home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ CD School House 10 / CD School House - Education and Games (10.0) - Wayzata Technology (1995).iso / mac / DOS / SCIENCES / ORBIT / ORBIT.DOC < prev   
Text File  |  1994-03-03  |  14KB  |  274 lines
  1.  
  2.                             ORBITAL MECHANICS PROGRAM
  3.                               Version 1.0   2-16-86
  4.                                   By Don Thayer
  5.         
  6.         
  7.             This  program will  calculate the  major  orbital  parameters
  8.         associated with  two astronomical  objects when one orbits around
  9.         the other.
  10.         
  11.            When the program is first started, the GRAVITATIONAL PARAMETER
  12.         (GP) will be requested.
  13.         
  14.             Whenever  this parameter is required, you can either enter it
  15.         directly or press the <CR> key to get a list of possible choices.
  16.         Selections  1   through  11  are  common  solar  system  objects.
  17.         Selection 12  lets  you  enter  the  parameter  directly.    With
  18.         selection 13  you can combine any two of the choices from 1 to 11
  19.         and selection 14 will show the GPs for black holes.
  20.         
  21.             Once  the GP  is entered,  you will  be required to enter the
  22.         object's diameter.   Again  you can  either  enter  the  diameter
  23.         directly or press the <CR> key to get a listing.  If you selected
  24.         a GP  for a  black hole,  the option  13 will  select a  diameter
  25.         equivalent to  the EVENT  HORIZON diameter.   Selecting option 13
  26.         when a black hole GP was not chosen will enter a very small value
  27.         which will  force any  major astronomical  object to  simulate  a
  28.         black hole.
  29.         
  30.             After  initially entering the GP and diameter a menu of input
  31.         options will  be displayed.  Before the orbital parameters can be
  32.         computed, you  must select  option <2>,  <3>, <4>,  <5> or <6> to
  33.         enter final necessary information.
  34.         
  35.             Selecting  option <2>  from this menu will allow you to input
  36.         the SEMIMAJOR  AXIS and  the ECCENTRICITY  of the orbit.  Both of
  37.         these options  can be  either entered  directly or  from  a  list
  38.         provided when  the <CR>  key is  pressed in  lieu of  entering  a
  39.         number.
  40.         
  41.         NOTE: Only  selections <1>  and <2>  will give  you the option of
  42.         selecting from  a list.   Selection numbers <3>, <4>, <5> and <6>
  43.         will require  direct input  of  the  values.    Option  <7>  when
  44.         available, will give a range that can be used.
  45.         
  46.             Selecting  option <3>  will allow  you to input the RADIUS at
  47.         APOGEE and the RADIUS at PERIGEE.
  48.         
  49.             VELOCITY at APOGEE and PERIGEE are the orbital velocities and
  50.         can be entered from option <4> on the main menu.
  51.         
  52.             The  PERIOD of  ROTATION in option <5> is the time in seconds
  53.         required for  the orbiting  object to  revolve  around  the  main
  54.         object.
  55.  
  56.  
  57.             Selecting  option <6> will allow you to define an orbit given
  58.         your PRESENT  RADIUS (or  distance to  the object), your VELOCITY
  59.         and the  ATTACK ANGLE.   An  angle of  90 degrees  will define an
  60.         orbit at  a right  angle to  your velocity  vector and  the  main
  61.         object.   Selecting an  angle of "0" degrees may be disastrous to
  62.         both you  and the  program as  it will direct you straight at the
  63.         main object.   Choosing  too high  of a  velocity may  exceed the
  64.         escape velocity  and a warning will be shown at the bottom of the
  65.         screen.   No orbit  can be  computed if  this happens.    If  the
  66.         velocity is too small, your orbit will intersect the object.
  67.         
  68.            Option <7> will not be available until after an orbit has been
  69.         calculated.  This option allows you to enter the distance you are
  70.         from the  object (orbital  radius) and show data relative to your
  71.         position on the orbit.
  72.         
  73.             Option  <X> will  toggle between full scientific notation and
  74.         mixed notation  where only  large numeric values above 1x10E6 and
  75.         very small numbers will be shown in scientific notation.
  76.         
  77.            Option <Q> quits the program.
  78.         
  79.         
  80.                    ----------------------------------------
  81.         
  82.            Once data has been entered by using options <2>, <3>, <4>, <5>
  83.         or <6>,  the orbital data will be displayed and you will be given
  84.         a chance  to print  the data  on a printer.  Type a "Y" or "y" if
  85.         you want a printout otherwise type "N" or "n" for no printout.
