется в ту же сторону). Для искусственного спутника Земли, движущегося по замкнутой орбите, это приводит к дополнительному вращению перигелия, что указывается в работе [3].
Нормальная сила FМД(N) будет вызывать поворот траектории КА относительно ее первоначальной плоскости, т.е. отклонение вектора скорости КА от первоначальной плоскости траектории в сторону экваториальной плоскости (если КА движется в сторону вращения Земли). Скалярная величина нормальной составляющей массодинамической силы определяется выражением
FМД(N)= mС× НМД(З) × VС × cos b × sinb . (4)
Вышеописанные силовые воздействия обуславливают изменение орбит низколетящих искусственных Земли указанные в работах [4−6]: орбиты низколетящих спутников будут поворачиваться в сторону вращения Земли, будет наблюдаться прецессия и вращение перигея, а так же монотонно растущие возмущения наклонения.
Движение космических объектов Солнечной системы
Вышерассмотренные эффекты наблюдаются при движении любых космических тел относительно вращающихся масс (Солнце или Планеты).
Действием массодинамических сил объясняется известное явление аномального вращения перигелия Меркурия и аномальные вращения перигелиев других планет солнечной системы [7, 8].
Действием массодинамического поля вращения Солнца вокруг своей оси - МДП(С), объясняется также и то, что плоскости орбит планет лежат близко к экваториальной плоскости Солнца и чем ближе планета к Солнцу, тем меньше наклонение ее орбиты. Если эллиптическая орбита Планеты имеет наклон к экваториальной плоскости Солнца, а Планета вращается в туже сторону что и Солнце вокруг своей оси, то появляется нормальная к плоскости орбиты Планеты составляющая массодинамической силы FМДн. Вследствие этого создается вращающий момент, что приводит к повороту плоскости орбиты планеты к экваториальной плоскости Солнца, аналогично представленному на рисунке 1 повороту плоскости орбиты спутника Земли. Это в полной мере относится и к спутникам Планет.
При гравитационных маневрах космических аппаратов вблизи всех планет будут наблюдаться те же процессы, что рассмотрены выше, обусловленные взаимодействием КА с их массодинамическими полями.
Вывод
Вследствие относительной малости массодинамических сил, действующих на космические объекты, движущиеся вблизи больших вращающихся масс, обусловленные ими процессы являются длительными и медленно протекающими. Однако действие этих сил вызывает установленные изменения параметров орбит искусственных спутников Земли [2-6] и изменение параметров движения космических аппаратов при гравитационных маневрах вблизи Земли [1].
Литература
|
|
 |
