Interplanetära transportnät

Det  interplanetära transportnätet ( ITN , Interplanetary Superhighway) [1]  är ett system av gravitationsmässigt definierade komplexa banor i solsystemet som kräver en liten mängd bränsle. ITN använder Lagrange -punkter som punkter där lågkostnadsövergångar mellan olika banor i yttre rymden är möjliga . Trots det faktum att ITN tillåter interplanetära flygningar med låga energikostnader, är flygtiden tiotals och hundratals gånger längre än för klassiska flygningar i Hohmann-banor , och är oacceptabla för bemannad astronautik.

I solsystemet finns det främst lågkostnadsbanor mellan Jupiter, Saturnus, Uranus och Neptunus, samt mellan deras satelliter [2] .

Historik

Nyckeln till uppkomsten av ITN-idén var studiet av banor nära Lagrange-punkterna. Den första sådana studien var Henri Poincarés arbete på 1890-talet. Han märkte att vägarna till och från dessa punkter nästan alltid förvandlas till omloppsbanor runt punkterna under en tid. [3] Faktum är att det finns ett oändligt antal banor som passerar genom en punkt, så att övergången mellan dem inte kräver energi. Om de är ritade bildar de ett rör, vars ena ändar slutar med en bana vid Lagrange-punkten. Detta faktum fastställdes av Charles C. Conley och Richard P. McGehee på 1960-talet. [4] Teoretiska verk av Edward Belbrano( Jet Propulsion Laboratory ) 1994 [5] utarbetade detaljerna för liknande billiga överföringsbanor mellan jorden och månen. År 1991 använde Hiten , Japans första månsond, en sådan bana för att flyga till månen. I det här fallet skulle den tillgängliga bränsleresten inte tillåta att nå Månens omloppsbana med klassiska överföringsbanor. Sedan 1997 har Martin Lo , Shane D. Ross och andra skrivit en serie artiklar om de matematiska grunderna för ITN och tillämpat tekniken på utvecklingen av Genesis -rymdskeppsrutten (som flyger in i omloppsbana runt L1-punkten i Sun-Earth-systemet med en återgång till jorden), såväl som för mån- och Jupiteruppdrag. De kallade ruttsystemet Interplanetary Superhighway (IPS, Interplanetary Superhighway) [6] [7]

Det visade sig att en enkel övergång mellan en bana som leder till en punkt och en bana som leder från Lagrange-punkten är möjlig. Detta beror på att omloppsbanan runt Lagrangepunkten är instabil och vilken kropp som helst måste lämna en sådan omloppsbana förr eller senare. När du gör korrekta beräkningar är det möjligt att utföra en korrigering och välja en av de många vägarna som utgår från Lagrange-punkten. Många av dessa vägar leder till andra planeter eller deras månar. [8] Detta betyder att efter att ha nått L2-punkten i jord-solsystemet, som ligger nära planeten, är det möjligt att flyga till ett betydande antal platser med små eller inga extra bränslekostnader.

Sådana övergångsbanor är så lågenergiska att de når de flesta punkter i solsystemet. Men samtidigt är alla dessa överföringsbanor extremt långa och är endast tillgängliga för automatiska interplanetära stationer , men inte för bemannade expeditioner.

ITN-flyg har redan använts för att nå L1-punkten i Sun-Earth-systemet, användbart för att observera solen, inklusive i Genesis -uppdraget [9] . SOHO-observatoriet har varit verksamt i L1 sedan 1996. Nätverket har också hjälpt till att bättre förstå dynamiken i solsystemet; [10] [11] Till exempel följde Comet Shoemaker-Levy 9 denna väg innan han träffade Jupiter 1994 [12] [13] .

Förklaring

Förutom banor runt Lagrange-punkterna uppstår rik dynamik från gravitationsinteraktioner med mer än en stor kropp, i så kallade lågkostnadsövergångsbanor [4] . Till exempel gör gravitationsfälten i Sun-Earth-Moon-systemet det möjligt att skicka rymdfarkoster över långa avstånd med liten bränsleförbrukning. 1978 lanserades rymdfarkosten ISEE-3 till en av Lagrange-punkterna [14] . Vissa av hans manövrar utfördes med låg bränsleförbrukning. Efter slutförandet av huvuduppdraget gjorde ISEE-3 förbi genom den geomagnetiska svansen och sedan en förbiflygning nära kometen. Uppdraget döptes om till International Cometary Explorer (ICE).

