Межпланетная транспортная сеть ( ITN ) [1] представляет собой совокупность гравитационно определяемых путей через Солнечную систему , по которым объекту требуется очень мало энергии . ITN особенно использует точки Лагранжа как места, где траектории в пространстве могут быть перенаправлены с использованием небольшого количества энергии или вообще без нее. Эти точки обладают особым свойством: они позволяют объектам вращаться вокруг них, несмотря на отсутствие объекта для вращения [ необходимо дальнейшее объяснение ] . Хотя для этого потребуется мало энергии, транспортировка по сети займет много времени. [2]
Межпланетные переходные орбиты являются решением гравитационной задачи трёх тел , которая в общем случае не имеет аналитических решений и решается с помощью приближений численного анализа . Однако существует небольшое количество точных решений, в первую очередь пять орбит, называемых « точками Лагранжа », которые являются орбитальными решениями для круговых орбит в случае, когда одно тело значительно более массивно.
Ключом к открытию Межпланетной транспортной сети стало исследование природы извилистых путей вблизи точек Лагранжа Земля-Солнце и Земля-Луна. Впервые их исследовал Анри Пуанкаре в 1890-х годах. Он заметил, что пути, ведущие к любой из этих точек и обратно, почти всегда на какое-то время останавливаются на орбите вокруг этой точки. [3] На самом деле существует бесконечное количество путей, ведущих к точке и от нее, и для достижения каждого из них требуется почти нулевое изменение энергии. На графике 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] Хитен , первый лунный зонд Японии, был выведен на лунную орбиту, используя аналогичное понимание 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 возвращению образцов солнечного ветра Genesis , а также к лунным и юпитерианским миссиям. Они назвали ее Межпланетной супермагистралью (IPS). [5]
Как оказалось, очень легко перейти от пути, ведущего к точке, к пути, ведущему обратно. Это имеет смысл, поскольку орбита нестабильна, а это означает, что в конечном итоге человек окажется на одном из исходящих путей, вообще не потратив энергии. Эдвард Белбруно для этого эффекта ввёл термин « слабая граница устойчивости » [6] или «нечёткая граница» [7] .
При тщательном расчете можно выбрать желаемый исходящий путь. Это оказывается полезным, поскольку многие из этих путей ведут к некоторым интересным точкам в космосе, например, к Луне Земли или между галилеевыми спутниками Юпитера , в течение нескольких месяцев или лет. [8]
Для путешествий с Земли на другие планеты они бесполезны для зондов с экипажем или без экипажа, поскольку путешествие займет много поколений. Тем не менее, они уже использовались для переброски космических аппаратов к точке Земля-Солнце L 1 , полезной точке для изучения Солнца, которая использовалась в ряде недавних миссий, включая миссию «Генезис» , первой доставившую на Землю образцы солнечного ветра . . [9] Сеть также важна для понимания динамики Солнечной системы; [10] [11] Комета Шумейкера-Леви 9 следовала по такой траектории на 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 обратно — 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, например системы звезда/планета или планета/луна, существует пять таких точек, обозначаемых от L1 до L5 . Например, точка L 1 Земля-Луна лежит на линии между ними, где гравитационные силы между ними точно уравновешиваются центробежной силой объекта, находящегося там на орбите. Эти пять точек имеют особенно низкие требования к дельта-v и, по-видимому, обеспечивают передачу с наименьшей возможной энергией, даже ниже, чем обычная переходная орбита Гомана , которая доминировала в орбитальной навигации с начала космических путешествий.
Хотя силы в этих точках уравновешиваются, первые три точки (те, что находятся на линии между определенной большой массой, например, звездой , и меньшей массой, вращающейся по орбите, например, планетой ) не являются стабильными точками равновесия . Если космическому кораблю , находящемуся в точке L 1 Земля-Луна , дать хотя бы небольшой толчок от точки равновесия, траектория космического корабля отклонится от точки L 1 . Вся система находится в движении, поэтому космический корабль на самом деле не столкнется с Луной, а будет двигаться по извилистой траектории в космос. Однако вокруг каждой из этих точек существует полустабильная орбита, называемая гало-орбитой . Орбиты двух точек, L 4 и L 5 , стабильны, но гало-орбиты от L 1 до L 3 стабильны только порядка месяцев .
В дополнение к орбитам вокруг точек Лагранжа богатая динамика, возникающая в результате гравитационного притяжения более чем одной массы, дает интересные траектории, также известные как передача низкой энергии . [4] Например , гравитационная среда системы Солнце-Земля-Луна позволяет космическим кораблям преодолевать большие расстояния с очень небольшим количеством топлива, хотя и по зачастую окольному маршруту.
Запущенный в 1978 году космический корабль ISEE-3 был отправлен на орбиту вокруг одной из точек Лагранжа. [14] Космический корабль смог маневрировать вокруг Земли, используя мало топлива, используя уникальную гравитационную среду. После завершения основной миссии ISEE-3 приступил к выполнению других задач, включая полет через геомагнитный хвост и пролет кометы. Впоследствии миссия была переименована в Международный исследователь комет (ICE).
Первой передачей низкой энергии с использованием того, что позже будет названо ITN, было спасение японской лунной миссии Хитен в 1991 году . [15]
Другим примером использования ITN была миссия НАСА « Генезис» в 2001–2003 годах , которая вращалась вокруг точки L 1 Солнце-Земля более двух лет, собирая материал, прежде чем была перенаправлена в точку Лагранжа L 2 и, наконец, перенаправлена оттуда обратно. на Землю. [1]
SMART-1 Европейского космического агентства 2003–2006 годов использовал еще одну передачу низкой энергии от ITN. [ нужна цитата ]
В более свежем примере китайский космический корабль «Чанъэ-2» использовал ITN для перемещения с лунной орбиты к точке L2 Земля-Солнце , а затем пролетел мимо астероида 4179 Тутатис . [ нужна цитата ]
Говорят, что путь астероида 39P/Отерма от внешней стороны орбиты Юпитера внутрь и обратно наружу следует по этим низкоэнергетическим путям. [1]