stringtranslate.com

Межпланетная транспортная сеть

Это стилизованное изображение ITN призвано показать его (часто извилистый) путь через Солнечную систему . Зеленая лента представляет собой один из многих путей, которые математически возможны вдоль поверхности более темной зеленой ограничивающей трубки. Места, где лента резко меняет направление, представляют собой изменения траектории в точках Лагранжа , в то время как суженные области представляют собой места, где объекты задерживаются на временной орбите вокруг точки, прежде чем продолжить движение.

Межпланетная транспортная сеть ( ITN ) [1] представляет собой совокупность гравитационно определенных путей через Солнечную систему , для следования по которым объекту требуется очень мало энергии . ITN в частности использует точки Лагранжа как места, где траектории в пространстве могут быть перенаправлены с использованием небольшого количества энергии или без нее. Эти точки обладают особым свойством, позволяющим объектам вращаться вокруг них, несмотря на отсутствие объекта на орбите [ необходимо дополнительное объяснение ] . Хотя это потребует мало энергии, транспортировка по сети займет много времени. [2]

История

Межпланетные переходные орбиты являются решениями гравитационной задачи трех тел , которая в общем случае не имеет аналитических решений и решается приближениями численного анализа . Однако существует небольшое количество точных решений, наиболее примечательными из которых являются пять орбит, называемых « точками Лагранжа », которые являются орбитальными решениями для круговых орбит в случае, когда одно тело значительно массивнее.

Ключом к открытию Межпланетной транспортной сети стало исследование природы извилистых путей вблизи точек Лагранжа Земля-Солнце и Земля-Луна. Впервые они были исследованы Анри Пуанкаре в 1890-х годах. Он заметил, что пути, ведущие к любой из этих точек и от любой из них, почти всегда на некоторое время останавливаются на орбите вокруг этой точки. [3] На самом деле существует бесконечное количество путей, ведущих к точке и от нее, и все они требуют почти нулевого изменения энергии для достижения. При нанесении на график они образуют трубку с орбитой вокруг точки Лагранжа на одном конце.

Вывод этих путей восходит к математикам Чарльзу К. Конли и Ричарду П. Макги в 1968 году. [4] Hiten , первый японский лунный зонд, был выведен на лунную орбиту с использованием аналогичного понимания природы путей между Землей и Луной . Начиная с 1997 года, Мартин Ло , Шейн Д. Росс и другие написали серию статей, определяющих математическую основу, которая применяла эту технику к возврату образца солнечного ветра Genesis , а также к лунным и юпитерианским миссиям. Они назвали это Межпланетной Супермагистралью (IPS). [5]

Пути

Как оказалось, очень легко перейти с пути, ведущего к точке, на путь, ведущий обратно. Это имеет смысл, поскольку орбита нестабильна, что подразумевает, что в конечном итоге мы окажемся на одном из исходящих путей, не затратив при этом никакой энергии. Эдвард Белбруно ввел термин « слабая граница устойчивости » [6] или «нечеткая граница» [7] для этого эффекта.

При тщательном расчете можно выбрать желаемый исходящий путь. Это оказывается полезным, поскольку многие из этих путей ведут к некоторым интересным точкам в космосе, таким как Луна Земли или между галилеевыми лунами Юпитера , в течение нескольких месяцев или лет. [8]

Для путешествий с Земли на другие планеты они бесполезны для пилотируемых или беспилотных зондов, так как путешествие заняло бы много поколений. Тем не менее, они уже использовались для перевода космических аппаратов в точку L 1 Земля-Солнце , полезную точку для изучения Солнца, которая использовалась в ряде недавних миссий, включая миссию Genesis , первую миссию по возвращению образцов солнечного ветра на Землю. [9] Сеть также важна для понимания динамики Солнечной системы; [10] [11] Комета Шумейкера-Леви 9 следовала по такой траектории на своем пути столкновения с Юпитером. [12] [13]

Дальнейшее объяснение

ITN основана на серии орбитальных траекторий, предсказанных теорией хаоса и ограниченной задачей трех тел, ведущих к орбитам вокруг точек Лагранжа и от них — точек в пространстве, где гравитация между различными телами уравновешивается центробежной силой объекта, находящегося там. Для любых двух тел, в которых одно тело вращается вокруг другого, таких как система звезда/планета или планета/луна, существует пять таких точек, обозначенных от L 1 до L 5 . Например, точка L 1 Земля-Луна лежит на линии между ними, где гравитационные силы между ними точно уравновешиваются центробежной силой объекта, находящегося на орбите там. Эти пять точек имеют особенно низкие требования к дельта-v и, по-видимому, являются наименее возможными энергетическими передачами, даже ниже, чем обычная орбита перехода Хохмана , которая доминировала в орбитальной навигации с начала космических путешествий.

Хотя силы уравновешивают эти точки, первые три точки (те, что на линии между определенной большой массой, например, звездой , и меньшей, вращающейся по орбите массой, например, планетой ) не являются устойчивыми точками равновесия . Если космический корабль, помещенный в точку L 1 Земля-Луна , даже слегка сместить от точки равновесия, траектория космического корабля отклонится от точки L 1. Вся система находится в движении, поэтому космический корабль фактически не попадет на Луну, а будет двигаться по извилистой траектории в космос. Однако существует полуустойчивая орбита вокруг каждой из этих точек, называемая гало-орбитой . Орбиты для двух точек, L 4 и L 5 , устойчивы, но гало-орбиты для L 1 по L 3 устойчивы только в течение порядка месяцев .

Помимо орбит вокруг точек Лагранжа, богатая динамика, возникающая из-за гравитационного притяжения более чем одной массы, приводит к интересным траекториям, также известным как низкоэнергетические передачи . [4] Например, гравитационная среда системы Солнце-Земля-Луна позволяет космическим кораблям преодолевать большие расстояния, используя очень мало топлива, [ требуется ссылка ], хотя и по часто окольным маршрутам.

