Задача 2
На поверхности Солнца появилось стационарное экваториальное пятно. Для его изучения был запущен на орбиту вокруг Солнца космический аппарат так, чтобы он находился постоянно над этим пятном. В силу конструкции аппарата передавать данные он может только в противоположную от точки наблюдения сторону, а угол поля зрения (диаграмма направленности) антенны составляет . С каким промежутком времени и как долго на Земле можно будет принимать сигнал от этого спутника? Орбиты аппарата и Земли считать круговыми. Плоскость орбиты Земли считать совпадающей с плоскостью экватора Солнца и плоскостью орбиты аппарата. Период осевого вращения Солнца составляет 24.47 суток.
Решение
Показать решение
Экваториальный период обращения Солнца составляет 24.47 суток. Следовательно, ровно с таким же периодом должен делать оборот вокруг Солнца аппарат. Для наступления момента, благоприятного для связи, необходимо нахождение на одной прямой Солнца, аппарата и Земли. Эта конфигурация для Земли будет соответствовать нижнему соединению аппарата с Солнцем. Время между двумя последовательными нижними кульминациями аппарата равно его синодическому периоду. Найдём его:
Здесь – экваториальный период обращения Солнца, а – сидерический период Земли. Теперь определим ту часть орбиты, которая будет благоприятна для связи аппарата с Землей. Для этого необходимо определить радиус орбиты аппарата, для чего воспользуемся третьим законом Кеплера:
где – радиус орбиты Земли. Выразим расстояние от аппарата до Солнца:
Воспользуемся системой координат, в которой Солнце и аппарат неподвижны, а Земля движется вокруг Солнца с периодом . Проходя через диаграмму направленности антенны , Земля поворачивается на угол вокруг Солнца (см. рисунок). Пусть l — дуга земной орбиты, облучаемая антенной. В силу малости угла можно принять, что расстояние от аппарата до Земли во время передачи не меняется и равно — . Тогда можно записать два соотношения:
Исключим l из уравнений, поделив первое на второе:
откуда
Следовательно, время приёма сигнала с аппарата на Земле составит долю от полного синодического периода: