궤도 붕괴

Orbital decay
통제되지 않은 재진입의 마지막 해 동안의 톈궁 1호의 고도.[1]

궤도역학에서 궤도 붕괴는 궤도를 선회하는 두 물체의 가장 가까운 접근(주경)에서 많은 궤도 시간에 걸쳐 궤도를 선회하는 두 물체 사이의 거리를 점진적으로 감소시키는 것이다.궤도를 선회하는 이 물체들은 행성과 그 위성, 과 그것을 선회하는 물체 또는 어떤 이항체계의 구성요소일 수 있다.궤도는 궤도 운동으로부터 에너지를 전달하는 마찰과 같은 메커니즘이 없으면 붕괴하지 않는다.이것은 많은 기계, 중력 또는 전자기 효과일 수 있다.낮은 지구 궤도에 있는 신체의 경우, 가장 중요한 효과는 대기 항력이다.

방치하면 결국 작은 물체가 1차 표면과 충돌할 때 궤도의 종료를 초래한다. 또는 1차 물체가 대기권을 갖는 물체의 경우, 작은 물체가 더 큰 물체의 대기권에서 타거나 폭발하거나, 그렇지 않으면 해체된다. 또는 1차 물체가 별인 물체는 소각 b로 끝난다.y 별의 방사선(: 혜성) 등

항성 질량 물체의 충돌은 보통 감마선 폭발과 감지 가능한 중력파와 같은 대격변 효과를 생성한다.

대기 항력으로 인해, 원형 궤도에 있는 물체가 추진 없이 적어도 하나의 완전한 회전을 완료할 수 있는 지구 위의 최저 고도는 약 150 km(93 mi)인 반면 타원형 회전의 최저 피리지는 약 90 km(56 mi)이다.

모델링 궤도 붕괴

단순화된 궤도 붕괴 모델

궤도 고도의 변화 속도에 있어 대기를 가진 중심체(혹은 행성)를 중심으로 거의 순환하는 2체 궤도에 대한 단순화된 붕괴 모델이 아래에 제시되어 있다.[2]

여기서 R은 행성의 원점으로부터 우주선까지의 거리로서, αo 우주선의 궤도 방향(또는 우주선 속도 벡터에 평행)에 투영된 모든 가속도의 합이며, T는 케플러안 기간이다.αo 고도에서 대기 밀도의 변화로 인한 R의 함수인 경우가 많고, T케플러의 행성운동 법칙에 의한 R의 함수라는 점에 유의한다.

대기 드래그만 고려한다면 아래의 드래그 방정식을 이용하여 궤도 반지름 R의 함수로 드래그 감속 αo 근사할 수 있다.

( ) (는) 대기의 질량 밀도로, 원점으로부터 반경 R의 함수다.
궤도 속도,
(는) 드래그 기준 영역이며,
(는) 위성의 질량이며,
(는) 위성 기하학과 관련된 치수 없는 드래그 계수로서 피부 마찰과 폼 드래그(입방체 위성의 경우 ~ 2.2)를 고려한다.

궤도 붕괴 모델은 2015년 12월부터 2016년 11월까지 GPS를 통해 측정한 평균 붕괴가 2.566km였던 벨록스-C1의 실제 GPS 측정치에서 약 1년 동안 시험됐으며 궤도 붕괴 모델은 5% 편차에 달하는 2.444km의 붕괴를 예측했다.

Python 기반 오픈 소스 소프트웨어, ORB(ORB)IT Maintenance the Proproval Sizing)은 위 모델을 사용하는 파이썬 사용자를 위해 GitHub에서 무료로 이용할 수 있다.

단순화된 궤도 붕괴 모델 증명

기계적 에너지의 보존에 의해, 궤도의 에너지는 단순히 운동과 중력 전위 에너지의 합으로, 동요되지 않는 두 몸 궤도 안에 있다.Vis-viva 방정식을 운동에너지 성분으로 대체함으로써 원궤도의 궤도 에너지는 다음과 같이 주어진다.

여기서 G는 중력 상수, M은 중심체E 질량, m은 궤도를 도는 위성의 질량이다.우리는 반지름과 관련하여 궤도 에너지의 파생물을 취한다.

