Межпланетная транспортная сеть

Межпланетная транспортная сеть ( ITN ) ^[1] представляет собой набор гравитационно определяемых путей через Солнечную систему которых объекту требуется очень мало энергии , для прохождения . 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: позволяют объектам вращаться вокруг них, несмотря на отсутствие объекта для вращения. ^{[ нужны дальнейшие объяснения ]}. Хотя для этого потребуется мало энергии, транспортировка по сети займет много времени. ^[2]

История

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 с помощью Genesis возвращению образцов солнечного ветра , а также к лунным и юпитерианским миссиям. Они назвали ее 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, а это означает, что в конечном итоге человек окажется на одном из исходящих путей, вообще не потратив энергии. Эдвард Белбруно ввёл термин « слабая граница устойчивости ». ^[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, 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 «Генезис» миссию , первой доставившую солнечного ветра на Землю образцы . . ^[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]

Дальнейшее объяснение

ITN основана на серии орбитальных путей, 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. . в которых одно тело вращается вокруг другого, например системы звезда/планета или планета/луна, существует пять таких точек, обозначаемых L1 _от до L5 _{Для любых двух тел ,} . 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 равновесия точками . Если космическому кораблю, Земля-Луна находящемуся в точке L ₁ , 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. ^{[ нужна ссылка ]} хотя и по зачастую окольному маршруту.

Миссии

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 Hiten в 1991 году. ^[15]

Другим примером использования ITN была НАСА «Генезис» в 2001–2003 годах миссия Солнце-Земля , которая вращалась вокруг точки L ₁ более двух лет, собирая материал, прежде чем была перенаправлена в точку Лагранжа L ₂ и, наконец, перенаправлена оттуда обратно. на Землю. ^[1]

2003–2006 годов SMART-1 Европейского космического агентства использовал еще одну передачу низкой энергии от ITN. ^{[ нужна ссылка ]}

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 ссылка ]}

Астероиды

Говорят, что путь астероида 39P/Отерма от внешней стороны орбиты Юпитера внутрь и обратно наружу следует по этим низкоэнергетическим путям. ^[1]

См. также

Гравитационная замочная скважина
Гравитационная помощь
Гало-орбита
Сфера холма
Подковообразная орбита
Межпланетный космический полет
Лунный циклер
Марсианский циклер
Орбитальная механика
Программа Гранд-тура , инициатива НАСА по использованию выравнивания планет за 175 лет, которая в конечном итоге станет программой «Вояджер».

