научная статья по теме ТРЕХЧАСТОТНЫЕ РЕЗОНАНСЫ В ЗАДАЧЕ О БЫСТРОМ ВРАЩЕНИИ НЕСИММЕТРИЧНОГО ТЕЛА НА ЭЛЛИПТИЧЕСКОЙ ОРБИТЕ Космические исследования

Текст научной статьи на тему «ТРЕХЧАСТОТНЫЕ РЕЗОНАНСЫ В ЗАДАЧЕ О БЫСТРОМ ВРАЩЕНИИ НЕСИММЕТРИЧНОГО ТЕЛА НА ЭЛЛИПТИЧЕСКОЙ ОРБИТЕ»

КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2013, том 51, № 3, с. 214-223

УДК 521.12

ТРЕХЧАСТОТНЫЕ РЕЗОНАНСЫ В ЗАДАЧЕ О БЫСТРОМ ВРАЩЕНИИ НЕСИММЕТРИЧНОГО ТЕЛА НА ЭЛЛИПТИЧЕСКОЙ ОРБИТЕ © 2013 г. В. А. Прошкин1, О. А. Филиппова2

1 МГУ им. М.В. Ломоносова, механико-математический факультет 2 ЗАО Авикомп Сервисез proschkin@mail.ru o.valkyr@gmail.com Поступила в редакцию 21.06.2011 г.

В работе представлены резонансные проблемы, порождаемые старшим членом возмущающей функции задачи о быстром вращении несимметричного твердого тела в центральном гравитационном поле на эллиптической орбите. Получены явные формулы, для гамильтонианов всех одномерных гамильтоновых систем, определяющих движение в окрестности резонансов. Описаны основные резонансные эффекты.

БОТ: 10.7868/80023420613020039

1. Пусть главные центральные моменты инерции тела удовлетворяют неравенству (В — А)(В — С) < 0 (В — между А и С), угловая скорость тела по модулю много больше среднего орбитального движения ю0 > 0, характерный размер тела много меньше перицентрического радиуса гп на орбите. Примем массу тела, его характерный размер и нижнюю границу для модуля угловой скорости

равными единице, а ю0 = 6 <§ 1 и гп > 1/е2. Тогда кинетическая энергия вращения тела отделена от нуля некоторой константой, а потенциальная энергия гравитационного поля есть величина порядка б2, причем слагаемые в ее ряде по сферическим функциям с гармониками выше второго порядка имеют величину ~б4.

В переменных действие-угол (I, w) задачи Эй-лера—Пуансо о вращении тела вокруг неподвижного центра масс [2, 8] гамильтониан рассматриваемой задачи имеет вид [3]

Н = Т + 62У2 + 0(б4), (1)

где Т — кинетическая энергия вращения, Т = = Т( I), I = (/1, /2), 62У2 = 62У2 (I, w, 10) - вторые сферические гармоники потенциальной энергии, выраженные через фазовые координаты и 10 = 61 — среднюю аномалию на орбите центра масс.

В работе идет речь о вращениях тела, которым соответствуют фазовые траектории, расположенные вблизи резонансных многообразий невозмущенной задачи

к0б + (к, ю) = 0, (2)

где к0 Ф 0, к = (к1, к2), ю = дТ/дI — вектор ненулевых частот задачи Эйлера—Пуансо, (к, ю) = к1ю1 + + к2ю2, к Ф 0 целые числа и |к2| < 2.

Подобная задача ставилась в [10, 13], но там рассматривались движения в окрестности резонанса только между двумя частотами ю1 и ю2.

В других работах, посвященных резонансным задачам, либо существенно использовалась динамическая симметрия тела, либо рассматривались частные случаи, например, плоские вращения (обзор см. в [3]).

2. Для получения гамильтоновой системы, описывающей движение в окрестности резонанса, необходимо выполнить приведение — последовательность канонических преобразований, переносящих зависимость гамильтониана от времени и от быстрых угловых переменных ^ = (^1, w2) в члены порядка 63. В [7] доказана осуществимость такого приведения во всей области Б аналитичности Н. Здесь понадобится явная формула для нового гамильтониана с точностью до членов порядка 63. Приведем ее, опустив технические подробности и сохранив для новых переменных и гамильтониана прежние обозначения (это не порождает недоразумений, т.к. все преобразования близки к тождественным при малом б):

н = Т + б2 V 2 + 63Н3 + 0(б4), (3)

Я3 = + { ^ + ^ *}, (4)

где {,} — скобка Пуассона.

