Rețeaua de transport interplanetar

Rețeaua  de transport interplanetar ( ITN , Interplanetary Superhighway) [1]  este un sistem de orbite complexe definite gravitațional în sistemul solar care necesită o cantitate mică de combustibil. ITN utilizează punctele Lagrange ca puncte în care sunt posibile tranziții cu costuri reduse între diferite orbite din spațiul cosmic . În ciuda faptului că ITN permite zboruri interplanetare cu costuri reduse de energie, durata zborurilor este de zeci și sute de ori mai mare decât cea a zborurilor clasice pe orbitele Hohmann și sunt inacceptabile pentru astronautica cu echipaj.

În sistemul solar, există în principal orbite low-cost între Jupiter, Saturn, Uranus și Neptun, precum și între sateliții acestora [2] .

Istorie

Cheia apariției ideii ITN a fost studiul traiectoriilor în apropierea punctelor Lagrange. Primul astfel de studiu a fost lucrarea lui Henri Poincaré în anii 1890. El a observat că căile către și dinspre aceste puncte aproape întotdeauna se transformă în orbite în jurul punctelor de ceva timp. [3] De fapt, există un număr infinit de traiectorii care trec printr-un punct, astfel încât tranziția dintre ele nu necesită energie. Dacă sunt desenate, ele formează un tub, unul dintre capetele căruia se termină cu o orbită în punctul Lagrange. Acest fapt a fost stabilit de Charles C. Conley și Richard P. McGehee în anii 1960. [4] Lucrări teoretice ale lui Edward Belbrano( Jet Propulsion Laboratory ) în 1994 [5] a elaborat detaliile unor traiectorii de transfer similare cu costuri reduse între Pământ și Lună. În 1991, Hiten , prima sondă lunară din Japonia, a folosit o astfel de traiectorie pentru a zbura pe Lună. În acest caz, reziduul de combustibil disponibil nu ar permite atingerea orbitei Lunii folosind orbite de transfer clasice. Din 1997 , Martin Lo , Shane D. Ross și alții au scris o serie de lucrări despre fundamentele matematice ale ITN și au aplicat tehnica la dezvoltarea rutei navei spațiale Genesis (zburând pe orbită în jurul punctului L1 al sistemului Soare-Pământ cu o întoarcere pe Pământ), precum și pentru misiunile lunare și Jupiter. Ei au numit sistemul de rute Interplanetary Superhighway (IPS, Interplanetary Superhighway) [6] [7]

S-a dovedit că o tranziție simplă între o traiectorie care duce la un punct și o traiectorie care duce de la punctul Lagrange este posibilă. Acest lucru se întâmplă deoarece orbita din jurul punctului Lagrange este instabilă și orice corp trebuie să părăsească o astfel de orbită mai devreme sau mai târziu. Atunci când faceți calcule precise, este posibil să efectuați o corecție și să alegeți una dintre numeroasele căi care emană din punctul Lagrange. Multe dintre aceste căi duc către alte planete sau lunile lor. [8] Aceasta înseamnă că după atingerea punctului L2 al sistemului Pământ-Soare, situat aproape de planetă, este posibil să zburați într-un număr semnificativ de locuri cu costuri suplimentare de combustibil puțin sau deloc.

Astfel de traiectorii de tranziție au o energie atât de scăzută încât ating majoritatea punctelor sistemului solar. Dar, în același timp, toate aceste orbite de transfer sunt extrem de lungi și sunt disponibile doar pentru stațiile interplanetare automate , dar nu și pentru expedițiile cu echipaj.

Zborurile ITN au fost deja folosite pentru a ajunge în punctul L1 al sistemului Soare-Pământ, util pentru observarea Soarelui, inclusiv în misiunea Genesis [9] . Observatorul SOHO funcționează în L1 din 1996. Rețeaua a ajutat, de asemenea, la o mai bună înțelegere a dinamicii sistemului solar; [10] [11] De exemplu, Cometa Shoemaker-Levy 9 a urmat această cale înainte de a lovi Jupiter în 1994 [12] [13] .

Explicație

Pe lângă orbitele din jurul punctelor Lagrange, dinamica bogată emerge din interacțiunile gravitaționale cu mai mult de un corp mare, în așa-numitele traiectorii de tranziție cu costuri reduse [4] . De exemplu, câmpurile gravitaționale ale sistemului Soare-Pământ-Lună fac posibilă trimiterea navelor spațiale pe distanțe lungi cu un consum redus de combustibil. În 1978, sonda spațială ISEE-3 a fost lansată într-unul dintre punctele Lagrange [14] . Unele dintre manevrele sale au fost efectuate cu un consum redus de combustibil. După finalizarea misiunii principale, ISEE-3 a făcut survolări prin coada geomagnetică , iar apoi un zbor în apropierea cometei. Misiunea a fost redenumită International Cometary Explorer (ICE).

