Вальтер Гоман довів у 1925 році, що найбільш паливно-економний спосіб
перейти між двома круговими компланарними орбітами — це єдина еліптична
перехідна дуга, що потребує лише двох коротких увімкнень двигуна. Попри
свій вік — і попри появу електричних двигунів та гравітаційних маневрів —
гоманівський перехід залишається еталоном для порівняння орбітальних
маневрів і застосовується безпосередньо в утриманні супутників на позиції,
геоперехідних орбітах (GTO) та проєктуванні польотів до Місяця.
Гравітація Ньютона + інерція → орбіти у вигляді конічних перерізів (Кеплер)
Гравітаційний параметр: μ = GM (μ_Землі = 3.986×10¹⁴ м³/с²) Швидкість
на круговій орбіті радіуса r: v_c = √(μ/r) НОО (r=6571 км): v_c = 7.78
км/с ГСО (r=42164 км): v_c = 3.07 км/с Орбіта Місяця (r=384400 км): v_c =
1.02 км/с Орбітальна енергія (питома): ε = −μ/(2a) e < 1 (еліпс), e =
1 (парабола), e > 1 (гіпербола) Велика піввісь a: середнє з
перицентра й апоцентра a = (r_p + r_a) / 2
2. Рівняння vis-viva
Збереження енергії: KE + PE = стала = ε v² / 2 − μ/r = −μ/(2a)
→ Vis-viva: v² = μ · (2/r − 1/a) Окремі випадки: Кругова орбіта (r=a):
v = √(μ/r) ✓ Апоцентр (r=r_a, v=v_a): v_a² = μ(2/r_a − 1/a) (повільніше)
Перицентр (r=r_p, v=v_p): v_p² = μ(2/r_p − 1/a) (швидше) Швидкість
втечі з кругової орбіти: додаючи Δv = v_e − v_c, де v_e =
√(2μ/r) = v_c·√2 Δv_esc = v_c(√2 − 1) ≈ 0.414 · v_c З НОО: Δv_esc ≈
3.22 км/с понад v_c = 7.78 км/с
3. Виведення гоманівського переходу
Постановка: перехід із кругової орбіти r₁ на кругову орбіту r₂ (r₂ > r₁)
Велика піввісь перехідного еліпса: a_t = (r₁ + r₂) / 2 Крок 1 — Δv₁ у
перицентрі (відліт з r₁): v_t,peri = √(μ(2/r₁ − 1/a_t)) (швидкість
перехідної орбіти на r₁) v_c1 = √(μ/r₁) (кругова швидкість на r₁) Δv₁ =
v_t,peri − v_c1 (за рухом: + додає швидкість) Крок 2 — Δv₂ в апоцентрі
(прибуття на r₂): v_t,apo = √(μ(2/r₂ − 1/a_t)) (швидкість перехідної орбіти на
r₂) v_c2 = √(μ/r₂) (кругова швидкість на r₂) Δv₂ = v_c2 − v_t,apo
(за рухом: округлення орбіти) Загальна Δv місії: Δv_total = |Δv₁| + |Δv₂|
Приклад НОО Землі (400 км) → ГСО: r₁ = 6778 км, r₂ = 42164 км Δv₁ =
2.43 км/с, Δv₂ = 1.47 км/с Δv_total ≈ 3.90 км/с (реальні місії GTO
також додають ~1.5 км/с зміни площини до нахилу 0°)
4. Час переходу та фазовий кут
Третій закон Кеплера: T² ∝ a³ → T = 2π√(a³/μ) Час переходу = половина
періоду перехідного еліпса: t_H = π√(a_t³/μ) = π√((r₁+r₂)³/8μ) Час
переходу НОО → ГСО: a_t = (6778 + 42164)/2 = 24471 км t_H =
π√((24.471×10⁶)³ / 3.986×10¹⁴) ≈ 19070 с ≈ 5.3 години Фазовий кут θ,
потрібний при відльоті: ціль має бути попереду на ωt_H − π радіан: θ =
π(1 − √((r₁+r₂)³/(8r₂³))) [радіан] НОО → ГСО: θ ≈ 105° перед цільовим
супутником на ГСО Стартові вікна повторюються з періодом T_syn = (1/T₁ −
1/T₂)⁻¹
5. Порівняння з біеліптичним переходом
Біеліптичний: три імпульси — відлетіти до r_b >> r₂, потім повернутися Імпульс
1: r₁ → перигей переходу₁ (Δv₁) Імпульс 2: на r_b → вхід у перехід₂ (Δv₂)
Імпульс 3: округлення орбіти на r₂ (Δv₃) Коли біеліптичний кращий? Економія
виникає, коли r₂/r₁ > ~11.94 (нижче цього оптимальним є гоманівський) Для r₂/r₁ ≈
15.58+: біеліптичний завжди виграє незалежно від r_b Для 11.94 < відношення <
15.58: залежить від r_b Приклад r₁=НОО, r₂=r₁×20 (≫ ГСО): гоманівський Δv ≈
6.20 км/с Біеліптичний (r_b=∞): Δv ≈ 5.77 км/с — заощаджує 0.43 км/с
Компроміс: час польоту може сягати років, якщо r_b дуже велике Практичне
застосування: біеліптичний заощаджує пальне для виходу в далекий космос ціною
значно довшого часу переходу.
6. Зміни площини та комбіновані маневри
Чиста зміна площини (зміна нахилу Δi при швидкості v): Δv_plane = 2v ·
sin(Δi/2) На НОО (v=7.78 км/с), Δi=28.5° (від екваторіальної до майже полярної):
Δv_plane = 2 × 7.78 × sin(14.25°) ≈ 3.83 км/с — дуже дорого!
Комбінований маневр (зміна площини + зміна швидкості в апоцентрі): Δv =
√(v₁² + v₂² − 2v₁v₂cos(Δi)) Оптимально: виконувати зміну площини в апоцентрі,
де v мінімальна Саме тому запуски GTO використовують r_a поблизу ГСО — Δv_plane
там коштує приблизно на 50% менше Міжпланетна C3: C3 = v_∞² (надлишкова
гіперболічна енергія, км²/с²) Потрібна Δv з НОО = √(v_e² + C3) − v_LEO Земля→Марс
(гоманівський): C3 ≈ 8.7 км²/с² → Δv≈3.6 км/с з НОО Земля→Юпітер: C3 ≈
80 км²/с² → Δv≈6.3 км/с з НОО
Комерційні супутники запускають на GTO (400×35786 км), потім бортовий
апогейний двигун надає ~1.5 км/с для округлення орбіти на ГСО. Потребує
~3 маневрів протягом кількох днів.
Трансмісячне виведення
TLI «Аполлона»: ~3.2 км/с з НОО. Гоманівський перехід до орбіти Місяця тривав би
5 днів — реальні екіпажі витрачали ~3 дні, використовуючи дещо не-гоманівську
швидку траєкторію.
Місія на Марс
Гоманівський Земля–Марс: Δv ≈ 5.6 км/с, 8.5 місяця польоту. Стартові
вікна трапляються кожні 26 місяців (синодичний період Земля–Марс).
Curiosity та Perseverance використали цю дугу.
Гравітаційні маневри
Voyager, Cassini, New Horizons — не гоманівські орбіти. Гравітаційні
маневри біля Юпітера, Сатурна дають по суті безкоштовну Δv, забираючи
її з орбітальної енергії планети.