  86.         
  87.             A  command line  will appear at the bottom of the screen that
  88.         will allow  you change  any of  the input  sets of data.  You can
  89.         enter options  1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, X, Q which are the same as
  90.         those on  main menu  or you  can select option "M" to display the
  91.         main menu  again.   You can  see a  graphic representation of the
  92.         orbit by  selecting  the  "G"  option  if  you  have  an  IBM  or
  93.         equivalent graphics card.
  94.         
  95.             If  you change the GP & diameter by selection option <1>, the
  96.         new orbit  data will be computed from the existing semimajor axis
  97.         and eccentricity.
  98.         
  99.             When  you select  options <6>  or <7> from either the command
  100.         line or  the main  menu, data  in addition  to the normal orbital
  101.         statistics will be shown on the screen.
  102.         
  103.         
  104.                                THE GRAPHIC SCREEN
  105.         
  106.             When  you choose  then graphic display your orbit will shown.
  107.         If the eccentricity is near 1.0000, then the orbit will appear as
  108.         a straight  line and if the eccentricity was 0.000, a circle will
  109.         be displayed as the orbit.  Values in between will produce orbits
  110.         of varying ellipses.
  111.         
  112.             A  small cross will mark the center of the main object at the
  113.         focal point  of the  orbital ellipse.   If possible, the relative
  114.         size of  the main  object will  also be  shown as  a solid circle
  115.         about the  objects center.   This  will  occur  if  the  relative
  116.         diameter of  the object is more than four pixles across and if it
  117.         is not greater than size of the screen.
  118.  
  119.         
  120.            If a black hole was selected from the GP & diameter option, it
  121.         will be  shown as  broken line  orbit if its relative size can be
  122.         shown on the screen.
  123.         
  124.             When options <6> or <7> are selected, the graphic screen will
  125.         also show  your relative  position on  the orbit in the form of a
  126.         larger cross.
  127.         
  128.         
  129.                                 ENTERING NUMBERS
  130.         
  131.            Sometimes when a number is entered, the data will be requested
  132.         again or  the computer  will beep  and display  another  question
  133.         mark.   When this  happens, you  have either  entered an  illegal
  134.         string of characters such as 3q23 or the value you entered is not
  135.         acceptable for  the input  such as  trying to  enter 0.00 for the
  136.         semimajor axis.
  137.         
  138.             Many  times the  value you are to enter is very large or very
  139.         small, for  example: 200000000 (2 with eight zeros following it).
  140.         This number  can be  entered   as 2.0E8  or 2.0E+8  in scientific
  141.         notation.  Very small number such as 0.00000123 should be entered
  142.         as 1.23E-6 in the scientific format.
  143.         
  144.         
  145.                                    DEFINITIONS
  146.         
  147.         Gravitational Parameter:   This  is the  gravitational attraction
  148.            between two  objects and  is the  result  of  the  gravitation
  149.            constant multiplied  by the mass of the object and is measured
  150.            in miles cubed per second squared.
  151.         
  152.         Diameter of Object: The diameter of the main object in miles.
  153.         
  154.         Event Horizon:   The  radius of  a black hole at which the escape
  155.            velocity is  equal to the speed of light.  This is measured in
  156.            miles.
  157.         
  158.         Semimajor Axis:   The  greatest distance  from the  center of the
  159.            orbital ellipse to the orbit and is measured in miles.
  160.         
  161.         Eccentricity: A measure of the out of roundness of the orbit.  An
  162.            eccentricity of  "0" will  produce a  perfect  circular  orbit
  163.            while  a  value  of  0.9999  will  produce  a  very  flattened
  164.            elliptical orbit.
  165.         
  166.         Radius at  Apogee:   The greatest  distance between  the orbiting
  167.            object and the center of the main object as measured in miles.
  168.         
  169.         Radius at  Perigee:   The closest distance between the centers of
  170.            two objects in miles.
  171.         
  172.         Velocity at  Apogee:  The orbital velocity in miles per second at
  173.            the furthest distance between the two objects.
  174.         
  175.         Velocity at  Perigee:   The velocity at the nearest point between
  176.            the objects in miles per second.
  177.         
  178.         Period of  Rotation:   The time  in  seconds  for  an  object  to
  179.            complete one orbital revolution.
  180.  
  181.  
  182.         
