Как космический корабль меняет свою орбиту?

Чтобы ответить на ваш вопрос в заголовке: используя свои двигатели.

Однако вы, кажется, весьма озадачены тем фактом, что скорость объекта может уменьшаться и увеличиваться в течение орбиты.

Если орбита идеально круглая, скорость всегда будет оставаться неизменной (пока не будут использованы двигатели).

Однако, как и в случае с Chandrayaan-2, большинство орбит являются эллиптическими (поэтому они имеют большую и низкую точки высоты).

На эллиптической (т.е. не круговой) орбите высотная кривая выглядит примерно так (1):

    _       _       _
   / \     / \     / \
  /   \   /   \   /   \
_/     \_/     \_/     \...

Высота космического корабля увеличивается и уменьшается. Когда высота космического корабля увеличивается, он замедляется, а когда высота космического корабля уменьшается, он ускоряется.

Это точно так же, как езда по небольшим холмам на велосипеде (за исключением того, что нет трения, поэтому вам вообще не нужно крутить педали).

[1]: Это немного сложнее, так как изменение высоты не является линейным во времени, но вы поняли идею.

Прочитав все ваши ответы, я хотел бы подытожить ситуацию.

Черные кружки — это круговые орбиты, а красный эллипс — переходная орбита.

Рассмотрим космический корабль на эллиптической орбите. В точке P скорость больше, чем круговая орбитальная скорость, поэтому расстояние от центра увеличивается. А в точке А скорость меньше орбитальной, поэтому корабль падает обратно к центру.

Итак, если вы начинаете с внутренней круговой орбиты, то в точке P вам нужно увеличить скорость, чтобы перейти на красную эллиптическую орбиту. Когда вы доберетесь до точки А, ваша скорость упадет, потому что вы замедляетесь по мере удаления от центра. Итак, теперь вам нужно еще раз увеличить скорость, чтобы перейти на внешнюю круговую орбиту.

Таким образом, есть три изменения скорости:

1. вы запускаете свои двигатели в точке P, чтобы увеличить скорость

2. ваша скорость уменьшается по мере удаления от Солнца

3. вы запускаете свои двигатели в точке А, чтобы снова увеличить скорость

Таким образом, каждый раз, когда вы запускаете двигатель, это увеличивает вашу скорость. Общее изменение скорости представляет собой сумму двух увеличений, когда вы запускаете двигатель, за вычетом уменьшения, которое происходит при удалении от Солнца.

Чтобы упростить объяснение и терминологию, давайте рассмотрим случай космического корабля, вращающегося вокруг Земли.

Все орбиты эллиптические , с центром масс системы (Земля, в нашем примере) в одном фокусе . Круговые орбиты — это особый случай, когда эллипс не имеет эксцентриситета, а фокусы совпадают.

Орбита нашего космического корабля имеет перигей (самая близкая к Земле точка) и апогей (самая дальняя точка от Земли). В качестве отступления: термины «перигей» и «апогей» используются специально для орбит вокруг Земли; вокруг неопределенного объекта мы используем термины «периацентр» и «апоапсис». Когда наш космический корабль совершит один оборот вокруг Земли, он один раз пройдет через перигей и один раз через апогей.

Кеплер выяснил, что объект на орбите (наш космический корабль) не будет двигаться с постоянной скоростью, а вместо этого будет вырезать равные площади за одинаковое время по орбите. Это означает, что наибольшая скорость будет в перигее, а наименьшая в апогее. Истинно круговая орбита — это особый случай, когда ее скорость на самом деле одинакова.

Рассмотрим космический корабль на круговой орбите. Он хочет подняться на более высокую орбиту. Он ненадолго запускает двигатель, чтобы ускориться по текущей траектории. Теперь он больше не находится на круговой орбите; сейчас он находится в перигее эллиптической орбиты и по мере движения к апогею должен замедлиться. Если он ничего не делает, он вернется в ту же точку перигея после одного полного оборота. С другой стороны, когда он достигает точки апогея, он может снова запустить свой двигатель, чтобы снова ускориться. Это поднимет точку перигея; правильное изменение скорости в апогее поднимет перигей, чтобы снова сделать орбиту круговой на новой высоте.

«Скорость увеличивается, а затем уменьшается» относится либо к интерпретации второго закона Кеплера, либо к тому, что обычно происходит, когда космический корабль корректирует свою орбиту, как я описал.

Представьте, что ваш космический корабль находится на эллиптической орбите вокруг космического тела. Тело находится внутри эллипса (в фокусе, если точнее). Когда космический аппарат находится в вершине эллипса и ускоряется в направлении движения, другая вершина траектории удаляется от тела. Наоборот, если космический корабль тормозит (путем вращения двигателей вперед и горения) в одной вершине, вторая вершина движется к космическому телу.

Это простейший сценарий, без прецессии орбиты и прочего, но он иллюстрирует идею.

Если вы действительно хотите знать, просто найдите демо-версию игры Kerbal Space Program , она точно поможет.