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Росс, С.Д. (2006). «Межпланетная транспортная сеть» (PDF) . Американский учёный . 94 (3): 230–237. дои : 10.1511/2006.59.994 . Архивировано (PDF) из оригинала 20 октября 2013 г. Проверено 27 июня 2013 г.
^ «Межпланетная супермагистраль; Шейн Росс; Технологический институт Вирджинии» . Архивировано из оригинала 15 июня 2019 г. Проверено 30 декабря 2016 г.
^ Марсден, Дж. Э.; Росс, С.Д. (2006). «Новые методы небесной механики и проектирования миссий» . Бык. амер. Математика. Соц . 43 : 43–73. дои : 10.1090/S0273-0979-05-01085-2 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Конли, CC (1968). «Низкоэнергетические транзитные орбиты в ограниченной задаче трех тел». SIAM Journal по прикладной математике . 16 (4): 732–746. Бибкод : 1968SJAM...16..732C . дои : 10.1137/0116060 . JSTOR 2099124 .
^ Ло, Мартин В. и Росс, Шейн Д. (2001) Лунные врата L1: портал к звездам и за их пределы. Архивировано 15 января 2013 г. на Wayback Machine , конференция AIAA Space 2001, Альбукерке, Нью-Мексико.
^ Эдвард А. Белбруно; Джон П. Каррико (2000). «Расчет баллистических траекторий перемещения Луны с границей слабой устойчивости» (PDF) . Конференция специалистов по астродинамике AIAA/AAS. Архивировано (PDF) из оригинала 20 ноября 2008 г. Проверено 29 августа 2017 г.
^ Фрэнк, Адам (сентябрь 1994 г.). «Обод Гравитации» . Обнаружить . Архивировано из оригинала 22 октября 2019 года . Проверено 29 августа 2017 г.
^ Росс, С.Д., В.С. Кун, М.В. Ло и Дж. Э. Марсден (2003) Проект многолунного орбитального аппарата . Архивировано 8 января 2007 г. в Wayback Machine . 13-е совещание AAS/AIAA по механике космических полетов, Понсе, Пуэрто-Рико , документ № AAS 03–143.
^ Ло, MW и др. 2001. Проект миссии Genesis, Журнал астронавтических наук 49:169–184.
^ Бельбруно, Э. и Б.Г. Марсден. 1997. Резонансные прыжки в кометах . Астрономический журнал 113: 1433–1444.
^ Кун, Ван Сан; 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. Бибкод : 2000Хаос..10..427К . дои : 10.1063/1.166509 . ПМИД 12779398 . Архивировано (PDF) из оригинала 19 июля 2018 г. Проверено 23 сентября 2019 г.
^ Смит, Д.Л., 2002. Следующий выход: 0,5 миллиона километров. Архивировано 29 марта 2003 г. в Wayback Machine . Инженерное дело и наука LXV(4):6–15
^ Росс, С.Д. 2003. Статистическая теория внутреннего и внешнего перехода и вероятностей столкновений малых тел в Солнечной системе. Архивировано 8 января 2007 г. в Wayback Machine , Орбиты и приложения точки либрации (ред. Г. Гомес, М.В. Ло и Дж. Дж. Масдемонт). ), World Scientific , стр. 637–652.
^ Фаркуар, RW; Мухонен, ДП; Ньюман, К.; Хойбергер, Х. (1980). «Траектории и орбитальные маневры первого спутника точки либрации». Журнал руководства и контроля . 3 (6): 549–554. Бибкод : 1980JGCD....3..549F . дои : 10.2514/3.56034 .
^ Бельбруно, Э. (2004). Уловить динамику и хаотические движения в небесной механике: с помощью построения механизмов передачи низкой энергии . Издательство Принстонского университета . ISBN 9780691094809 . Архивировано из оригинала 2 декабря 2014 г. Проверено 25 сентября 2006 г.

Дальнейшее чтение

Динамические системы, задача трех тел и проектирование космических миссий. Архивировано 11 сентября 2018 г. в Wayback Machine , Ван Сан Кун, Мартин В. Ло , Джеррольд Э. Марсден , Шейн Д. Росс (книга доступна в формате PDF , архив 2018 г. ). -09-11 в Wayback Machine ). ISBN 978-0-615-24095-4
«Цилиндрические многообразия и динамика трубок в ограниченной задаче трех тел» - докторская диссертация Шейна Д. Росса.
«Межпланетная транспортная сеть». Архивировано 20 октября 2013 г. в Wayback Machine Шейном Д. Россом , американским ученым , май – июнь 2006 г. (подписка).
«Поездка в небесном метро» New Scientist , 27 марта 2006 г.
"Tube Route" Science , 18 ноября 2005 г.
«Навигация по небесным потокам» Science News , 18 апреля 2005 г. Архивировано 21 апреля 2005 г. в Wayback Machine.
Динамический механизм баллистических переносов лунного захвата в задаче четырех тел с точки зрения инвариантных многообразий и областей Хилла ^{[ постоянная мертвая ссылка ]} Эдвард Бельбруно

Внешние ссылки

[Ross-SA-2006-1] Перейти обратно: ^а ^б ^с Росс, С.Д. (2006). «Межпланетная транспортная сеть» (PDF) . Американский учёный . 94 (3): 230–237. дои : 10.1511/2006.59.994 . Архивировано (PDF) из оригинала 20 октября 2013 г. Проверено 27 июня 2013 г.