În 2000, Martin Lo, Kathleen Howell și alți oameni de știință JPL, folosind modele matematice de la Universitatea Purdue, au creat programul LTool [15] [16] , care simplifică calculul traiectoriilor care trec în apropierea punctelor Lagrange, inclusiv traiectorii de la ITN . Comparativ cu metodele anterioare, calculul traiectoriei poate dura de până la 50 de ori mai puțin timp. Această dezvoltare a fost nominalizată pentru Discover Innovation Award. [17] [18]

Prima utilizare a traiectoriei de tranziție low-cost a rețelei ITN a fost făcută de 19][1991.înHitensonda lunară japoneză manevre corective în tot timpul . Programul ESA SMART-1 2003-2006 a folosit și o traiectorie de transfer cu costuri reduse din rețeaua ITN.

ITN se bazează pe o serie de traiectorii orbitale prezise de teoria haosului și problema limitată a trei corpuri gravitatoare care trec prin orbite instabile în jurul punctelor Lagrange - puncte în care forțele gravitaționale de la mai multe obiecte ale corpului anulează forța centrifugă a corpurilor. Pentru oricare două obiecte în care unul dintre ele se află pe orbită în jurul celuilalt, de exemplu, în cazul perechilor stea/planetă, planetă/lună, există trei astfel de puncte, notate L1, L2, L3. Pentru sistemul Pământ-Lună, punctul L1 este situat pe linia dintre Pământ și Lună. Pentru două obiecte al căror raport de masă depășește 24,96, există două puncte mai stabile: L4 și L5. Orbitele care leagă aceste cinci puncte au cerințe delta-v scăzute și par a fi cele mai economice orbite de transfer, inclusiv mai economice decât Hohmann și orbitele de transfer bi - eliptice utilizate adesea pentru navigația orbitală.

În ciuda compensării forțelor în aceste puncte, orbitele de la L1, L2 și L3 nu sunt stabile ( echilibru instabil ). Dacă o navă spațială situată în punctul L1 al sistemului Pământ-Lună primește un mic impuls către Lună, atunci atracția de pe Lună devine mai mare și nava spațială este scoasă din punctul L1. Deoarece toate corpurile implicate sunt în mișcare, nava nu se va ciocni imediat cu Luna, ci va merge pe o traiectorie sinuoasă în spațiul cosmic. Cu toate acestea, există orbite semi-stabile în jurul punctelor Lagrange L1, L2, L3 cu o durată de existență pasivă de câteva luni. Orbitele în jurul punctelor L4 și L5 sunt stabile.

Exemple

Zborul de la 200 km LEO a orbitei de parcare a Pământului la o orbită halo în apropierea punctelor Lagrange L1 sau L2 Soare-Pământ (SW) necesită aproximativ 3200 m/s și durează aproximativ 3 luni. Costul menținerii unei orbite halo în punctele NW L1 sau NW L2 este estimat la cel mult 5 m/s pentru fiecare an. [douăzeci]

Zborul dintre punctul L1 al sistemului Pământ-Lună (EL) și L2 NW sau înapoi poate fi efectuat prin canalele ITN Soare-Pământ-Lună folosind o manevră deterministă de 14 m/s în aproximativ 20 de zile. [douăzeci]

Punctul ZL L1 poate fi atins de pe o orbită terestră de parcare de 200 km în 3150 m/s și 7 zile. (Dacă o măriți , zborul poate fi accelerat). Menținerea stației în zona L1 necesită corecții săptămânale cu un buget total de 10 m/s pe an. [douăzeci]

Orbitele ITN conectează Jupiter, Saturn, Uranus și Neptun (mai precis, punctele Lagrange L1 și L2 ale sistemelor planetă-Soare). [21] [22] [23]

