Межпланетная транспортная сеть - Interplanetary Transport Network

Не путать с Межпланетная сеть или Межпланетная транспортная система.
Это стилизованное изображение ITN призвано показать его (часто запутанный) путь через Солнечная система. Зеленая лента представляет собой один путь из многих, которые математически возможны по поверхности более темной зеленой ограничительной трубки. Места, где лента резко меняет направление, представляют траектория изменения в Точки Лагранжа, а ограниченные области представляют собой места, где объекты задерживаются во временном орбита около точки, прежде чем продолжить.

В Межпланетная транспортная сеть (ITN)[1] это собрание гравитационно определенные пути через Солнечная система это требует очень мало энергия для объекта, которому нужно следовать. ИНН в особенности использует Точки Лагранжа как места, где траектории через Космос может быть перенаправлен с минимальным потреблением энергии или без нее. Эти точки обладают особенным свойством позволять объектам орбита вокруг них, несмотря на отсутствие объекта на орбите. Хотя это потребует мало энергии, транспортировка по сети займет много времени.[2]

История

Орбиты межпланетных переходов - это решение гравитационного проблема трех тел, которая в общем случае не имеет аналитических решений и решается числовой анализ приближения. Однако существует небольшое количество точных решений, в первую очередь пять орбит, называемых "Точки Лагранжа ", которые являются орбитальными решениями для круговых орбит в случае, когда одно тело значительно массивнее.

Ключом к открытию межпланетной транспортной сети было исследование природы извилистых путей вблизи точек Лагранжа Земля-Солнце и Земля-Луна. Впервые они были исследованы Жюль-Анри Пуанкаре в 1890-х гг. Он заметил, что пути, ведущие в любую из этих точек и из них, почти всегда на какое-то время устанавливались на орбите вокруг этой точки.[3] На самом деле есть бесконечный количество путей, ведущих к точке и от нее, и все они требуют почти нулевого изменения энергии для достижения. При нанесении на график они образуют трубу с орбитой вокруг точки Лагранжа на одном конце.

Происхождение этих путей восходит к математикам. Чарльз С. Конли и Ричард П. МакГихи в 1968 г.[4] Hiten Первый лунный зонд в Японии, был выведен на лунную орбиту с использованием аналогичного понимания природы путей между земной шар и Луна. Начиная с 1997 г. Мартин Ло, Шейн Д. Росс, и другие написали серию статей, определяющих математическую основу, которая применила эту технику к Возврат образца солнечного ветра Genesis, и к лунному и Джовиан миссии. Они назвали его Межпланетной супермагистралью (IPS).[5]

Пути

Как оказалось, очень легко перейти от пути, ведущего к точке, к пути, ведущему обратно. Это имеет смысл, поскольку орбита нестабильна, что означает, что человек в конечном итоге окажется на одном из исходящих путей, не тратя вообще энергии. Эдвард Белбруно ввел термин «граница слабой устойчивости»[6] или "нечеткая граница"[7] для этого эффекта.

При тщательном расчете можно подобрать который исходящий путь каждый хочет. Это оказалось полезным, поскольку многие из этих путей ведут к некоторым интересным точкам в космосе, таким как Луна Земли или между Галилеевы луны из Юпитер.[8] В результате, цена достижения Земли -солнце L2 точка, имеющая довольно низкую энергетическую ценность, можно добраться до ряда очень интересных точек за небольшую дополнительную плату или без нее. топливо Стоимость. Но путешествие с Земли на Марс или в другие отдаленные места, вероятно, займет тысячи лет.

Передачи настолько низкоэнергетичны, что позволяют путешествовать практически в любую точку Солнечной системы.[нужна цитата ] С другой стороны, эти переводы очень медленные. Для путешествий с Земли на другие планеты они бесполезны для пилотируемых или беспилотных зондов, так как путешествие заняло бы многие поколения. Тем не менее, они уже использовались для переброски космических аппаратов на Землю – Солнце. L1 точка, полезная точка для изучения Солнца, которая использовалась в ряде недавних миссий, включая Миссия Бытия, первый, кто вернулся Солнечный ветер образцы на Землю.[9] Сеть также важна для понимания динамики Солнечной системы;[10][11] Комета Шумейкера – Леви 9 следовал по такой траектории при столкновении с Юпитером.[12][13]

Дальнейшее объяснение

ITN основан на серии орбитальных траекторий, предсказанных теория хаоса и ограниченная задача трех тел ведущих к и от орбит вокруг точек Лагранжа - точек в пространстве, где сила тяжести между различными телами уравновешивается центробежной силой объекта. Для любых двух тел, в которых одно тело вращается вокруг другого, таких как система звезда / планета или планета / луна, есть пять таких точек, обозначенных L1 через L5. Например, Земля – Луна L1 точка лежит на линии между ними, где гравитационные силы между ними точно уравновешиваются с центробежной силой объекта, находящегося на этой орбите. Эти пять баллов имеют особенно низкую дельта-v требования, и, по-видимому, обеспечивают передачу с наименьшей энергией, даже ниже, чем обычно Переходная орбита Хомана который доминирует в орбитальной навигации с начала космических путешествий.

Хотя силы уравновешиваются в этих точках, первые три точки (те, что находятся на линии между определенной большой массой, например, звезда, и меньшая орбитальная масса, например а планета ) не стабильны равновесие точки. Если космический корабль размещены на Земле-Луне L1 даже при небольшом отклонении от точки равновесия, траектория космического корабля отклонится от L1 точка. Вся система находится в движении, поэтому космический корабль на самом деле не столкнется с Луной, а будет двигаться по извилистой траектории в космос. Однако существует полустабильная орбита вокруг каждой из этих точек, называемая гало орбита. Орбиты для двух точек, L4 и L5, стабильны, но гало-орбиты для L1 через L3 стабильны только на порядок месяцы.

