Эльясберг П.Е. Введение в теорию полета искусственных спутников Земли Изд. 5, стереотип.

Оглавление

Предисловие к первому изданию

В настоящее время в связи с запуском разнообразных космических объектов как в Советском Союзе, так и за рубежом появилось значительное количество работ, посвященных теории полета этих объектов. В подавляющем большинстве эти работы представляют собой журнальные статьи, трактующие отдельные вопросы. При этом имеется еще очень мало работ, в которых теория полета искусственных спутников Земли (или по крайней мере отдельные ее крупные разделы) излагалась бы последовательно и на том уровне, какой требуется для решения практических задач. Необходимость такого систематического изложения очевидна, поскольку все более и более широкий круг разнообразных специалистов так или иначе сталкивается в своей деятельности с различными вопросами теории полета искусственных космических объектов. Кроме того, уже сейчас изучение этой теории включено в программу ряда высших учебных заведений.

Настоящая книга представляет собой попытку систематического изложения некоторых основных положений одного из важнейших разделов теории полета искусственных небесных тел, а именно, теории полета искусственных спутников Земли. Наибольшее внимание уделяется выводу и обоснованию наглядных закономерностей, определяющих движение спутника на пассивном участке траектории (при полете с выключенной двигая тельной установкой). В целях сохранения непрерывности и систематичности изложения в книгу включен ряд разделов, достаточно подробно изложенных в курсах классической небесной механики (теория невозмущенного кеплерова движения, вывод дифференциальных уравнений возмущенного движения в оскулирующих элементах). Однако основное содержание книги составляет рассмотрение вопросов, обычно почти не затрагиваемых в курсах классической небесной механики, но играющих большую роль при решении основных задач теории полета искусственных спутников Земли. К их числу относятся: исследование движения спутника по круговым и почти круговым орбитам; анализ всех возможных вариантов невозмущенной орбиты, проходящей через две заданные точки; влияние изменений начальных условий движения на элементы эллиптической орбиты; вариации текущих характеристик движения (координат и составляющих вектора скорости) при малых отклонениях начальных условий движения; влияние несферичности Земли и сопротивления воздуха на движение искусственных спутников Земли; определение времени существования искусственных спутников Земли; влияние возмущающего действия Солнца и Луны на движение искусственных спутников Земли.

Большое внимание в книге уделяется рассмотрению движения по круговым и почти круговым орбитам. Необходимость этого определяется большим практическим значением указанных орбит, а также простотой и наглядностью получающихся соотношений, в значительной степени объясняющих основные закономерности движения искусственных спутников Земли. Кроме того, следует иметь в виду, что круговая орбита представляет собой особый случай движения по эллиптическим орбитам. Поэтому многие закономерности эллиптического движения неприемлемы непосредственно при рассмотрении кругового и почти кругового движения.

В заключение автор пользуется случаем выразить свою благодарность В.Е.Волкову, И.Г.Мирошниченко, И.Ф.Петровичу, Е.Г.Портнову, А.И.Ткаченко, А.А.Усикову, В.Г.Хорошавцеву и М.С.Широ кову, взявшим на себя труд по предварительному просмотру книги, а также З. К.Кузнецовой, З. Г.Андросо вой и Л.Н.Касаткиной, выполнившим основные расчетные и графические работы.

Введение

Как известно, теория полета искусственных небесных тел тесно примыкает к классической небесной механике (или теоретической астрономии, как ее часто называют), являющейся одной из старейших и хорошо разработанных наук. Это связано с тем, что уравнения пассивного полета любого искусственного космического объекта (т.е. полета с выключенной двигательной установкой) принципиально не отличаются от уравнений движения естественных небесных тел. В связи с этим в теории полета искусственных космических объектов широко используются многие результаты, полученные в классической небесной механике.

Однако как по стоящим перед ней задачам, так и по используемым при решении этих задач методам теория полета искусственных космических объектов существенно отличается от классической небесной механики. Действительно, последняя в своей основе является наукой преимущественно созерцательной, основная цель которой – определение и исследование законов движения существующих небесных тел. В противоположность ей, теория полета искусственных космических объектов – активная инженерная наука, предназначенная для решения следующих основных задач:

выбора оптимальных орбит;

определения существующих орбит;

расчета корректур, изменяющих орбиту.