Входящие сюда функции определяются с помощью тригонометрического ряда Фурье функции У2 по переменным (10, *)

¥9

а именно:

= X еХР(1 (к010 + (к, *))),

(5)

¥2 = ¥00 (I),

¥2 = X ¥ко,оехр(¿ко 1о), ¥ко,о = о(I, -з). (6)

к,, ф о

Оставшуюся часть ряда обозначим ¥2:

¥2 = X ¥ко,кехр(¿(ко 1о + (к, *))),

к ф о

(7)

¥ко, к = к(1' -з).

Перепишем ¥2 в виде

¥2

= X ¥кехр¿(к, *), ¥к = ¥к(I, -з, 1о).

ко ф о

51о

+ ¥2 = о

(10)

и является генератором осреднения б2 ¥2 по времени, входящему в ¥2 только через 10. В этом слу-

чае преобразование отличается от тождественного добавками порядка 6. При этом из того, что ¥2 не зависит от *, следует возможность выбрать Ж2 так же не зависящим от *:

Щ = —^ X "Т^ехР(¿ко 1о),

к„ ф о ко

(11)

В [7] показано, что

¥к = (к, *)Н-к, (8)

т.е. каждый коэффициент обращается в ноль на соответствующем резонансном многообразии для двух частот ю1 и ю2, причем функции Н^ ана-литичны в Б и, в частности, на всех множествах (к, *) = 0, кроме множеств, на которых ю1 = 0 или ®2 = 0.

Функция Ж1 в (4) является генератором канонического преобразования, осредняющего &2У2 по *. Она удовлетворяет уравнению

{Т, Щ} + ¥2 = о, (9)

решением которого является, например, функция

Щ = Щ (I, 1о) = X ехР ¿(к, *),

к ф о = -Нк.

Заметим, что здесь нет малых знаменателей, и во всей области Б аналитичности Н соответствующее преобразование отличается от тождественного добавками порядка 62.

Функция Ж2 = Ж2(1, w3,10) удовлетворяет уравнению

поэтому по переменным I последнее преобразование - тождественное.

Заметим, что, вообще говоря, в ряде (5) свободный член У00 зависит от (I, wз), точнее, от I и косинуса угла между векторами кинетического момента Ь вращательного и кинетического момента орбитального движений [7]. Но этот косинус будет равен — , если систему координат, с по-¡2

мощью которой определяются переменные (I, w), выбрать так, чтобы ее ось, проекцией Ь на которую является 13, была направлена вдоль орбитального кинетического момента. Мы предполагаем, что это именно так и поэтому У00 = У00(1). Напомним [2, 8], что 12 = |Ь|, а переменная 11 определяется в соответствии с процедурой введения переменных действие-угол по формуле 11 = ^ Л ЬМ,

2я Т)

где Ь — проекция Ь на одну из главных центральных осей инерции тела (у нас это ось с моментом инерции С), а I — сопряженная с ней угловая переменная из системы элементов Андуайе—Депри [6].

Явные формулы для У2, Щ, Ж2 приведены ниже. Используем некоторые их свойства.

3. Номером резонанса к0б + (к, *) = 0 или гармоники ехр/(к0б + (к, *)), к = (к1, к2) назовем ненулевую тройку чисел к = (к0, к1, к2). В области аналитичности функции Н3 коэффициенты ее ряда Фурье по (10, *) экспоненциально убывают с

ростом ||к|| = |к0| + |к1| + |к2|. Возьмем К0 = С01п(- ),

6

число С0 считается выбранным так, чтобы остаточный член ряда Н3, состоящий из гармоник с номерами, для которых ||к|| > К0, был величиной порядка 6. Тогда

Н = Т + б2 ¥2 + 63 Н* + 0(б4),

(12)

где Н" — часть ряда Н3 со всеми гармониками, для которых ||к|| < К0.

Резонанс с номером (к0, к1, к2) = (к0, к) называется возможным, если в области аналитичности функции гамильтона Н существует множество, на

котором к0б + (к, *) = 0, но коэффициент при

гармонике с тем же номером в в ноль не обращается (множество Пуанкаре [6]).