År 2000 skapade Martin Lo, Kathleen Howell och andra JPL-forskare, med hjälp av matematiska modeller från Purdue University, programmet LTool [15] [16] , som förenklar beräkningen av banor som passerar nära Lagrange-punkter, inklusive banor från ITN. Jämfört med tidigare metoder kan banberäkning ta upp till 50 gånger kortare tid. Denna utveckling nominerades till Discover Innovation Award. [17] [18]

Den första användningen av ITN -nätverkets lågkostnadsövergångsbana gjordes av 19][1991.Hitenden japanska månsonden manövrar under hela tiden . ESA SMART-1- programmet 2003-2006 använde också en lågkostnadsöverföringsbana från ITN-nätverket.

ITN är baserat på en serie omloppsbanor som förutspåtts av kaosteori och det begränsade problemet med tre graviterande kroppar som passerar genom instabila banor runt Lagrange-punkter - punkter där gravitationskrafter från flera kroppsobjekt tar bort kropparnas centrifugalkraft . För två objekt där det ena är i omloppsbana runt det andra, till exempel i fallet med stjärna/planet, planet/månepar, finns det tre sådana punkter, betecknade L1, L2, L3. För jord-månesystemet är punkt L1 belägen på linjen mellan jorden och månen. För två föremål vars massförhållande överstiger 24,96 finns det två stabilare punkter: L4 och L5. Banorna som förbinder dessa fem punkter har låga delta-v- krav och verkar vara de mest ekonomiska överföringsbanorna, inklusive mer ekonomiska än Hohmann- och bi -elliptiska överföringsbanor som ofta används för orbitalnavigering.

Trots kompensationen av krafter vid dessa punkter är banorna vid L1, L2 och L3 inte stabila ( instabil jämvikt ). Om ett rymdskepp som ligger vid L1-punkten i jord-månesystemet får en liten impuls mot månen, så blir attraktionen från månen större och rymdfarkosten dras ut ur L1-punkten. Eftersom alla inblandade kroppar är i rörelse kommer farkosten inte omedelbart att kollidera med månen, utan kommer att gå på en slingrande bana ut i rymden. Det finns dock halvstabila banor runt Lagrangepunkterna L1, L2, L3 med en varaktighet av passiv existens på flera månader. Banorna runt punkterna L4 och L5 är stabila.

Exempel

Flygningen från 200 km LEO av jordens parkeringsbana till en halobana nära Sun-Earth (SW) Lagrangepunkterna L1 eller L2 kräver cirka 3200 m/s och tar cirka 3 månader. Kostnaden för att upprätthålla en halobana vid punkterna NW L1 eller NW L2 uppskattas till högst 5 m/s för varje år. [tjugo]

Flygningen mellan L1-punkten i Earth-Moon (EL)-systemet och NW L2 eller tillbaka kan utföras via Sun-Earth-Moon ITN-kanalerna med en deterministisk manöver på 14 m/s på cirka 20 dagar. [tjugo]

ZL-punkten L1 kan nås från en parkeringsbana om jorden på 200 km på 3150 m/s och 7 dagar. (Om du ökar den kan flygningen påskyndas). Att hålla stationen i L1-zonen kräver veckokorrigeringar med en total budget på 10 m/s per år. [tjugo]

ITN-banor förbinder Jupiter, Saturnus, Uranus och Neptunus (mer exakt Lagrangepunkterna L1 och L2 i planet-solsystemen). [21] [22] [23]