Из указанных задач только вторая является общей для небесной механики и теории полета искусственных небесных тел. Однако даже при решении этой задачи имеет место существенное различие между методами, используемыми обеими науками. Это связано с тем, что классическая небесная механика имеет дело преимущественно со стационарными орбитами, существующими длительное время. При этом каждая орбита интересует исследователя сама по себе, как некоторое самостоятельное явление природы. Определение таких орбит производится в течение длительного времени и часто затягивается на годы. В противоположность этому, при запусках искусственных космических объектов в подавляющем большинстве случаев используются нестационарные орбиты, движение по которым является сравнительно кратковременным.

Так, например, большинство искусственных спутников Земли по истечении небольшого промежутка времени (обычно порядка нескольких месяцев или лет) падают на Землю (в основном под влиянием сопротивления воздуха, а также вследствие возмущающего действия Луны и Солнца). В связи с этим в теории полета искусственных космических объектов часто приходится иметь дело со значительно более сложными и быстро изменяющимися орбитами. При их определении предъявляются особо жесткие требования к быстроте проведения всех расчетов. При этом каждая орбита представляет в основном интерес не сама по себе, а лишь с точки зрения задач, для решения которых она предназначается.

Характерной особенностью теории полета искусственных космических объектов является то, что в ней приходится одновременно рассматривать большое число различных вариантов орбит и выбирать из них оптимальные, что также требует быстрого проведения трудоемких вычислений. Поэтому все точные расчеты в теории полета искусственных космических объектов, как правило, производятся на быстродействующих электронных вычислительных машинах. Эти расчеты в подавляющем большинстве случаев ведутся методом численного интегрирования достаточно полных уравнений движення рассматриваемого объекта.

Однако в тех случаях, когда приходится выбирать среди многопараметрического семейства возможных орбит, одной быстроты в проведении расчетов недостаточно. Здесь особое значение приобретает необходимость отыскания простых приближенных зависимостей, позволяющих быстро проанализировать большое число возможных вариантов и наглядно представить себе влияние основных параметров, определяющих движение рассматриваемого объекта. Эти зависимости дают возможность свести к минимуму число рассматриваемых параметров и существенным образом сузить возможную область их изменения. Только после этого может оказаться целесообразным проведение ограниченного объема точных расчетов.

Из изложенного вытекает необходимость следующих двух направлений развития теории полета искусственных космических объектов: разработка приближенных методов быстрого и наглядного анализа влияния различных факторов на движение рассматриваемых объектов и создание методов точного расчета и определения орбит.

При разработке обоих направлений классические методы небесной механики часто оказываются непригодными, так как, с одной стороны, они не обладают достаточной наглядностью, а с другой, мало приспособлены для проведения расчетов на быстродействующих машинах.

Настоящая книга посвящена первому из указанных направлений и имеет своей целью изложение основных результатов, позволяющих по возможности наглядно и просто определять влияние основных факторов на движение искусственных спутников Земли.

Об авторе

Эльясберг Павел Ефимович

Выдающийся ученый, один из создателей советской школы ракетной и космической баллистики. Доктор технических наук, профессор, инженер-полковник; лауреат Ленинской премии. Родился в Житомире. В 1939 г. окончил Киевский государственный университет им. Тараса Шевченко. Во время Великой Отечественной войны с 1941 по 1944 г. находился на фронте, в составе 45-й армии. С 1947 г. работал в НИИ-4 Министерства обороны СССР в должностях: научного сотрудника, старшего научного сотрудника (с 1949 г.), начальника лаборатории (с 1956 г.). Работал с С. П. Королевым, М. К. Тихонравовым и другими основоположниками космических исследований в СССР. С 1959 по 1968 г. — научный консультант. С 1968 г. был начальником отдела Института космических исследований Академии наук СССР.

Основное направление исследований П. Е. Эльясберга — разработка теории полета ракет и искусственных спутников Земли (ИСЗ) и методов баллистического обеспечения управления движением космических аппаратов. Выпущенный им в качестве ответственного исполнителя первый отчет НИИ-4 МО в 1947 г. положил начало систематическому развитию теории полета ракет. В дальнейшем, решая проблему подготовки данных для пусков ракет, он разработал эффективный метод представления прицельных данных в виде разложения в специальные ряды. При запуске первого ИСЗ им была определена орбита и спрогнозировано движение спутника по результатам оптических и радиотехнических измерений с использованием разработанной им графоаналитической методики. П. Е. Эльясберг дал первое систематизированное изложение основ теории полета и теории оценки точности определения движения летательных аппаратов по результатам измерений. Автор 5 крупных монографий, в том числе фундаментального труда «Введение в теорию полета искусственных спутников Земли», и большого числа других научных публикаций.