Самый поверхностный анализ формул (3)—(7) показывает, что резонанс с номером (к0, 0, 0), невозможен, т.к. 6 = const. Невозможен и никакой резонанс с номером (0, k), т.к. переменные w входят в H3 только через (5 W,/dl0), где нет гармоник с к0 = 0.

Теперь используем свойства частот ю1, ю2 задачи Эйлера—Пуансо, подробно описанные в [2, 6] для случая A > B > C и несложно продолжаемые на случай A < B < C.

На плоскости переменных I1, I2 действительным движениям соответствует область I2 > 0, |I1| < I2; перманентным вращениям вокруг оси с моментом инерции C соответствуют лучи (C):

Ill = I2, (13)

вращениям вокруг оси с моментом инерции A — луч (A):

Ii = 0, (14)

вращениям вокруг средней оси инерции — лучи (B):

|А| = 2harctgк, к п

= C (A - B) 'л(B - C)'

(15)

Под областью (I) на этой плоскости будем понимать множество

п

/2 arctg к < |I,| < /2,

под областью (II) — множество 2

0 < |I,| < -I2 arctg к. п

(16)

(17)

infY = lim Iy

|i,| ^ i2

в области (II):

inf Y = lim I'

i, ^ 0

JAB л - с

A-CNB-C

-1

B л -C

A - C4A - B

= Yi,

Y11.

В обеих областях |у| ^ да, если |/1| ^ 2/2аге1§к. От-

п

сюда следует, что в области (I) (соответственно

(II)) для любого у: |у| > ух (уп), существует множество ю2/ю1 = у. Оно представляет собой луч 12 = ¿(у)/1, причем, когда |у| ^ да, он приближается к одному из лучей (В) [6].

Вещественная часть области аналитичности Б функции н определяется условиями

I е( I )и( II), < /2, (w )е Я4, (18)

как это следует из [2, 6] и из свойств функций, описывающих движение по эллиптическим траекториям в задаче Кеплера [5].

Утверждение 1. Для любого целого п: |п| > ух(|п| >

> уп), в области I (II) на плоскости I при достаточно малом 6 существует множество точек, на котором к0б + (к, ю) = 0, если 0 < |к0| < К0 = = С01п1/б, к = (к1, к2), к1/к2 = п.

Справедливость этого следует из существования лучей 12 = Ь(п)11 , из аналитичности ю1 и ю2 в Б и из того, что бК0 ^ 0 при 6 ^ 0.

Приведенные ниже формулы показывают, что

в Н," входят только гармоники с номерами (к0,

к), в которых |к2| < 2, причем, если к2 Ф 0, то к1 = = пк2, п еZ.

Отсюда получаем

Утверждение 2. В данной задаче существуют любые резонансы с номерами вида

(ko, k) = (к*, k,, k2) = (k*, kn, k), k* ф 0, n ф 0, k = 1, 2,

(19)

Этим областям в задаче Эйлера-Пуансо соответствуют движения, в которых вектор угловой скорости перемещается по полодиям, охватывающим разные главные оси: в области (I) — ось с моментом инерции С, в области (II) — А.

В каждой из областей модуль у = ю2/ю1 ограничен снизу [6]: в области (I)

где |к0| + |к1| + |к2| < К0, и п удовлетворяет хотя бы одному из неравенств |п| > уь |п| > уП.

Замечание 1. Для быстрых вращений модуль кинетического момента /2, а вместе с ним и ю2 отделены от нуля некоторыми константами, не зависящими от 6, поэтому при достаточно малом 6 резонанса с номером (к0, 0, к2) не существует. Резонансное множество к0б + к1ю1 = 0 на плоскости

I в принципе существует, но на нем ю1 = о(1) при 6 ^ 0. Это значит, что его точки при 6 ^ 0 приближаются к лучам (В), состоящим из особых точек

Т( I) [6]. Резонансы с номерами (к0, к1, 0) в данной работе не рассматриваются.

4. В окрестности каждого из существующих резонансов можно получить эволюционную га-мильтонову систему, описывающую движение в этой окрестности. В данной задаче справедливо более точное

Утверждение 3. Для каждого из существующих резонансов с номером (к0, к) (19) в его окрестности, заданной неравенством

+ (к, ю)| < б/4, (

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком