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