Миссии

Запущенный в 1978 году космический аппарат ISEE-3 был отправлен на миссию по орбите вокруг одной из точек Лагранжа. [14] Космический аппарат мог маневрировать вокруг окрестностей Земли, используя мало топлива, используя преимущества уникальной гравитационной среды. После завершения основной миссии ISEE-3 продолжил выполнять другие задачи, включая полет через геомагнитный хвост и пролет кометы. Впоследствии миссия была переименована в International Cometary Explorer (ICE).

Первой передачей энергии с низким уровнем энергии с использованием того, что позже будет названо ITN, было спасение японской лунной миссии Hiten в 1991 году. [ 15]

Другим примером использования ITN была миссия NASA Genesis 2001–2003 годов , которая вращалась вокруг точки L 1 системы Солнце–Земля в течение более двух лет, собирая материал, прежде чем была перенаправлена ​​в точку Лагранжа L 2 , а затем оттуда снова направлена ​​на Землю. [1]

В 2003–2006 годах SMART-1 Европейского космического агентства использовал еще одну низкоэнергетическую передачу от ITN. [ необходима цитата ]

В более недавнем примере китайский космический аппарат «Чанъэ-2» использовал ITN для перемещения с лунной орбиты к точке L 2 системы Земля-Солнце , а затем для пролета мимо астероида 4179 Toutatis . [ необходима цитата ]

Астероиды

Говорят, что путь астероида 39P/Oterma от внешней стороны орбиты Юпитера к внутренней стороне и обратно к внешней стороне следует этим низкоэнергетическим траекториям. [1]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abc Ross, SD (2006). "The Interplanetary Transport Network" (PDF) . American Scientist . 94 (3): 230–237. doi :10.1511/2006.59.994. Архивировано (PDF) из оригинала 2013-10-20 . Получено 27-06-2013 .
  2. ^ "Межпланетная супермагистраль; Шейн Росс; Virginia Tech". Архивировано из оригинала 2019-06-15 . Получено 2016-12-30 .
  3. ^ Марсден, Дж. Э.; Росс, С. Д. (2006). «Новые методы в небесной механике и проектировании миссий». Bull. Amer. Math. Soc . 43 : 43–73. doi : 10.1090/S0273-0979-05-01085-2 .
  4. ^ ab Conley, CC (1968). "Низкоэнергетические транзитные орбиты в ограниченной задаче трех тел". SIAM Journal on Applied Mathematics . 16 (4): 732–746. Bibcode : 1968SJAM...16..732C. doi : 10.1137/0116060. JSTOR  2099124.
  5. Ло, Мартин В. и Росс, Шейн Д. (2001) Лунные врата L1: портал к звездам и дальше. Архивировано 15 января 2013 г. на Wayback Machine , конференция AIAA Space 2001, Альбукерке, Нью-Мексико.
  6. ^ Эдвард А. Белбруно; Джон П. Каррико (2000). «Расчет баллистических траекторий лунного перехода с границей слабой устойчивости» (PDF) . Конференция специалистов по астродинамике AIAA/AAS. Архивировано (PDF) из оригинала 20-11-2008 . Получено 29-08-2017 .
  7. ^ Фрэнк, Адам (сентябрь 1994). "Gravity's Rim". Discover . Архивировано из оригинала 22 октября 2019 года . Получено 29 августа 2017 года .
  8. ^ Росс, SD, WS Koon, MW Lo и JE Marsden (2003) Проектирование многолунного орбитального аппарата. Архивировано 8 января 2007 г. в Wayback Machine . 13-я конференция AAS/AIAA по механике космических полетов, Понсе, Пуэрто-Рико , доклад № AAS 03–143.
  9. ^ Ло, М. В. и др. 2001. Проектирование миссии Genesis, Журнал астронавтических наук 49:169–184.
  10. ^ Belbruno, E., и BG Marsden. 1997. Резонансные скачки в кометах. The Astronomical Journal 113:1433–1444
  11. ^ Koon, Wang Sang; Lo, Martin W.; Marsden, Jerrold E.; Ross, Shane D. (2000). «Гетероклинические связи между периодическими орбитами и резонансными переходами в небесной механике» (PDF) . Chaos: An Interdisciplinary Journal of Nonlinear Science . 10 (2): 427–469. Bibcode :2000Chaos..10..427K. doi :10.1063/1.166509. PMID  12779398. Архивировано (PDF) из оригинала 2018-07-19 . Получено 2019-09-23 .
  12. ^ Смит, ДЛ 2002. Следующий съезд 0,5 миллиона километров Архивировано 29.03.2003 в Wayback Machine . Инженерное дело и наука LXV(4):6–15
  13. ^ Росс, SD 2003. Статистическая теория переходов изнутри во внешнюю среду и вероятности столкновений для малых тел в Солнечной системе. Архивировано 8 января 2007 г. в Wayback Machine , Libration Point Orbits and Applications (редакторы G Gomez, MW Lo и JJ Masdemont), World Scientific , стр. 637–652.
  14. ^ Фаркухар, Р. В.; Мухонен, Д. П.; Ньюман, К.; Хойбергер, Х. (1980). «Траектории и орбитальные маневры для первого спутника точки либрации». Журнал наведения и управления . 3 (6): 549–554. Bibcode : 1980JGCD....3..549F. doi : 10.2514/3.56034.
  15. ^ Белбруно, Э. (2004). Динамика захвата и хаотические движения в небесной механике: с построением низкоэнергетических передач. Princeton University Press . ISBN 9780691094809. Архивировано из оригинала 2014-12-02 . Получено 2006-09-25 .

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки