Может ли спутник вращаться вокруг Земли так, чтобы Луна всегда была в поле его зрения?

Если я понимаю ваш отредактированный вопрос, то нет. В то время как J2 Земли (сжатие) создает достаточный крутящий момент, чтобы вращать солнечно-синхронную орбиту один раз в год, он не производит достаточного крутящего момента, чтобы вращать «лунно-синхронную орбиту» один раз в месяц. Так что такой орбиты нет.

Мне не ясно, какая польза от такой орбиты, даже если бы она существовала. Если вы собираетесь направить антенны на Луну из непосредственной близости от Земли, у вас может быть намного больше антенн и гораздо более крупных антенн на поверхности Земли, чем то, что вы могли бы вывести на околоземную орбиту за равное количество времени. Деньги. Вам нужно всего лишь разделить общую апертуру на три, чтобы учесть недостаток, заключающийся в том, что вы не всегда можете видеть Луну.

http://en.wikipedia.org/wiki/Lagrangian_point

Спутник, вращающийся в точке L1 или точке L2, будет находиться в постоянном контакте с Луной. К сожалению, ни один из них не особенно полезен для поддержания связи с лунной миссией. Точка L1 находится между Землей и Луной и не дает никаких преимуществ по сравнению с просто размещением приемника на Земле. Точка L2 находится на обратной стороне Луны и поэтому не сможет связаться с Землей.

http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19680015886.pdf

Эта статья, кажется, именно то, что вы хотите. Они пришли к выводу, что спутник рядом с L2 будет работать.

Это возможно несколькими способами. Давайте сначала выгоним тупых.

1. Как я уже говорил, вы можете вращаться вокруг самой Луны. Технически правильно, поскольку все, что вращается вокруг Луны, также вращается вокруг Земли.

2. Вы можете сделать свой спутник достаточно большим, чтобы он всегда был в прямой видимости. Гигантский полюс, длина которого несколько больше диаметра Земли, можно расположить на орбите так, чтобы точка находилась на линии прямой видимости.

3. Точно так же вы можете заставить свой спутник окружить Землю (кольцо Нивена или сфера Дайсона).

Нестандартные ответы:

4. Вы можете вращаться вокруг точки Лагранжа. Как показывает эта диаграмма именно вашей ситуации, любой, кроме$L_3$в порядке:

5. Я не подсчитывал, но должна быть возможность синхронизировать полярную орбиту с Луной. Я придумал простой пример:

   Скажем, наклонение орбиты Луны было$0^{\circ}$и круговой. Установите свой спутник на ту же орбиту, но с наклоном$90^{\circ}$и позади на четверть орбиты. Это может быть немного сложно визуализировать, но в такой конфигурации луч зрения никогда не проходит через Землю.

Если целью является спутниковая связь между Землей и Луной, вот мой рейтинг вариантов, от простых и дешевых до экзотических и дорогих:

1. Никаких спутников , набор лазерных наземных станций работает от поверхности Земли до одной-двух площадок на Луне. Сторона Луны, обращенная к Земле, всегда находится в прямой видимости с Землей, намного дешевле создать наземную лазерную сеть, и их также не нужно ставить в конце огромного фейерверка. Отскок луны [википедия]
2. Спутник с точкой Лагранжа L4/L5 Земля-Луна . Один спутник всегда имеет видимость Земли и Луны. Плюсы в том, что вам нужно только одно на огромном фейерверке, и эти точки стабильны, поэтому он должен оставаться там, не нуждаясь в топливе для коррекции курса. Недостатком является то, что вам по-прежнему нужна наземная сеть наземных станций или спутников для связи, когда Земля вращается, и данные будут заполнять 2 стороны треугольника, поэтому и без того плохая задержка (1300 мс) будет еще хуже (~ 2300 мс). EM L-точки [гиперфизика]
3. 1 Земля находилась на широкой полярной орбите . Синхронизировав орбиту с орбитой Луны, вы можете быть уверены, что Земля никогда не блокирует прямую видимость. Однако для этого потребуется как широкая орбита, чтобы минимизировать угловой размер Земли, так и длительный период, чтобы позволить Луне пройти угловой размер Земли за часть ее орбиты. Полезно, что длинные периоды и большие орбитальные радиусы идут рука об руку. Я думаю, что нечетная часть периода обращения Луны (1/3, 1/5, 1/7) позволила бы установить расположение, которое предотвратило бы прямое выравнивание Земли между ними. Я не знаю, вытянет ли Солнце это из строя, так что время от времени может понадобиться толчок.
4. Земля-Луна L1 . Снова один спутник, значит, одна гигантская ракета, но на этот раз ей потребуется двигатель, так как L1 не является устойчивой точкой (когда он отклоняется от L1, ему нужно будет двигаться обратно). Это должно быть выполнимо с ионными двигателями, так что только умеренно увеличенный фейерверк. Нахождение непосредственно между Землей и Луной имело бы 2 плюса — легко найти и наименьшую задержку.
5. 2+ спутника Земли , ортогональные полярные орбиты или одна и та же орбита, разнесенная на 180 градусов. Тот или иной спутник всегда может видеть Луну, так как когда один затенен Землей, другой нет. То же требование для наземной сети. Вспеньте, промойте, повторите для большего количества спутников.
6. 1 Земля находилась на полярной орбите (согласно вопросу), но с ионным двигателем, работающим на ковше, выполняющим непрерывную коррекцию курса . Сделать спутник и установить его там несложно, но двигатель будет полностью экспериментальным. Было бы целесообразно поставить родственный спутник с ядерным топливом, чтобы можно было потратить немного больше времени на отработку технологии, когда первый заклинит.

