Возмущения в движении ИСЗ, вызванные давлением солнечного излучения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.03.01, кандидат физико-математических наук Клокачева, Мария Юрьевна

• Клокачева, Мария Юрьевна
• кандидат физико-математических наук
• 1995

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Клокачева, Мария Юрьевна

Введение.

Глава I. Анализ состояния проблемы.

1.1. Световое давление и динамика ИСЗ.

1.2. Метод Козаи - Акснеса.

1.3. Постановка задачи.

Глава II. Комбинированные возмущения в движении сферически—симметричного ИСЗ, вызванные взаимодействием радиационных и гравитационных сил.

2.1. Аналитическое интегрирование уравнений возмущенного движения.

2.2. Определение радиационно-гравитационных возмущений.

2.3. Численные оценки.

Глава III. Полуаналитический метод определения возмущений от прямого радиационного давления для спутника двойного вращения.

3.1. Система координат, связанная со спутником.

3.2. Математическое описание силы светового давления, действующей на спутник двойного вращения.

3.3. Уравнения возмущенного движения.

3.4. Интегрирование уравнений движения.

3.5. Анализ ошибок интегрирования.

3.6. ЧиСленные оценки возмущений.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Возмущения в движении ИСЗ, вызванные давлением солнечного излучения»

Факторы, возмущающие движение искусственного спутника Земли традиционно делятся на две группы: гравитационные и негравитационные. Основные гравитационные факторы обусловлены нецентральностью земного гравитационного потенциала, притяжением Луны и Солнца, действием лунно-солнечных приливов, притяжением атмосферы Земли. Наиболее значительными негравитационными факторами являются тормозящие эффекты атмосферы, влияние давления j прямого солнечного излучения, влияние отраженной Землей радиации, а также дополнительные эффекты от светового давления — эффект Ярковского от Солнца, эффект Ярковского от Земли, эффект Пойнтин-га-Робертсона от Солнца и Земли. Движение ИСЗ под действием гравитационных факторов хорошо изучено всеми возможными способами: аналитическими, качественными и численными. Наибольшие возмущения в движении спутников (особенно близких) связаны со второй зональной гармоникой потенциала притяжения Земли. Остальные гравитационные и негравитационные факторы оказывают на движение ИСЗ влиянце в сотни и тысячи раз меньшее. Среди негравитационных эффектов преобладающее действие'на спутники на высоте до 800 км оказывает тормозящее влияние атмосферы. На высотах более 800 км преобладает влияние прямого светового давления. Поэтому для высоких спутников световое давление является главным возмущающим фактором ^гравитационного характера. Исследованию возмущений в движении ЙСЗ, вызванных давлением прямого солнечного излучения посвящена настоящая диссертационная работа.

Возрастающая точность спутниковых наблюдений требует построения все более и более точных спутниковых теорий. С помощью этих теорий, в свою очередь, решается ряд задач навигации, космической геодезии и Геодинамики, связанных с определением параметров движения по результатам наблюдений. Поэтому в настоящее время большое внимание уделяется изучению малых возмущающих факторов, вызванных негравитационными эффектами. Для дифференциальных методов определения параметров движения аналитические и полуаналитические методы уче[га возмущений наиболее удобны. Для каждого конкретного типа орбит|ы ИСЗ желательно иметь простые модели для оценки влияния всевозможных негравитационных эффектов на элементы орбиты, учитывающие при необходимости форму самого спутника — своего рода экспертную систему. Это позволит быстро определить, какую роль играет тот или иной эффект в эволюции орбитальных элементов и нужно ли его учитывать при построении спутниковой теории с требуемой I точностью.! Для подобных исследований также удобнее использовать аналитические методы.

В жизни некоторых спутников (Echo-1, Vangard-1, проект "West-Ford") давление солнечной радиации играет определяющую роль и может существенно сократить время существования объектов с высоким i отношение^ поперечного сечения к массе (А/т). При построении аналитических моделей для учета возмущений от светового давления оказывается достаточно теории первого порядка. В теориях более высоких порядков необходимости не возникает из-за относительной малости эффекта. Однако, возникает вопрос, насколько значимыми могут оказаться комбинированные возмущения. В настоящей работе предпринята попытка описать полную картину возмущений, вызванных прямым световым Давлением и взаимными возмущениями от светового давления и вековой части гравитационного потенциала, содержащей вторую зональную гармонику J2. Среди комбинированных возмущений, вызванных влиянием светового давления и прочими возмущающими факторами, наиболее значимыми являются именно эти возмущения.