총 감속력은 보통 낮은 지구 궤도를 위한 대기 드래그로서 일정한 질량 m의 위성에 가해지는 어떤 힘 F에 의해 주어진다.궤도 에너지 손실률은 단순히 위성이 최소 각도 과 각도 속도 Ω으로 확장된 극소수 원형 아크 길이 ds를 가로지르면서 외부 힘이 위성에 부정적인 작용을 하는 비율이다.

각도 속도 Ω은 평균 운동이라고도 하며, 여기서 반경 R의 두 몸체 원형 궤도에 대해서는 다음과 같이 표현된다.

그리고...

위의 궤도 에너지의 변화 속도로 Ω을 대체하고, 감속 αo 관점에서 외부 드래그 또는 붕괴력을 표현하면 시간에 대한 변화 궤도 에너지 속도는 다음과 같이 표현할 수 있다.

방사상 거리와 시간 둘 다에 관한 궤도 에너지 변화율에 대한 방정식을 갖는 것은 아래와 같이 시간에 대한 방사상 거리의 변화율을 찾을 수 있게 한다.

위의 도출에서 사용된 가정은 궤도가 붕괴 과정 내내 매우 원형에 가깝게 유지되기 때문에 궤도 에너지에 대한 방정식은 원형 궤도의 경우보다 다소 작다는 것이다.이것은 항력력이 "재순환"으로 간주되기 때문에 원형으로 시작하는 궤도에 대해서는 흔히 해당되는데, 이는 근위(낮은 고도)에서의 항력 크기가 평균 편심률을 감소시키는 효과가 있는 아포옵시스보다 더 클 것으로 예상되기 때문이다.

궤도 붕괴의 원인

대기 항력

궤도 고도에서의 대기 항력은 기체 분자가 위성과 자주 충돌하여 발생한다.그것은 낮은 지구 궤도에 있는 인공위성의 궤도 붕괴의 주요 원인이다.그것은 인공위성의 궤도의 고도를 감소시키는 결과를 초래한다.지구의 경우 위성 재진입이 발생하는 대기 드래그는 다음 순서로 설명할 수 있다.

저고도 → 고밀도 대기 → 항력 증가 → 열 증가 → 재진입 시 보통 화상 발생

따라서 궤도 붕괴는 긍정적인 피드백 효과를 수반하는데, 궤도가 감소할수록 고도가 낮아지고, 고도가 낮을수록 붕괴 속도가 빨라진다.붕괴는 태양활동과 같은 우주환경의 외부요인에도 특히 민감해 예측이 쉽지 않다.태양 최대치 동안 지구의 대기는 태양 최소치보다 훨씬 높은 고도까지 상당한 항력을 일으킨다.[3]

대기 항력은 우주 정거장, 우주 왕복선 및 기타 유인 지구 궤도 우주선, 그리고 허블 우주 망원경과 같은 상대적으로 "낮은 지구 궤도"를 가진 위성의 고도에서 상당한 효과를 발휘한다.우주정거장은 일반적으로 궤도 붕괴에 대응하기 위해 정기적인 고도 상승이 필요하다(궤도정거장 유지 참조).통제되지 않은 궤도 붕괴는 스카이랩 우주정거장을 무너뜨렸고, (상대적으로) 통제된 궤도 붕괴는 미르 우주정거장의 비트를 제거하는 데 사용되었다.[citation needed]

허블우주망원경의 리보스트는 훨씬 높은 고도로 인해 덜 빈번하다.그러나 궤도 붕괴는 또한 정비 랑데부 없이 허블이 갈 수 있는 시간의 제한적인 요소로서, 가장 최근의 STS-125는 2009년 우주왕복선 아틀란티스와 성공적으로 수행되었다.새로운 우주 망원경은 훨씬 더 높은 궤도에 있거나, 어떤 경우에는 태양 궤도에 있기 때문에 궤도 부스팅이 필요하지 않을 수도 있다.[4]

조석효과

궤도는 또한 궤도를 선회하는 신체가 궤도를 돌고 있는 신체에 상당한 조석 불룩을 일으킬 만큼 크고 역행 궤도에 있거나 동기 궤도 아래에 있을 때 음의 조석 가속도에 의해 붕괴될 수 있다.이것은 궤도를 선회하는 몸체로부터 탄력을 흡수하고 그것을 1차 회전으로 전달하여 궤도의 고도를 낮춘다.

