Верно ли что-либо из следующего о том, что необходимо для достижения этой цели:

• непрерывное изменение его вращения,
• раз и навсегда придав ему правильное значение для начала,
• это происходит естественным образом.

Ответ «да» на все три вопроса.

Если транспортное средство имеет правильную форму и с самого начала получает правильное вращение, крутящие моменты, которые возникают естественным образом, такие как крутящий момент градиента силы тяжести и крутящий момент от атмосферного сопротивления, могут помочь поддерживать вращение транспортного средства в желаемой ориентации. Однако это никогда не бывает идеальным, и всегда есть остаточные нежелательные крутящие моменты.

Транспортные средства должны иметь какую-то активную систему управления ориентацией, чтобы они могли правильно ориентироваться. Если это управление ориентацией зависит от топлива, истощение топливных баков означает конец срока службы транспортного средства.

Обновление: подходы к управлению ориентацией

Используйте подруливающие устройства.
Автомобиль может делать это только так часто, прежде чем у него закончится топливо. Для большинства транспортных средств это конец миссии. Подходы, которые уменьшают потребность в использовании подруливающих устройств, продлевают срок службы транспортного средства или позволяют увеличить полезную нагрузку. В некоторых случаях три альтернативных подхода полностью устраняют необходимость в двигателях.

Воспользуйтесь крутящими моментами из окружающей среды.
Транспортные средства от Landsat до космической станции используют внешние крутящие моменты, воздействующие на транспортное средство со стороны окружающей среды, а не борются с ними. Моменты окружающей среды включают крутящий момент градиента силы тяжести, атмосферный крутящий момент и магнитный крутящий момент. (Есть также крутящий момент давления солнечного излучения, но это крошечное возмущение.) Некоторые небольшие аппараты на низкой околоземной орбите, оснащенные магнитными крутящими моментами, не используют никакого топлива. Они остаются функциональными до тех пор, пока не войдут в атмосферу.

Воспользуйтесь ротацией.
Вращающийся объект имеет угловой момент, из-за чего его труднее повернуть, чем если бы объект не вращался. Это добавляет устойчивости к транспортному средству (но также и неустойчивости в некоторых случаях). Некоторые из первых спутников были стабилизированы по вращению.

Следующим шагом по сложности является создание транспортного средства таким образом, чтобы оно состояло из двух частей, вращающихся вокруг общей оси, но с разными скоростями. Большинство спутников связи являются спутниками с двойным вращением. Ротор (облепленный солнечными батареями) вращается довольно быстро для устойчивости, в то время как коммуникационная платформа вращается только один раз в день.

Другой подход заключается в размещении вращающихся частей внутри транспортного средства. Эти внутренние вращающиеся устройства включают инерционные колеса, реактивные колеса и гироскопы управления моментом. Импульсное колесо, подобно ротору спутника связи, предназначено для вращения с постоянной угловой скоростью. Мотор с простым контроллером необходим для того, чтобы разогнать колесо до скорости, а затем поддерживать ее на этой скорости.

Добавление возможности изменять заданную скорость вращения к этому контроллеру колеса импульса превращает колесо импульса в колесо реакции. Благодаря этой способности угловой момент может передаваться между основным корпусом космического корабля и реактивным колесом. Транспортное средство с тремя реактивными колесами, по одному на ось вращения, обеспечивает активное средство управления вращением транспортного средства. Основная проблема реактивных колес заключается в том, что скорость вращения должна быть между минимальным значением (чтобы не было потеряно стабилизирующее влияние) и максимальным значением (чтобы колесо не потеряло структурную целостность). Транспортному средству, в котором используются реактивные колеса, нужен какой-то альтернативный механизм управления, который поможет поддерживать устойчивость транспортного средства, в то время как реактивные колеса на пределе своих возможностей возвращаются к номинальной скорости вращения.

Альтернативным подходом является гироскоп управляющего момента (CMG). По сути, это импульсные колеса с другим двигателем, который давит на вращающееся колесо. (Вспомните апокрифические истории физиков, которые помещали гироскопы самолетов в чемоданы, а затем раскручивали их в качестве шутки.) Величина крутящего момента, создаваемого CMG на единицу приложенной мощности, может быть весьма впечатляющей. Точно так же, как реактивные колеса имеют эксплуатационные проблемы, так же и CMG. В случае с CMG проблема заключается в блокировке карданного подвеса. Вращения вокруг одной или нескольких осей со временем становятся неуправляемыми. Транспортному средству, использующему CMG, требуется какой-то альтернативный механизм управления, чтобы поддерживать устойчивость транспортного средства, пока CMG восстанавливают свои номинальные оси вращения.

Лучший способ держать антенну всегда направленной на Землю, если вы можете с этим справиться, это прикрепить большой груз к кончику вашей антенны. Вес получит больше тяги и, естественно, будет держать антенну направленной в этом направлении.

Если не иметь чего-то подобного для пассивной помощи, следующим лучшим решением будет стабилизация вращения. Вращая вокруг оси, вы можете гарантировать, что ось всегда сохраняет свое направление, как вращение волчка. Конечно, может быть некоторое колебание, которое может стать проблемой, но с этим можно справиться, если работать достаточно аккуратно.

Если вы не можете выполнить одно из этих двух действий, то, скорее всего, у вас нестабильная система. Колебания плотности, поворот для поддержания солнечной энергии, солнечный ветер и световое давление, температурные градиенты — все это может вызвать очень небольшое возмущение. Они будут увеличиваться со временем.

