Русская Википедия:Межпланетная транспортная сеть

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Файл:Interplanetary Superhighway.jpg
Стилизованное изображение межпланетной транспортной сети. Зелёная полоса — один из множества возможных путей, расположенных на поверхности светло-зеленой трубы. Места, где зелёная полоса резко меняет траекторию — точки Лагранжа

Межпланетная транспортная сеть (Шаблон:Lang-en, Межпланетный Суперхайвей)[1] — система гравитационно определённых сложных орбит в Солнечной системе, которые требуют небольшого количества топлива. ITN использует точки Лагранжа в качестве точек, в которых возможны низкозатратные переходы между различными орбитами в космическом пространстве. Несмотря на то, что ITN позволяет совершать межпланетные перелеты с небольшими затратами энергии, длительность полетов в десятки и сотни раз больше, чем у классических перелетов по гомановским орбитам, и неприемлемы для пилотируемой космонавтики.

В Солнечной системе в основном существуют низкозатратные орбиты между Юпитером, Сатурном, Ураном и Нептуном, а также между их спутникамиШаблон:Sfn.

История

Ключевым в появлении идеи ITN были исследования траекторий вблизи точек Лагранжа. Первым таким исследованием была работа Анри Пуанкаре в 1890-х. Он заметил, что пути к этим точкам и от них почти всегда на некоторое время превращаются в орбиты вокруг точек.[2] Фактически, существует бесконечное количество траекторий, проходящих через точку, таких, что переход между ними не требует энергии. Если их нарисовать, то они образуют трубу, один из концов которой завершается орбитой у точки Лагранжа. Этот факт был установлен Charles C. Conley и Richard P. McGehee в 1960-х.[3] Теоретические работы Шаблон:Нп3 (Jet Propulsion Laboratory) в 1994[4] проработали детали подобных низкозатратных переходных траекторий между Землей и Луной. В 1991 году, Hiten, первый японский лунный зонд, воспользовался такой траекторией для перелета к Луне. При этом имевшийся остаток топлива не позволял бы достигнуть орбиты Луны по классическим переходным орбитам. Начиная с 1997 Martin Lo, Shane D. Ross и другие написали серию статей о математических основах ITN и применили технику к разработке маршрута КА Genesis (полет на орбиту вокруг точки L1 системы Солнце-Земля с возвратом на Землю), а также для лунных и Юпитерианских миссий. Они назвали систему маршрутов Шаблон:Lang-en2 (IPS, Межпланетный Суперхайвей)[5][6]

Оказалось, что возможен простой переход между траекторией, ведущей к точке, и траекторией, ведущей от точки Лагранжа. Это происходит, так как орбита вокруг точки Лагранжа является нестабильной и любое тело рано или поздно должно сойти с такой орбиты. При проведении точных расчетов возможно проведение коррекции и выбор одного из многих путей, исходящих из точки Лагранжа. Многие из таких путей ведут к другим планетам или их лунам.[7] Это означает, что после достижения точки L2 системы Земля-Солнце, расположенной недалеко от планеты, возможен перелет к значительному количеству мест с небольшими дополнительными затратами топлива, либо вообще без них.

Такие переходные траектории являются настолько низкоэнергетическими, что позволяют достигнуть большинства точек в Солнечной системе. Но в то же время, все эти перелетные орбиты являются чрезвычайно долгими и доступны только для автоматических межпланетных станций, но не для пилотируемых экспедиций.

Полёты по ITN уже использовались для достижения космическими аппаратами точки L1 системы Солнце-Земля, полезной для наблюдения за Солнцем, в том числе в миссии Genesis[8]. Обсерватория SOHO действует в L1 c 1996 года. Сеть также помогла лучше понять динамику Солнечной системы;[9][10] например комета Шумейкеров — Леви 9 летела по такой траектории до столкновения с Юпитером в 1994 году[11][12].

Объяснение

В дополнение к орбитам вокруг точек Лагранжа, богатая динамика возникает от гравитационного взаимодействия более чем с одним крупным телом, в так называемых низкозатратных переходных траекториях[3]. Например, гравитационные поля системы Солнце-Земля-Луна позволяют посылать космические аппараты на большие расстояния с небольшими затратами топлива. В 1978 году был запущен КА ISEE-3 к одной из точек Лагранжа[13]. Часть его манёвров была произведена с небольшими затратами топлива. После завершения основной миссии, ISEE-3 произвёл пролёты через геомагнитный хвост, а затем пролёт рядом с кометой. Миссия была переименована в International Cometary Explorer (ICE).