  183.         Escape Velocity:   The  minimum velocity  for which no orbit will
  184.            exist at a given orbital position.
  185.         
  186.         Gravitational Force:   The force in gee's exerted on the orbiting
  187.            object by the main object.  Note: This is also the centrifugal
  188.            force induced  by  the  orbiting  object  thus  canceling  the
  189.            gravitational force and results in "free fall" if the orbiting
  190.            object is a space vessel.
  191.         
  192.         Tidal Force:   The  force in  gee's at  one foot from the orbital
  193.            path.   In normal orbital mechanics this value is too small to
  194.            bother with,  however, if  a space  vessel should  approach  a
  195.            black hole  or neutron star, this can become very great.  This
  196.            is how  a space vessel too close to such an object can be torn
  197.            apart.
  198.         
  199.         
  200.                                  SAMPLE PROBLEM
  201.         
  202.            Many objects have been placed in a stationary orbit around the
  203.         earth in  order for them to remain in one relative position above
  204.         our planet.  These satellites  are in  what is  called an  earth-
  205.         synchronous orbit.   Since the earth rotates about its axis every
  206.         24 hours,  this means that a satellite must also make its orbital
  207.         rotation in 24 hours.
  208.            
  209.            To determine a earth-synchronous orbit for a satellite, either
  210.         start the  program or  if already started, select option <1> from
  211.         the main menu.
  212.            
  213.            When asked for the Gravitational Parameter, press the <CR> key
  214.         to get a listing and select item #4 for the earth.
  215.            
  216.            The program  will now  ask for  a diameter, press the <CR> key
  217.         again and select item #4 on that list.
  218.            
  219.            Now select  option <5>  to enter  the period  of rotation  and
  220.         eccentricity.   When the  program prompts  you for  the Period Of
  221.         Rotation, enter 86400 (24 hrs * 3600 sec/hr).
  222.            
  223.            When asked  for the  eccentricity, enter a small value such as
  224.         0.01 since we want the satellite's orbit to nearly round.
  225.            
  226.            The program  will now  show you  the orbital statistics for an
  227.         earth-synchronous orbit.   Answer  the printout  question  appro-
  228.         priately and if you have a graphics board select option "G" for a
  229.         graphic display of the orbit.
  230.            
  231.            Once the  data is  back on  the screen, try experimenting with
  232.         different orbital parameters or select option <7> and see some of
  233.         the other orbital data.
  234.            
  235.            Another Example:  On October 4, 1957 the Soviet Union launched
  236.         the first  artificial satellite.   It's  orbit ranged between 584
  237.         miles and  143.5 miles.   Add  these values  to the radius of the
  238.         earth  to get the approximate values of 4540 miles and 4100 miles
  239.         respectively.   Select the  GP and  Diameter for the earth if you
  240.         haven't already  done so  and then select option <3>.  Enter 4540
  241.         for the  Radius at  Apogee and  then enter 4100 for the Radius at
  242.         Perigee.
  243.  
  244.            
  245.            
  246.                                  ABOUT THIS PROGRAM
  247.            
  248.            The initial  idea started  out as  a mere curiosity when I ran
  249.         across some  interesting equations  on black  holes.  This led to
  250.         more in-depth  studying of  orbital mechanics.  The first program
  251.         was written  for a  Hewlett-Packard  67  programable  calculator.
  252.         When more  memory came  available in  form  of  an  HP-41CV,  the
  253.         program was expanded.  Boy, this was really great!  A whole 3K of
  254.         memory.
  255.            
  256.            Then came  the PC  with its free basic and later a compiler to
  257.         speed things  up a  bit.   This final(?) version has been written
  258.         with Borland's  Turbo Pascal with thanks to Michael Covington for
  259.         his movable window procedure.
  260.            
  261.            
  262.            The formulas  used in  this program  are mostly  basic orbital
  263.         mechanics methods  and cannot  possible give exact results.  Also
  264.         in orbital  systems, there  are many  massive objects  that  also
  265.         influence the  orbit.   Our own solar system contains at least 10
  266.         major bodies  all interacting  with each other while this program
  267.         only deals with the "two-body problem".
  268.            
  269.            Every precaution  I can  think of  has been taken to keep this
  270.         program on-line,  however, when dealing with astronomical values,
  271.         the figures themselves become astronomical and can cause floating
  272.         point overflow  which will  abort the  program.   I wouldn't  try
  273.         determining the data for orbiting  galaxies.
  274.