В дополнение к орбитам вокруг точек Лагранжа богатая динамика, возникающая из-за гравитационного притяжения более чем одной массы, дает интересные траектории, также известные как низкая передача энергии.[4] Например, гравитационная среда системы Солнце-Земля-Луна позволяет космическим кораблям преодолевать большие расстояния при очень небольшом количестве топлива,[нужна цитата ] хотя и часто окольным путем.

Миссии

Запущенный в 1978 году, ISEE-3 космический корабль был отправлен на орбиту вокруг одной из точек Лагранжа.[14] Космический корабль смог маневрировать вокруг Земли, используя мало топлива, благодаря уникальным сила тяжести Окружающая среда. 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 кометы (ДВС).

Первая передача малой энергии с использованием того, что позже будет называться ITN, была спасением Япония с Hiten Лунная миссия 1991 г.[15]

Еще одним примером использования ИНН был НАСА 2001–2003 гг. Миссия Бытия, который вращался вокруг Солнца и Земли L1 точка более двух лет собирала материалы, а затем была перенаправлена ​​на L2 Точка Лагранжа и, наконец, перенаправлен оттуда обратно на Землю.[1]

2003–2006 гг. СМАРТ-1 из Европейское космическое агентство использовали другой низкоэнергетический переход от ITN.[нужна цитата ]

В более свежем примере Китайский космический корабль Чанъэ 2 использовал ITN для путешествия с лунной орбиты на Землю-Солнце L2 точка, затем лететь мимо астероида 4179 Toutatis.[нужна цитата ]

Астероиды

Астероид 39P / Oterma Путь от внешней орбиты Юпитера внутрь и обратно наружу, как говорят, использует эти пути с низкой энергией.[1]

Смотрите также

Источники и примечания

  1. ^ а б c Росс, С. Д. (2006). «Межпланетная транспортная сеть» (PDF). Американский ученый. 94 (3): 230–237. Дои:10.1511/2006.59.994.
  2. ^ Межпланетная супермагистраль; Шейн Росс; Virginia Tech.
  3. ^ Marsden, J. E .; Росс, С. Д. (2006). «Новые методы в небесной механике и проектировании миссий». Бык. Амер. Математика. Soc. 43: 43–73. Дои:10.1090 / S0273-0979-05-01085-2.
  4. ^ а б Конли, К. С. (1968). «Низкоэнергетические транзитные орбиты в ограниченной задаче трех тел». Журнал SIAM по прикладной математике. 16 (4): 732–746. Bibcode:1968SIAMJ..16..732C. Дои:10.1137/0116060. JSTOR  2099124.
  5. ^ Ло, Мартин В. и Росс, Шейн Д. (2001) Lunar L1 Gateway: портал к звездам и не только, Конференция AIAA Space 2001, Альбукерке, Нью-Мексико.
  6. ^ Эдвард А. Бельбруно; Джон П. Каррико (2000). «Расчет граничных баллистических траекторий слабой устойчивости к Луне» (PDF). Конференция специалистов по астродинамике AIAA / AAS.
  7. ^ Фрэнк, Адам (сентябрь 1994). "Обод гравитации". Обнаружить. Получено 29 августа 2017.
  8. ^ Росс, С.Д., В.С. Кун, М. В. Ло и Дж. Э. Марсден (2003) Дизайн многоолунного орбитального аппарата В архиве 2007-01-08 на Wayback Machine. 13-е совещание AAS / AIAA по механикам космического полета, Понсе, Пуэрто-Рико, Документ № AAS 03–143.
  9. ^ Lo, M. W., et al. 2001. Дизайн миссии Genesis, Журнал астронавтических наук 49:169–184.
  10. ^ Бельбруно, Э., Б.Г. Марсден. 1997 г. Резонансные прыжки в кометах. Астрономический журнал 113:1433–1444
  11. ^ Кун, Ван Санг; Ло, Мартин В .; Марсден, Джеррольд Э .; Росс, Шейн Д. (2000). «Гетероклинические связи между периодическими орбитами и резонансными переходами в небесной механике» (PDF). Хаос: междисциплинарный журнал нелинейной науки. 10 (2): 427–469. Bibcode:2000 Хаос..10..427K. Дои:10.1063/1.166509. PMID  12779398.
  12. ^ Смит, Д. Л. 2002. Следующий выход 0,5 миллиона километров. Инженерное дело и наука LXV (4): 6–15
  13. ^ Росс, С. Д. 2003. Статистическая теория перехода изнутри во внешнее и вероятностей столкновений малых тел Солнечной системы В архиве 2007-01-08 на Wayback Machine, Орбиты точек либрации и их приложения (ред. Г. Гомеса, М. В. Ло и Дж. Дж. Масдемонта), Всемирный научный С. 637–652.
  14. ^ Farquhar, R.W .; Muhonen, D. P .; Newman, C .; Хойбергер, Х. (1980). "Траектории и орбитальные маневры первого спутника" точка освобождения ". Журнал руководства и контроля. 3 (6): 549–554. Bibcode:1980JGCD .... 3..549F. Дои:10.2514/3.56034.
  15. ^ Бельбруно, Э. (2004). Захват динамики и хаотических движений в небесной механике: с использованием низкоэнергетических передач. Princeton University Press. ISBN  9780691094809. Архивировано из оригинал на 2014-12-02. Получено 2006-09-25.

внешняя ссылка