Vezi și

Note

  1. ↑ Ross, SD  Rețeaua de transport interplanetar  // Om de știință american :revistă. - 2006. - Vol. 94 . - P. 230-237 . doi : 10.1511 / 2006.59.994 .
  2. ↑ Stuart, 2018 , p. 242.
  3. ↑ Marsden, JE; Ross, SD Noi metode în mecanica cerească și proiectarea misiunii   // Bull . amer. Matematică. soc.  : jurnal. - 2006. - Vol. 43 . - P. 43-73 . - doi : 10.1090/S0273-0979-05-01085-2 .
  4. ↑ 1 2 Conley, CC Orbite de tranzit de energie scăzută în problema restricționată a trei corpuri  // SIAM  Journal on Applied Mathematics : jurnal. - 1968. - Vol. 16 . - P. 732-746 . — .
  5. ↑ Belbruno, E. 1994. The Dynamical Mechanism of Ballistic Lunar Capture Transfers in the Four-Body Problem from the Perspective of Invariant Manifolds and Hill's Regions  (link inaccesibil)
  6. ↑ Lo, Martin W. și Ross, Shane D. 2001. The Lunar L1 Gateway: Portal to the Stars and Beyond Arhivat la 15 ianuarie 2013 la Wayback Machine , AIAA Space 2001 Conference, Albequerque, New Mexico .
  7. ↑ Igor Afanasiev, Dmitri Vorontsov. Act de echilibru interplanetar  // Titlul „Planetarium” : Revista „ În jurul lumii ”. - 2008. - Nr 8 (2815) .
  8. ↑ Ross, SD, WS Koon, MW Lo și JE Marsden. 2003. Design of a Multi-Moon Orbiter Arhivat din original pe 8 ianuarie 2007. . A 13- a întâlnire a mecanicilor de zbor spațial AAS/AIAA , Ponce, Puerto Rico . hârtie nr. AAS 03-143.
  9. ↑ Lo, M.W., et al. 2001. Genesis Mission Design, The Journal of the Astronautical Sciences 49:169-184.
  10. ↑ Belbruno, E. și BG Marsden . 1997. Resonance Hopping in Cometes . The Astronomical Journal 113:1433-1444
  11. ↑ WS Koon, MW Lo, JE Marsden și SD Ross. 2000. Legături heteroclinice între orbitele periodice și tranzițiile de rezonanță în mecanica cerească . Haos 10:427-469
  12. ^ Smith, DL 2002. Următoarea ieșire 0,5 milioane de kilometri Arhivat la 29 martie 2003 la Wayback Machine . Inginerie și știință LXV(4):6-15
  13. ↑ Ross, SD 2003. Teoria statistică a tranziției interior-exterior și a probabilităților de coliziune pentru corpurile minore din sistemul solar Arhivat din original pe 8 ianuarie 2007. , Libration Point Orbits and Applications (Eds. G Gomez, MW Lo și JJ Masdemont), World Scientific , pp. 637-652.
  14. ↑ Farquhar, RW; Muhonen, D.P.; Newman, C.; Heuberger, H. Trajectorii și manevre orbitale pentru primul satelit de punct de librare  (engleză)  // Journal of Guidance and Control : jurnal. - 1980. - Vol. 3 . - P. 549-554 .
  15. ↑ Martin W. Lo și Roby S. Wilson Pachetul LTool  (link în jos)
  16. ↑ Martin Lo, LTool Version 1.0G memorandum de livrare // JPL TRS 1992+, 29-sept-2000
  17. ↑ Pilotul interplanetar își așteaptă navigatorii Copia de arhivă din 12 aprilie 2012 la Wayback Machine , Evgeny Matusevich, Membrana.ru 22 iulie 2002
  18. ↑ SUPERHIGHWAY INTERPLANETARY MAKES SPACE SIMPLE SIMPLE Arhivat 7 aprilie 2013 la Wayback Machine , NASA 17 iulie 2002
  19. ↑ Belbruno, E. Capture Dynamics and Chaotic Motions in Celestial Mechanics: With the Construction of Low Energy Transfers  . — Princeton University Press , 2004. — ISBN 9780691094809 . Copie arhivată (link indisponibil) . Data accesului: 22 decembrie 2012. Arhivat din original pe 2 decembrie 2014. 
  20. ↑ 1 2 3 Martin Lo, Shane Ross, The Lunar L1 Gateway: Portal to the Stars and Beyond Arhivat 27 mai 2010 la Wayback Machine // NASA JPL, AIAA Space 2001 Conference, 28-30 august 2001; hdl:2014/40516
  21. ↑ Transferuri scăzute de energie în sistemul solar: Aplicații I , Martin Lo, 7/5/2004, Atelier de vară 2004 pe subiecte avansate în astrodinamică. Slide 29 „Manifolds Connect Solar System”
  22. ↑ Shane Ross, The Lunar L1 Gateway: Portal to the Planets 22 aprilie 2002, Slide 17 „Poincare Section of the InterPlanetary Superhighway (IPS)”
  23. ↑ The InterPlanetary Superhighway and the Origins Program Arhivat 15 ianuarie 2013 la Wayback Machine , Martin W. Lo, JPL - IEEE Aerospace Conference (Big Sky, MT, SUA) 0-7803-7231-X, 09 martie 2002, hdl :2014/8065 . Pagină 11 „Figura 11 Aceasta este o secțiune Poincaré a IPS în sistemul solar exterior.”

Literatură

Link -uri

 Orbite