Se även

Anteckningar

  1. ↑ Ross, SD  Det interplanetära transportnätverket  // Amerikansk vetenskapsman :tidskrift. - 2006. - Vol. 94 . - S. 230-237 . doi : 10.1511 / 2006.59.994 .
  2. ↑ Stuart, 2018 , sid. 242.
  3. ↑ Marsden, JE; Ross, SD Nya metoder inom himlamekanik och missionsdesign   // Bull . amer. Matematik. soc.  : journal. - 2006. - Vol. 43 . - S. 43-73 . - doi : 10.1090/S0273-0979-05-01085-2 .
  4. ↑ 1 2 Conley, CC Lågenergitransitbanor i det begränsade trekroppsproblemet  // SIAM  Journal on Applied Mathematics : journal. - 1968. - Vol. 16 . - s. 732-746 . — .
  5. ↑ Belbruno, E. 1994. Den dynamiska mekanismen för ballistiska månfångstöverföringar i fyrkroppsproblemet ur perspektivet av invarianta grenrör och Hills regioner  (otillgänglig länk)
  6. ↑ Lo, Martin W. och Ross, Shane D. 2001. The Lunar L1 Gateway: Portal to the Stars and Beyond Arkiverad 15 januari 2013 på Wayback Machine , AIAA Space 2001 Conference, Albequerque, New Mexico .
  7. ↑ Igor Afanasiev, Dmitry Vorontsov. Interplanetär balansakt  // Rubrik "Planetarium" : Tidningen " Around the world ". - 2008. - Nr 8 (2815) .
  8. ↑ Ross, SD, WS Koon, MW Lo och JE Marsden. 2003. Design av en Multi-Moon Orbiter Arkiverad från originalet den 8 januari 2007. . 13:e AAS/AIAA Space Flight Mechanics Meeting, Ponce, Puerto Rico . papper 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. och BG Marsden . 1997. Resonanshoppning i kometer . The Astronomical Journal 113:1433-1444
  11. ↑ WS Koon, MW Lo, JE Marsden och SD Ross. 2000. Heteroclinic kopplingar mellan periodiska banor och resonansövergångar i celestial mekanik . Kaos 10:427-469
  12. ↑ Smith, DL 2002. Nästa utgång 0,5 miljoner kilometer Arkiverad 29 mars 2003 på Wayback Machine . Teknik och naturvetenskap LXV(4):6-15
  13. ↑ Ross, SD 2003. Statistisk teori om inre-exteriör övergång och kollisionssannolikheter för mindre kroppar i solsystemet Arkiverad från originalet den 8 januari 2007. , Libration Point Orbits and Applications (Eds. G Gomez, MW Lo och JJ Masdemont), World Scientific , pp. 637-652.
  14. ↑ Farquhar, RW; Muhonen, D.P.; Newman, C.; Heuberger, H. Trajectories and Orbital Maneuvers for the First Libration-Point Satellite  (engelska)  // Journal of Guidance and Control: journal. - 1980. - Vol. 3 . - S. 549-554 .
  15. ↑ Martin W. Lo och Roby S. Wilson The LTool Package  (nedlänk)
  16. ↑ Martin Lo, LTool Version 1.0G leveransmemorandum // JPL TRS 1992+, 29-sep-2000
  17. ↑ Den interplanetära piloten väntar på sina navigatörer Arkivexemplar av 12 april 2012 på Wayback Machine , Evgeny Matusevich, Membrana.ru 22 juli 2002
  18. ↑ INTERPLANETÄR SUPERHIGHWAY GÖR RYMDRESA ENKLARE Arkiverad 7 april 2013 på Wayback Machine , NASA 17 juli 2002
  19. ↑ Belbruno, E. Fånga dynamik och kaotiska rörelser i himmelsk mekanik: Med konstruktionen av lågenergiöverföringar  . — Princeton University Press , 2004. — ISBN 9780691094809 . Arkiverad kopia (inte tillgänglig länk) . Datum för åtkomst: 22 december 2012. Arkiverad från originalet 2 december 2014. 
  20. ↑ 1 2 3 Martin Lo, Shane Ross, The Lunar L1 Gateway: Portal to the Stars and Beyond Arkiverad 27 maj 2010 på Wayback Machine // NASA JPL, AIAA Space 2001 Conference, 28-30 augusti 2001; hdl:2014/40516
  21. ↑ Låga energiöverföringar i solsystemet: Tillämpningar I , Martin Lo, 2004-05-07, 2004 års sommarworkshop om avancerade ämnen i astrodynamik. Bild 29 "Manifolds Connect Solar System"
  22. ↑ Shane Ross, The Lunar L1 Gateway: Portal to the Planets 22 april 2002, bild 17 "Poincare Section of the InterPlanetary Superhighway (IPS)"
  23. ↑ The InterPlanetary Superhighway and the Origins Programme Arkiverad 15 januari 2013 på Wayback Machine , Martin W. Lo, JPL - IEEE Aerospace Conference (Big Sky, MT, USA) 0-7803-7231-X, 9 mars 2002, hdl :2014/8065 . Sida 11 "Figur 11 Detta är en Poincaré-sektion av IPS i det yttre solsystemet."

Litteratur

Länkar

 Banor