🛸 Орбітальна механіка · Астродинаміка
📅 Березень 2026⏱ ≈ 11 хв читання🟡 Середній · Останнє оновлення: 28 травня 2026 р.

Орбітальна швидкість — колові, втечі та перехідні орбіти

Чому МКС рухається зі швидкістю 7,66 км/с? Чому втеча із Землі вимагає рівно у √2 разів більшої швидкості? Як космічний апарат переходить із низької опорної орбіти на геостаціонарну без безперервної тяги? На всі ці питання відповідають чотири рівняння — провісницька простота Кеплера, Ньютона й Гомана.

1. Колова орбітальна швидкість

Для колової орбіти радіуса r навколо тіла масою M гравітація забезпечує рівно те доцентрове прискорення, яке потрібне:

Швидкість колової орбіти GMm/r² = mv²/r (гравітація = доцентрова сила)

v_c = √(GM/r)

Для Землі (GM = 3,986 × 10¹⁴ м³/с²):
r = 6 771 км (висота МКС ~400 км + R_Землі 6371 км)
v_c = √(3,986×10¹⁴ / 6,771×10⁶) ≈ 7,66 км/с

Зверни увагу, що v_c залежить лише від центральної маси й орбітального радіуса — а не від маси супутника. Кулька на тій самій орбіті, що й МКС, рухається з ідентичною швидкістю.

2. Швидкість втечі

Швидкість втечі — це мінімальна швидкість, потрібна, щоб вийти з гравітаційної ями з нульовою енергією на нескінченності (тобто кінетична + потенціальна = 0):

Швидкість втечі з радіуса r ½mv² − GMm/r = 0 (повна енергія = 0)

v_esc = √(2GM/r) = √2 · v_c

Із поверхні Землі: v_esc = √(2 × 3,986×10¹⁴ / 6,371×10⁶)
≈ 11,19 км/с

Множник √2 між коловою швидкістю та швидкістю втечі є універсальним — він залежить лише від збереження енергії, а не від конкретних властивостей Землі. Для Місяця (значно менше GM): v_esc ≈ 2,38 км/с.

3. Рівняння віс-віва

Для будь-якої орбіти у формі конічного перерізу (кола, еліпса, параболи, гіперболи) швидкість у будь-якій точці залежить від поточного радіуса r та великої півосі a:

Рівняння віс-віва v² = GM · (2/r − 1/a)

Колова орбіта: a = r → v² = GM/r ✓
Орбіта втечі: a = ∞ → v² = 2GM/r ✓
В апоцентрі еліпса (r = r_a = a(1+e)):
v_a = √(GM/a · (1−e)/(1+e))

Рівняння віс-віва — найкорисніша окрема формула в орбітальній механіці: воно безпосередньо дає швидкість у будь-якій орбітальній позиції без інтегрування рівнянь руху.

4. Перехідна орбіта Гомана

Перехід Гомана — це найпаливоощадніший двоімпульсний маневр для переходу між двома коловими компланарними орбітами. Перехідна орбіта — це еліпс, перицентр якого збігається з внутрішньою орбітою, а апоцентр — із зовнішньою:

Перехід Гомана — два імпульси Велика піввісь перехідної орбіти: a_t = (r₁ + r₂) / 2

Імпульс 1 (на r₁, збільшення швидкості для входу в перехідний еліпс):
v_t1 = √(GM(2/r₁ − 1/a_t))
Δv₁ = v_t1 − v_c1 = v_t1 − √(GM/r₁)

Імпульс 2 (на r₂, переведення в колову):
v_t2 = √(GM(2/r₂ − 1/a_t))
Δv₂ = √(GM/r₂) − v_t2

Час переходу: t = π √(a_t³/GM) (половина періоду еліпса)
Приклад — з НОО до ГСО: Із орбіти МКС (r₁ = 6771 км) до геостаціонарної (r₂ = 42 164 км): a_t = 24 468 км, Δv₁ ≈ 2,46 км/с, Δv₂ ≈ 1,47 км/с, сумарна Δv ≈ 3,93 км/с, час переходу ≈ 5,3 години.

5. Геостаціонарна орбіта

Супутник із орбітальним періодом, що дорівнює періоду зоряного обертання Землі (23 год 56 хв 4 с), здається нерухомим із поверхні. Розв'язуючи третій закон Кеплера для цього періоду:

Висота геостаціонарної орбіти T = 2π √(r³/GM) = T_Землі → r³ = GM·T²/(4π²)

r_ГСО = (GM·T²/(4π²))^(1/3)
= (3,986×10¹⁴ × (86164)² / (4π²))^(1/3)
≈ 42 164 км від центра Землі
≈ 35 786 км висоти над поверхнею

v_ГСО = √(GM/r_ГСО) ≈ 3,07 км/с

Усі геостаціонарні супутники мають однакову висоту й завжди обертаються в екваторіальній площині (нахил = 0°). Типовими «мешканцями» є супутники зв'язку, метеосупутники (GOES/Meteosat) та ретрансляційні станції GPS.

6. Третій закон Кеплера

Кеплер (1619) емпірично виявив, що квадрат орбітального періоду T пропорційний кубу великої півосі a. Ньютон показав, чому:

Третій закон Кеплера T² = 4π²a³ / (GM)

Нормовано до системи Земля–Сонце (а.о. та роки):
T² = a³ (T у роках, a в а.о.)
Тіло Велика піввісь (а.о.) Період (роки) T²/a³
Меркурій 0,387 0,241 0,998
Земля 1,000 1,000 1,000
Марс 1,524 1,881 1,000
Юпітер 5,203 11,86 0,999

7. Точки Лагранжа

У системі двох тіл (наприклад, Сонце–Земля) є п'ять особливих точок, де мале тіло може залишатися нерухомим відносно обох основних мас (в обертовій системі відліку):

8. Бюджет дельта-v

Дельта-v (Δv) — це сумарна зміна швидкості, яку космічний апарат мусить здійснити, щоб виконати місію. Рівняння Ціолковського пов'язує Δv із часткою палива:

Рівняння Ціолковського Δv = v_e · ln(m₀/m_f)

v_e = ефективна швидкість витікання (= I_sp × g₀)
m₀ = початкова (заправлена) маса
m_f = кінцева (суха) маса

Приклад: Δv = 6 км/с, v_e = 3 км/с (гасовий двигун)
m₀/m_f = e^(6/3) = e² ≈ 7,4
→ 86% стартової маси становить паливо

Типовий бюджет Δv для МКС (НОО): ~9,5 км/с із поверхні Землі. Геостаціонарний супутник зв'язку: ~12 км/с із поверхні. Посадка на Марс: ~16–18 км/с туди й назад через перехід Гомана, без урахування входу в атмосферу.