Orbitalna mehanika

Orbitalna mehanika ili astrodinamika je primena balistike^[1] i nebeske mehanike^[2][3] na praktične probleme koji se tiču kretanja raketa i drugih svemirskih letelica. Kretanje ovih objekata se obično izračunava iz Njutnovih zakona kretanja^[4] i zakona univerzalne gravitacije.^[5][6][7] Orbitalna mehanika je sržna disciplina unutar dizajna i kontrole svemirskih misija.

A satellite orbiting the earth has a tangential velocity and an inward acceleration.

Nebeska mehanika šire tretira orbitalnu dinamiku sistema pod uticajem gravitacije, uključujući svemirske letelice i prirodna astronomska tela poput zvezdanih sistema, planeta, meseca i kometa. Orbitalna mehanika se fokusira na putanje svemirskih letelica, uključujući orbitalne manevre, promene orbitalne ravni i međuplanetarne transfere, i planeri misija je koriste da predvide rezultate propulzivnih manevara. Opšta relativnost je tačnija teorija od Njutnovih zakona za izračunavanje orbita, a ponekad je neophodna i za veću tačnost ili u visoko-gravitacijskim situacijama (npr. orbite blizu Sunca).

Istorija

Sve do uspona svemirskih putovanja u dvadesetom veku, postojala je mala razlika između orbitalne i nebeske mehanike. U vreme Sputnika polje se nazivalo „svemirskom dinamikom”.^[8] Fundamentalne tehnike, poput onih koje se koriste za rešavanje Keplerovog problema (određivanja položaja kao funkcije vremena), stoga su iste u obe oblasti. Pored toga, istorija polja je gotovo u potpunosti zajednička.

Johan Kepler je bio prvi koji je uspešno modelovao planetarne orbite sa visokim stepenom tačnosti, objavivši svoje zakone 1605. Isak Njutn objavio je više opštih zakona nebeskog kretanja u prvom izdanju svog dela (1687), koji su dali metodu za pronalaženje orbite tela sledeći parabolični put iz tri opservacije.^[9] Ovo je iskoristio Edmund Halej za uspostavljanje orbita raznih kometa, uključujući i onu koja nosi njegovo ime. Njutnova metoda sukcesivne aproksimacije formalizovana je u analitičku metodu Ojlerovim doprinosom iz 1744. godine, čiji je rad zatim bio generalizovan na eliptične i hiperboličke orbite Lambertovim doprinosom tokom 1761-1777.^[10][11]

Druga prekretnica u određivanju orbite bila je pomoć Karla Fridriha Gausa u otkriću patuljaste planete Ceres 1801. godine. Gausova metoda je mogla da koristi samo tri opažanja (u obliku parova rektascenzije i deklinacije) da pronađe šest orbitalnih elemenata koji u potpunosti opisuju orbitu. Teorija određivanja orbite je kasnije razvijena do tačke u kojoj se danas primenjuje u GPS prijemnicima, kao i u praćenju i katalogizaciji tek promatranih malih planeta. Moderno određivanje i predviđanje orbite koriste se za rad svih tipova satelita i svemirskih sondi, jer je potrebno znati njihove buduće položaje sa visokom tačnošću.

Astrodinamiku je razvio astronom Samjuel Herik početkom 1930-ih. On se konsultovao sa raketnim naučnika Robertom Godardom i bio je ohrabren je da nastavi svoj rad na svemirskim navigacionim tehnikama, jer je Godard verovao da će one biti potrebne u budućnosti. Numeričke tehnike astrodinamike bile su povezane sa novim moćnim računarima 1960-ih godina i čovek je bio spreman da putuje na Mesec i da se vrati.