[2] «Межпланетная супермагистраль; Шейн Росс; Технологический институт Вирджинии» . Архивировано из оригинала 15 июня 2019 г. Проверено 30 декабря 2016 г.

[3] Марсден, Дж. Э.; Росс, С.Д. (2006). «Новые методы небесной механики и проектирования миссий» . Бык. амер. Математика. Соц . 43 : 43–73. дои : 10.1090/S0273-0979-05-01085-2 .

[Conley,_C._C_1968-4] Перейти обратно: ^а ^б Конли, CC (1968). «Низкоэнергетические транзитные орбиты в ограниченной задаче трех тел». SIAM Journal по прикладной математике . 16 (4): 732–746. Бибкод : 1968SJAM...16..732C . дои : 10.1137/0116060 . JSTOR 2099124 .

[5] Ло, Мартин В. и Росс, Шейн Д. (2001) Лунные врата L1: портал к звездам и за их пределы. Архивировано 15 января 2013 г. на Wayback Machine , конференция AIAA Space 2001, Альбукерке, Нью-Мексико.

[Belbruno2000-6] Эдвард А. Белбруно; Джон П. Каррико (2000). «Расчет баллистических траекторий перемещения Луны с границей слабой устойчивости» (PDF) . Конференция специалистов по астродинамике AIAA/AAS. Архивировано (PDF) из оригинала 20 ноября 2008 г. Проверено 29 августа 2017 г.

[Frank-7] Фрэнк, Адам (сентябрь 1994 г.). «Обод Гравитации» . Обнаружить . Архивировано из оригинала 22 октября 2019 года . Проверено 29 августа 2017 г.

[8] Росс, С.Д., В.С. Кун, М.В. Ло и Дж. Э. Марсден (2003) Проект многолунного орбитального аппарата . Архивировано 8 января 2007 г. в Wayback Machine . 13-е совещание AAS/AIAA по механике космических полетов, Понсе, Пуэрто-Рико , документ № AAS 03–143.

[9] Ло, MW и др. 2001. Проект миссии Genesis, Журнал астронавтических наук 49:169–184.

[10] Бельбруно, Э. и Б.Г. Марсден. 1997. Резонансные прыжки в кометах . Астрономический журнал 113: 1433–1444.

[11] Кун, Ван Сан; 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. Бибкод : 2000Хаос..10..427К . дои : 10.1063/1.166509 . ПМИД 12779398 . Архивировано (PDF) из оригинала 19 июля 2018 г. Проверено 23 сентября 2019 г.

[12] Смит, Д.Л., 2002. Следующий выход: 0,5 миллиона километров. Архивировано 29 марта 2003 г. в Wayback Machine . Инженерное дело и наука LXV(4):6–15

[13] Росс, С.Д. 2003. Статистическая теория внутреннего и внешнего перехода и вероятностей столкновений малых тел в Солнечной системе. Архивировано 8 января 2007 г. в Wayback Machine , Орбиты и приложения точки либрации (ред. Г. Гомес, М.В. Ло и Дж. Дж. Масдемонт). ), World Scientific , стр. 637–652.

[14] Фаркуар, RW; Мухонен, ДП; Ньюман, К.; Хойбергер, Х. (1980). «Траектории и орбитальные маневры первого спутника точки либрации». Журнал руководства и контроля . 3 (6): 549–554. Бибкод : 1980JGCD....3..549F . дои : 10.2514/3.56034 .

[15] Бельбруно, Э. (2004). Уловить динамику и хаотические движения в небесной механике: с помощью построения механизмов передачи низкой энергии . Издательство Принстонского университета . ISBN 9780691094809 . Архивировано из оригинала 2 декабря 2014 г. Проверено 25 сентября 2006 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]