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, поскольку эти точки существуют, где гравитационные силы между двумя небесными телами равны. Хотя это потребует небольшого количества 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 число 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 стабильности » [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 передачу низкой энергии 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 . [ требуется ссылка ]
Говорят, что путь астероида 39P/Oterma от внешней стороны орбиты Юпитера к внутренней стороне и обратно к внешней стороне следует этим низкоэнергетическим траекториям. [1]