Важным фактором при исследовании возмущений от радиационного давлекия является форма спутника. Отличие формы ИСЗ от сферической вызывает отклонение вектора силы светового давления от направления Солнце-спутник. Искусственные спутники Земли имеют разнообразную, часто сложную форму. Поэтому построение линейных теорий, учитывающих форму и ориентацию ИСЗ для моделирования эффектов светового давления также является актуальной задачей.

Основными целями настоящей работы были:

1. Построение теории возмущений от прямого светового давления, включающёй наиболее значимые комбинированные эффекты для спутника сферической формы.

2. Построение линейной теории возмущений от прямого светового давлений для спутника цилиндрической формы, оснащенного двумя плоскими йанелями. Большая ось цилиндра во время движения спутника ориентирована на центр Земли, а панели — перпендикулярно направлению спутник - Солнце (при постановке задачи мы называем такой спутник спутником двойного вращения). По форме и ориентации модельный спутник близок к спутникам GPS Blockl, Block2 и Glonass.

3. Применение полученных теорий для моделирования соответствующих эффектов и получение оценок, позволяющих судить о значимости и поведении исследуемых возмущений, о величине той ошибки, которую мы допускаем, когда, пренебрегая сложной формой ИСЗ, считаем спутник сферически-симметричным, а также о точности моделирования.

Первая глава диссертации посвящена анализу состояния проблемы моделирования эффектов влияния солнечной радиации на движение ИСЗ. Уделяется внимание истории открытия светового давления, обсуждается состояние вопроса, касающегося определения величины солнечной постоянной. Приводится обзор литературы, который дает представление о наиболее важных эффектах в движении ИСЗ, порождаемых действием прямого светового давления и методах их учета. Подробно излагается ] метод Козаи-Акснеса, так как базовый формализм и методика пооборотного интегрирования удобны для решения задач диссертации, постановка которых сформулирована в конце первой главы.

Во второй главе методом малого параметра в общем виде с точностью до [членов второго порядка строится решение системы диффе ренциальных уравнений первого порядка для быстрых и медленных пеi ременных, йравые части которых зависят от линейной комбинации двух малых параметров. Построенное решение позволяет выделить члены, соответствующие комбинированным возмущениям и получить аналитические фЬрмулы, описывающие эти возмущения. Приводятся оценки взаимных возмущений, вычисленные с помощью построенной теории и пооборотного метода интегрирования Акснеса для спутника Dash-2. i

В третьей главе рассматривается движение под действием прямого светового давления спутника цилиндрической формы с двумя плоскими панелями, по форме и ориентации близкого к спутнику GPS. Математическая модель возмущающего ускорения и дифференциальные уравнения [движения построены с учетом формы и ориентации спут ника в предположении, что различные части спутника имеют разные физические свойства. Для решения уравнений движения используется обобщенная; методика интегрирования функций эллиптического движения. Интегрирование проводится с помощью системы аналитических вычислений MAPLE V. Для вычисления долгопериодических и корот-копериодических возмущений используется метод пооборотного интегрирования! Акснеса. Приводится сравнение теории с численным интегрированием.

В заключении сформулированы, основные выводы и положения, выносимые на защиту. В Приложении 1 приводится вывод формулы для возмущающего ускорения сферически-симметричного спутника, вызванного световым давлением. В Приложении 2 описаны принятая при решении обеих задач модель тени Земли и метод определения точек входй, спутника в тень Земли и выхода из тени. В Приложении 3 обсуждаются дополнительные эффекты в движении ИСЗ, вызванные солнечной радиацией. Приводятся оценки возмущающих ускорений, вызванных эффектами Пойнтинга - Робертсона и Ярковского, а также солнечного ветра для спутника Dash-2 и спутника, по форме и ориентации близкого к спутнику GPS.

Основные результаты, полученные в диссертации, докладывались на конференции "Теоретическая, прикладная и вычислительная небесная механика" (С.-Петербург, октябрь, 1993), международной конференции "Современные проблемы теоретической астрономии" (С.-Петербург, икЬнь, 1994), всероссийской конференции "Программы наблюдений высокоорбитальных спутников Земли и небесных тел Солнечной i I системы" (С.-Петербург, декабрь, 1994) и опубликованы в работах

М-И