Задача 4
Околоземный спутник массой 99.9 кг двигался по высокой круговой орбите. В некоторый момент времени он испытал лобовое соударение с обломком космического мусора массой 0.1 кг, двигавшимся в том же направлении с вдвое меньшей скоростью, после чего продолжил движение с застрявшим обломком. Чему в % от радиуса первоначальной орбиты равна разность высот перицентра и апоцентра новой орбиты спутника?
Решение
Показать решение
Запишем закон сохранения импульса для ситуации до и после соударения:
Скорость спутника уменьшилась на долю . Пусть R – радиус первоначальной орбиты спутника, – круговая скорость на этой орбите. Тогда круговую скорость можно выразить через радиус орбиты и массу Земли как
Определим большую полуось новой орбиты спутника. Для этого запишем интеграл энергий, учтя, что скорость спутника изменилась на долю к:
Подставив значение , получим
Эксцентриситет новой орбиты определим из условия для апоцентра орбиты: в точке столкновения с обломком мусора скорость спутника была перпендикулярна радиус-вектору. Следовательно, эта точка является апоцентром или перицентром новой орбиты. Поскольку космический аппарат замедлился, то точка соударения является точкой апоцентра орбиты. Тогда выполняется соотношение
Высоты в перицентре и апоцентре новой орбиты равны
Следовательно, разность высот равна
Пересчет в проценты от радиуса исходной орбиты дает выражение
В нашем случае , что дает итоговое значение 0.2%. Заметим, что при малых слагаемыми с можно пренебречь, в том числе и в промежуточных формулах, что при точности данных в условиях не скажется на точности получаемого ответа.