В 2000 году Мартином Ло (Martin Lo), Kathleen Howell и другими учеными JPL, с использованием математических моделей университета Purdue, была создана программа LTool[14][15], упрощающая расчеты траекторий, проходящих вблизи точек Лагранжа, в том числе траекторий из ITN. По сравнению с предыдущими методиками, на расчет траектории может уходить в 50 раз меньше времени. Эта разработка была номинирована на премию Discover Innovation Award.[16][17]

Файл:Genesis Mission Trajectory and Flight Plan.jpg
Траектория миссии Genesis, 2001—2003.

Первое использование низкозатратной переходной траектории сети ITN было произведено японским лунным зондом Hiten в 1991.[18] Другой пример использования ITN — миссия NASA 2001—2003 годов Genesis, в которой космический аппарат более двух лет собирал материалы около точки L1 системы Солнце-Земля, затем посетил точку L2 и был возвращен на Землю, используя за все время лишь небольшие корректирующие маневры. Программа 2003—2006 годов ЕКА SMART-1 также использовала низкозатратную переходную траекторию из сети ITN.

ITN основана на серии орбитальных траекторий, предсказанных теорией хаоса и ограниченной проблемой трёх гравитирующих тел, проходящих через нестабильные орбиты вокруг точек Лагранжа — точек, в которых гравитационные силы от нескольких объектов тел компенсируют центробежную силу тел. Для любых двух объектов, в которых один из них находится на орбите вокруг другого, например в случае пар звезда/планета, планета/луна, существует три такие точки, обозначаемые L1, L2, L3. Для системы Земля-Луна точка L1 расположена на линии между Землей и Луной. Для двух объектов, соотношение масс которых превышает 24.96, существует ещё две стабильные точки: L4 и L5. Орбиты, соединяющие эти пять точек, имеют низкие требования к delta-v и, похоже, являются наиболее экономными переходными орбитами, в том числе более экономными, чем часто применяемые для орбитальной навигации переходные гомановские и биэллиптические орбиты.

Несмотря на компенсацию сил в этих точках, орбиты в L1, L2 и L3 не являются стабильными (неустойчивое равновесие). Если космический аппарат, находящийся в L1 точке системы Земля-Луна, получает небольшой импульс по направлению к Луне, то притяжение со стороны Луны становится больше и космический аппарат вытягивается из точки L1. Поскольку все участвующие тела находятся в движении, аппарат не столкнется сразу же с Луной, но перейдет на извилистую траекторию, уходящую в космическое пространство. Однако, существуют полустабильные орбиты вокруг точек Лагранжа L1, L2, L3 с длительностью пассивного существования в несколько месяцев. Орбиты вокруг точек L4 и L5 стабильны.

Примеры

Файл:Lagrange Earth Moon Sun.svg
Схематичное изображение точек Лагранжа системы Земля-Луна и точек L1 и L2 системы Солнце-Земля. Точки L1 и L2 связаны ITN; но до точек L3, L4, L5 нет низкозатратных орбит

Перелет с 200 км LEO парковочной орбиты Земли до гало-орбиты около точек Лагранжа Солнце-Земля (СЗ) L1 или L2 требует <math>\Delta{v} </math> около 3200 м/с и занимает около 3 месяцев. Затраты на поддержание гало-орбиты у точек СЗ L1 или СЗ L2 оцениваются не более чем в 5 м/с за каждый год.[19]

Перелет между точкой L1 системы Земля-Луна (ЗЛ) и СЗ L2 или обратно может быть осуществлен по каналам ITN Солнце-Земля-Луна с помощью одного детерминистического манёвра в 14 м/с за время около 20 суток.[19]

Точка ЗЛ L1 может быть достигнута с парковочной земной орбиты в 200 км за <math> \Delta{v} </math> в 3150 м/с и 7 дней. (При увеличении <math> \Delta{v} </math> возможно ускорение перелета). Удержание станции в ЗЛ L1 требует еженедельных коррекций с общим бюджетом в 10 м/с в год.[19]