조력 궤도 붕괴를 겪고 있는 위성의 예로는 화성의 달 포보스, 해왕성의 달 트리톤, 외계 행성 트레스-3b 이 있다.

빛과 열복사

태양계의 작은 물체들도 비대칭 방사선 압력에 의해 가해지는 힘에 의해 궤도 붕괴를 경험한다.이상적으로 흡수된 에너지는 주어진 지점에서 방출되는 흑체 에너지와 같으며, 이로 인해 순력이 발생하지 않는다.그러나 야르코프스키 효과는 열의 흡수 및 방사선이 즉각적이지 않기 때문에, 종단적으로 잠겨 있지 않은 물체는 태양에 노출된 표면의 햇빛 에너지를 흡수하지만, 그러한 표면은 물체가 회전할 때까지 그 에너지의 대부분을 재흡수하지 않기 때문에 방출이 물체와 평행하게 되는 현상이다.의 궤도이것은 궤도 경로에 평행하게 매우 작은 가속을 초래하지만, 수백만 년 동안 작은 물체에게 중요한 가속을 야기할 수 있다.Poynting-Robertson 효과는 빛의 비대칭 발생, 즉 빛의 일탈에 의해 야기되는 물체의 속도에 반대되는 힘이다.프로그램 회전이 있는 물체의 경우, 이 두 가지 효과는 반대지만 일반적으로 불평등한 힘을 가할 것이다.

중력방사선

중력 방사선은 궤도 붕괴의 또 다른 메커니즘이다.행성과 행성 위성의 궤도(수세기, 수십 년, 그 이하의 시간 척도로 궤도 운동을 고려할 때)에는 무시해도 되지만 중성자 항성 궤도의 관측에서 볼 수 있듯이 소형 물체의 시스템에서는 눈에 띈다.궤도를 선회하는 모든 신체는 중력에너지를 발산하며, 따라서 어떤 궤도도 무한히 안정되어 있지 않다.

전자기 드래그

전자동 테더를 사용하는 위성은 지구 자기장을 통과하여 움직이며, 결국 위성을 디오레트할 수 있는 드래그력을 생성한다.

항성 충돌

별의 충돌은 두 별들이 에너지를 잃고 서로에게 다가갈 때 함께 오는 것이다.조력, 질량 전달, 중력 방사선을 포함한 여러 가지 것들이 에너지 손실을 야기할 수 있다.별들은 서로에게 다가갈 때 나선형의 길을 묘사한다.이로 인해 두 별이 합쳐지거나 블랙홀이 생기는 경우도 있다.후자의 경우, 마지막 몇 번의 항성 회전은 불과 몇 초밖에 걸리지 않는다.[5]

질량농도

궤도 붕괴의 직접적인 원인은 아니지만, 궤도를 도는 신체의 불균일한 질량 분포(마스콘이라고 알려져 있음)는 시간이 지남에 따라 궤도를 섭동할 수 있으며, 극단적인 분포는 궤도를 매우 불안정하게 만들 수 있다.결과적으로 불안정한 궤도는 궤도 붕괴의 직접적인 원인 중 하나가 발생할 수 있는 궤도로 변이될 수 있다.

참조

  1. ^ "Tiangong-1 Orbital Status". Official Website of China Manned Space. China Manned Space Engineering Office. 1 April 2018. Retrieved 1 April 2018.
  2. ^ Low, Samuel Y. W. (August 2018). "Assessment of Orbit Maintenance Strategies for Small Satellites". AIAA/USU Conference on Small Satellites. 32. doi:10.26077/bffw-p652.
  3. ^ Nwankwo, Victor U. J.; Chakrabarti, Sandip K. (1 May 2013). "Effects of Plasma Drag on Low Earth Orbiting Satellites due to Heating of Earth's Atmosphere by Coronal Mass Ejections". arXiv:1305.0233 [physics.space-phn].
  4. ^ 허블 프로그램 - 서비스 임무 - SM4
  5. ^ "INSPIRAL GRAVITATIONAL WAVES". LIGO. Retrieved 1 May 2015.