Держите одно и то же лицо «внизу»

Когда это происходит естественным образом, для этого есть термин: Tidelocking.

Естественная ориентация

Можно использовать приливное напряжение, чтобы сохранять ориентацию естественным образом.

Когда объект значительной длины выводится на орбиту, сторона, расположенная ближе к центру тяжести, получает несколько большую «тягу», чем дальний конец, и он вращается вокруг собственного центра масс. Это в конечном итоге гасит вращение, чтобы соответствовать продолжительности орбиты. Однако на это могут уйти годы.

Это также может занять много материала и иметь другие эффекты. Это крошечная сила, но она постоянна и глубока. Это доли сантиметра в секунду в секунду на геостационарной орбите. Как раз достаточно, чтобы иметь стабильный эффект.

Короткие тела, особенно круглые, шарообразные или блочные, в конечном итоге также будут приливно-отливными, но гораздо медленнее.

Кроме того, даже у крупных объектов есть проблемы с орбитальным затуханием. Орбитальный распад происходит из-за нескольких источников: сопротивления атмосферы, сопротивления солнечного ветра, силы солнечного ветра и приливных напряжений. Атмосферное сопротивление на большинстве низких околоземных орбит приводит к падению до того, как приливная сила имеет большое значение. Сопротивление солнечного ветра аналогично, но на несколько порядков меньше. Ускорение солнечного ветра всегда «пытается» заставить перицентр оказаться на стороне, обращенной к солнцу, но это крошечная сила. Приливные напряжения пытаются затянуть орбиту на ту же продолжительность, что и вращение тела на орбите.

Большинство объектов, которые рассматривают люди, слишком малы, чтобы естественным образом ориентироваться перед распадом.

Неестественная ориентация

Если поместить объект на орбиту и установить длину его вращения равной длине его орбиты, то можно по существу воспроизвести эффект приливной блокировки... до тех пор, пока длинная ось также направлена ​​вниз.

Имейте в виду, что объект вращается вокруг своего центра масс. Однако центр гравитационной силы может не находиться в центре масс, поэтому приливное напряжение будет медленно изменять ориентацию объекта. На земной орбите это также осложняется приливным напряжением Луны. Имейте в виду, что приливное напряжение Луны очень маленькое — нанометры в секунду в секунду — ничтожно маленькое по сравнению с миллиметрами в секунду в секунду Земли, но достаточное, чтобы вызвать орбитальные деформации.

Спутник, естественно, может оставаться выровненным по местной вертикали.

На орбите необходимо учитывать две силы: силу тяжести и центробежную силу. Центробежная сила на самом деле является инерцией вращающейся системы координат. Но если вы оказались на карусели, это похоже на силу.

Центробежная сила$\omega^2r$и гравитация$GM/r^2$

Чтобы изобразить эти буксиры вверх и вниз, я буду использовать воздушные шары и пассажиров, которых несут воздушные шары.

Эта картина изображает баланс гравитации и центробежной силы. Чистая сила равна нулю.

Что произойдет, если мы удвоим r, расстояние от центра тела?

Двойной радиус удваивает восходящий буксир. Нисходящий буксир урезан на 1/4. Чистое ускорение выросло.

А если радиус сократить вдвое…

Восходящий буксир разрезается пополам, а нисходящий буксир увеличивается вчетверо. Чистое ускорение снижается

Свяжите эти три вместе, и вы получите трос, который остается выровненным по локальной вертикали:

Есть спутники, которые используют стабилизацию гравитационного градиента , чтобы оставаться на одной линии. Это также то, что удерживает множество лун взаперти. Если у нас когда-нибудь появятся вертикальные тросы или космические лифты, именно это удержит их в вертикальном положении.

Представьте себе: возьмите игрушечный самолетик и привяжите к одному крылу веревочку. Теперь крутитесь на месте и дайте самолету лететь на конце веревки. Вы — Земля, а самолет — спутник. Действительно ли самолет "вращается"? Или он все время летит прямо, но его курс меняется из-за струны?

То же самое и со спутником, только струна — это гравитация. На самом деле спутник летит прямо, потому что его запустили вперед, и он постоянно падает на Землю, но его поступательная скорость точно компенсирует силу гравитации.

Так что не думайте об этом как о повороте, поскольку он летит вперед с непрерывным автоматическим изменением курса на круговой.

Снаряд, выпущенный горизонтально, в конце концов упадет на землю под действием силы тяжести и трения о воздух. Он будет оставаться одной и той же стороной к земле на протяжении всего полета, если ему не было дано начальное вращение. Если тот же снаряд выстрелить в космосе с такой силой, что он упадет на землю с той же скоростью, с которой отваливается земля, он никогда не упадет на землю и будет находиться «на орбите». Если ему не было дано начальное вращение, то он всегда будет оставаться одной и той же стороной к Земле на протяжении всей своей орбиты. Приливные и другие силы могут нарушить ориентацию спутника, и для поддержания общей ориентации необходимы двигатели, но основное условие состоит в том, чтобы оставаться одной и той же стороной к Земле на протяжении всей орбиты.

То же самое относится и к Луне. Это снаряд, который пытается лететь по прямой. Земное притяжение вытягивает его на орбиту, и поэтому он должен оставаться одной и той же стороной к земле.

В вращении Луны вокруг Земли нет ничего особенного, и у нее нет магического вращения, удерживающего одну и ту же сторону от Земли.