Орбитами ITN соединены Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун (точнее точки Лагранжа L1 и L2 систем планета-Солнце).[20][21][22]

См. также

Примечания

Шаблон:Примечания

Литература

Шаблон:Refbegin

Шаблон:Refend

Ссылки

Шаблон:ВС Шаблон:Орбиты Шаблон:Небесная механика

Партнерские ресурсы
Криптовалюты
Магазины
Хостинг
Разное

  1. ↑ Шаблон:Статья
  2. ↑ Шаблон:Статья
  3. ↑ 3,0 3,1 Шаблон:Статья
  4. ↑ 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 RegionsШаблон:Недоступная ссылка
  5. ↑ Lo, Martin W. and Ross, Shane D. 2001. The Lunar L1 Gateway: Portal to the Stars and Beyond Шаблон:Wayback, AIAA Space 2001 Conference, Albequerque, New Mexico.
  6. ↑ Шаблон:Статья
  7. ↑ Ross, S.D., W.S. Koon, M.W. Lo and J.E. Marsden. 2003. Design of a Multi-Moon Orbiter Шаблон:Webarchive. 13th AAS/AIAA Space Flight Mechanics Meeting, Ponce, Puerto Rico. Paper No. AAS 03-143.
  8. ↑ Lo, M. W., et al. 2001. Genesis Mission Design, The Journal of the Astronautical Sciences 49:169-184.
  9. ↑ Belbruno, E., and B.G. Marsden. 1997. Resonance Hopping in Comets. The Astronomical Journal 113:1433-1444
  10. ↑ W.S. Koon, M.W. Lo, J.E. Marsden, and S.D. Ross. 2000. Heteroclinic connections between periodic orbits and resonance transitions in celestial mechanics. Chaos 10:427-469
  11. ↑ Smith, D. L. 2002. Next Exit 0.5 Million Kilometers Шаблон:Wayback. Engineering and Science LXV(4):6-15
  12. ↑ Ross, S. D. 2003. Statistical theory of interior-exterior transition and collision probabilities for minor bodies in the solar system Шаблон:Webarchive, Libration Point Orbits and Applications (Eds. G Gomez, M.W. Lo and J.J. Masdemont), World Scientific, pp. 637—652.
  13. ↑ Шаблон:Статья
  14. ↑ Martin W. Lo and Roby S. Wilson The The LTool PackageШаблон:Недоступная ссылка
  15. ↑ Martin Lo, LTool Version 1.0G delivery memorandum // JPL TRS 1992+, 29-Sep-2000
  16. ↑ Межпланетная лоция ждёт своих штурманов Шаблон:Wayback, Евгений Матусевич, Мембрана.ру 22 июля 2002
  17. ↑ INTERPLANETARY SUPERHIGHWAY MAKES SPACE TRAVEL SIMPLER Шаблон:Wayback, NASA July 17, 2002
  18. ↑ Шаблон:Книга Шаблон:Cite web
  19. ↑ 19,0 19,1 19,2 Martin Lo, Shane Ross, The Lunar L1 Gateway: Portal to the Stars and Beyond Шаблон:Wayback // NASA JPL, AIAA Space 2001 Conference, August 28-30, 2001; hdl:2014/40516
  20. ↑ Low Energy Transfers in the Solar System: Applications I, Martin Lo, 7/5/2004, 2004 Summer Workshop on Advanced Topics in Astrodynamics. Слайд 29 «Manifolds Connect Solar System»
  21. ↑ Shane Ross, The Lunar L1 Gateway: Portal to the Planets 22 April 2002, Слайд 17 «Poincare Section of the InterPlanetary Superhighway (IPS)»
  22. ↑ The InterPlanetary Superhighway and the Origins Program Шаблон:Wayback, Martin W. Lo, JPL — IEEE Aerospace Conference (Big Sky, MT, USA) 0-7803-7231-X, Mar 09, 2002, hdl:2014/8065. Стр. 11 «Figure 11 This is a Poincaré section of the IPS in the Outer Solar System.»
Источник — http://wikihandbk.com/ruwiki/index.php?title=Русская_Википедия:Межпланетная_транспортная_сеть&oldid=10362607