НАД ПОВЕРХНОСТЬЮ МАРСА
p_a1bad989646c2a02
Орбитальная станция обращается вокруг Марса по экваториальной орбите с выключенными двигателями и каждые полчаса фотографирует поверхность планеты точно под собой (в надире). В таблице приведены моменты съемки по бортовым часам аппарата (Всемирное время на Земле) и марсианская долгота центра кадра. Определите наибольшее и наименьшее расстояние аппарата от центра Марса.
| Час (UT) | Долгота | Час (UT) | Долгота | Час (UT) | Долгота | Час (UT) | Долгота |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0.0 | -159.09 | 6.0 | -20.01 | 12.0 | 13.14 | 18.0 | 110.98 |
| 0.5 | -159.03 | 6.5 | -6.32 | 12.5 | 12.57 | 18.5 | 135.99 |
| 1.0 | -158.38 | 7.0 | 2.71 | 13.0 | 12.29 | 19.0 | 154.60 |
| 1.5 | -156.88 | 7.5 | 8.53 | 13.5 | 12.45 | 19.5 | 167.22 |
| 2.0 | -154.17 | 8.0 | 12.19 | 14.0 | 13.25 | 20.0 | 175.50 |
| 2.5 | -149.73 | 8.5 | 14.36 | 14.5 | 14.96 | 20.5 | -179.18 |
| 3.0 | -142.76 | 9.0 | 15.48 | 15.0 | 17.97 | 21.0 | -175.87 |
| 3.5 | -132.05 | 9.5 | 15.86 | 15.5 | 22.84 | 21.5 | -173.94 |
| 4.0 | -115.98 | 10.0 | 15.73 | 16.0 | 30.45 | 22.0 | -172.99 |
| 4.5 | -93.33 | 10.5 | 15.27 | 16.5 | 42.10 | 22.5 | -172.73 |
| 5.0 | -65.98 | 11.0 | 14.60 | 17.0 | 59.45 | 23.0 | -172.94 |
| 5.5 | -39.98 | 11.5 | 13.85 | 17.5 | 83.35 | 23.5 | -173.45 |
Решение
Показать решение
Съемка поверхности Марса производится с интервалом в 30 минут. Для начала мы должны отметить, что этот интервал времени существенно меньше орбитального периода аппарата. Действительно, даже если не учитывать наличие у Марса атмосферы, минимальное время облета Марса составляет
Следовательно, мы можем не рассматривать варианты совершения спутником целого оборота за время между двумя последовательными актами съемки. Приведенные в таблице данные можно анализировать напрямую, можно представить их в виде графика. Мы видим,
что большую часть времени долгота точки Марса под спутником меняется медленно, но в некоторые периоды начинает быстро возрастать. Из этого можно сделать вывод, что спутник обращается по эллиптической орбите в ту же сторону, что и вращение Марса вокруг своей оси. Большую часть времени угловая скорость спутника сравнима с угловой скоростью Марса, и он даже может отставать от планеты, смещаясь над ее поверхностью на запад. Вблизи периария угловая скорость спутника заметно увеличивается, и он начинает обгонять осевое вращение Марса.
По приведенным данным можно оценить моменты прохождения периария, во время которых рост долготы происходил максимально быстро. Эти моменты соответствуют 4.75ч и 17.75ч. Из этого мы получаем величину орбитального периода T: 13.0 часов. Из III закона Кеплера определяем величину большой полуоси орбиты аппарата:
Эксцентриситет орбиты Марса, а вместе с ним и наибольшее и наименьшее расстояние проще всего найти, определив угловые скорости аппарата в периастрии и апоастрии. Взяв найденные интервалы, соответствующие периастрию (4.5-5.0 часов и 17.5-18.0 часов), мы видим, что долгота точки съемки меняется на 27.5°, то есть ее изменение составляет 55.0° в час. Момент апоария соответствует середине временного отрезка между периариями, то есть времени 11.25 часов. Взяв интервал (11.0-11.5 час), мы видим, что долгота уменьшается на 0.75°, изменение есть -1.5° в час. Чтобы определить сами угловые скорости, нужно учесть осевое вращение Марса с периодом S (24.623 часа).
Из II закона Кеплера мы знаем, что
Из этого мы получаем
Минимальное и максимальное расстояние аппарата от центра Марса равны
Система оценивания (от одного члена жюри). Для решения задачи необходимо правильно интерпретировать представленные в таблице данные, и получить из них величины большой полуоси и эксцентриситета орбиты космического аппарата.