Филлан Грейди уже привел примеры обращения вокруг лагранжевой точки, но, основываясь на вашем ответе на это и последующем редактировании, кажется, что вам нужна более традиционная орбита Земли, а не лагранжев «обман». Но я укажу, что эти точки являются допустимыми способами обращения вокруг Земли, и есть причина, по которой они так полезны.

Итог: если вы не учитываете L-точки, это маловероятно, и уж точно не на низкой орбите. Орбита каждого спутника должна следовать по большому кругу и, следовательно, должна пересекать экватор в двух точках. Это верно даже для полярных орбит. Кроме того, эти точки пересечения останутся фиксированными относительно небесной сферы (если только вы не вызовете какую-то гравитационную прецессию), в то время как Луна вращается вокруг Земли. Это означает, что в какой-то момент Луна почти наверняка окажется напротив Земли во время этого пересечения.

Что вам нужно сделать, так это найти полярную орбиту, достаточно высокую (и с правильным периодом и фазой по отношению к орбите Луны), чтобы Земля была достаточно мала, чтобы никогда не затмевать Луну во время любого из этих пересечений. Рассмотрим спутник на геостационарной орбите (период 24 часа). Расчет оборотной стороны говорит о том, что Земля будет иметь угловой диаметр около 20 градусов. Угловая часть орбиты Луны, которую он скрывает на противоположной стороне Земли, будет еще больше. Однако, если предположить, что круговая орбита длится 27 дней, Луна покрывает только около 13 градусов .своей орбиты в день, поэтому, если Луна вот-вот пройдет за Землей во время одного оборота, она не выйдет с другой стороны к тому времени, когда ваш спутник вернется в ту же точку через 24 часа.

Теперь для достижения геосинхронной полярной орбиты уже потребуется довольно много энергии, и она даже близко не обеспечивает то, что вам нужно. Вам придется подняться немного выше, и почти наверняка будет дешевле запустить L1 или использовать сеть из нескольких спутников на более низких орбитах с меньшим наклонением. Но вы сказали, что вам нужна низкая орбита — так Земля будет казаться больше, что увеличит время, в течение которого Луна будет находиться за ней, и одновременно увеличит частоту, с которой спутник находится в этой тени.

Еще один вариант - вообще не на орбите. Вы можете использовать солнечные паруса, чтобы парить спутник над северным или южным полюсом или Землей. Срок действия патента истек, вы можете это сделать.

Обратите внимание, что такой спутник должен быть далеко, отставание, проходящее через спутник, будет значительно больше, чем отставание Земля-Луна. С другой стороны, он будет поддерживать связь со спутником на экваториальной орбите, когда он идет «за» Луной, пока он не находится на слишком низкой орбите.

http://en.wikipedia.org/wiki/Статит

Да. Вы можете поместить его в любую из точек Лагранжа, которые имеют прямую связь с Луной. Первым решением, которое я бы рассмотрел, было бы разместить его на орбите вокруг самой Луны по маршруту, который обычно перпендикулярен Земле.

Должен быть ряд приемлемых орбитальных решений этой проблемы, и работа с более крупными телами, расположенными дальше, потребует наименьшего количества топлива для обслуживания (но большего количества для запуска).

Помимо обращения вокруг точек Лагранжа, решением может быть обращение вокруг Земли или Луны под углом 90 градусов по отношению к наклону плоскости Земля-Луна. Есть простое изображение, которое я сделал.

Первый (облет вокруг Земли) может быть самым дешевым решением из всех, потому что он низкоорбитальный.

Да, возможно.. Полярная орбита, имеющая продольный переход с точным значением скорости вращения Луны вокруг Земли, позволила бы такое.