Межпланетная транспортная сеть

Перейти к навигацииПерейти к поиску
Стилизованное изображение межпланетной транспортной сети. Зелёная полоса — один из множества возможных путей, расположенных на поверхности светло-зелёной трубы. Места, где зелёная полоса резко меняет траекторию — точки Лагранжа

Межпланетная транспортная сеть (англ. interplanetary transport network, ITN, 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 спутниками[2].

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[3]. 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[4]. Теоретические работы Эдварда Белбрано[англ.] (Jet Propulsion Laboratory) в 1994[5] 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 Interplanetary Superhighway (IPS, Межпланетный Суперхайвей)[6][7]

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[8]. 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[9]. Обсерватория SOHO действует в L1 c 1996 года. Сеть также помогла лучше понять динамику Солнечной системы;[10][11] например комета Шумейкеров — Леви 9 летела по такой траектории до столкновения с Юпитером в 1994 году[12][13].

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[4]. 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[14]. 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[15][16], 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[17][18].

Траектория миссии Genesis, 2001—2003.

Первое использование низкозатратной переходной траектории сети ITN было произведено японским лунным зондом Hiten в 1991[19]. 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 манёвры. 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

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 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[20].

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[20].

Точка ЗЛ L1 может быть достигнута с парковочной земной орбиты в 200 км за в 3150 м/с и 7 дней. (При увеличении возможно ускорение перелета). Удержание станции в ЗЛ L1 требует еженедельных коррекций с общим бюджетом в 10 м/с в год[20].

Орбитами ITN соединены Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун (точнее точки Лагранжа L1 и L2 систем планета-Солнце)[21][22][23].

См. также

Примечания

  1. ↑ Ross, S. D. The Interplanetary Transport Network (англ.) // American Scientist[англ.] : magazine. — 2006. — Vol. 94. — P. 230—237. — doi:10.1511/2006.59.994. Архивировано 20 октября 2013 года.
  2. ↑ Стюарт, 2018, с. 242.
  3. ↑ Marsden, J. E.; Ross, S. D. New methods in celestial mechanics and mission design (англ.) // Bull. Amer. Math. Soc. : journal. — 2006. — Vol. 43. — P. 43—73. — doi:10.1090/S0273-0979-05-01085-2.
  4. ↑ 1 2 Conley, C. C. Low energy transit orbits in the restricted three-body problem (англ.) // SIAM Journal on Applied Mathematics[англ.] : journal. — 1968. — Vol. 16. — P. 732—746. — JSTOR 2099124.
  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 Архивная копия от 1 января 2023 на Wayback Machine
  6. ↑ Lo, Martin W. and Ross, Shane D. 2001. The Lunar L1 Gateway: Portal to the Stars and Beyond Архивная копия от 15 января 2013 на Wayback Machine, AIAA Space 2001 Conference, Albequerque, New Mexico.
  7. ↑ Игорь Афанасьев, Дмитрий Воронцов. Межпланетная эквилибристика // Рубрика «Планетарий» : Журнал «Вокруг света». — 2008. — № 8 (2815). Архивировано 17 января 2013 года.
  8. ↑ Ross, S.D., W.S. Koon, M.W. Lo and J.E. Marsden. 2003. Design of a Multi-Moon Orbiter Архивировано 8 января 2007 года.. 13th AAS/AIAA Space Flight Mechanics Meeting, Ponce, Puerto Rico. Paper No. 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., and B.G. Marsden. 1997. Resonance Hopping in Comets. The Astronomical Journal 113:1433-1444
  11. ↑ 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 Архивная копия от 9 декабря 2019 на Wayback Machine. Chaos 10:427-469
  12. ↑ Smith, D. L. 2002. Next Exit 0.5 Million Kilometers Архивная копия от 29 марта 2003 на Wayback Machine. Engineering and Science LXV(4):6-15
  13. ↑ Ross, S. D. 2003. Statistical theory of interior-exterior transition and collision probabilities for minor bodies in the solar system Архивировано 8 января 2007 года., Libration Point Orbits and Applications (Eds. G Gomez, M.W. Lo and J.J. Masdemont), World Scientific, pp. 637—652.
  14. ↑ Farquhar, R. W.; Muhonen, D. P.; Newman, C.; Heuberger, H. Trajectories and Orbital Maneuvers for the First Libration-Point Satellite (англ.) // Journal of Guidance and Control : journal. — 1980. — Vol. 3. — P. 549—554.
  15. ↑ Martin W. Lo and Roby S. Wilson The The LTool Package (недоступная ссылка)
  16. ↑ Martin Lo, LTool Version 1.0G delivery memorandum // JPL TRS 1992+, 29-Sep-2000
  17. ↑ Межпланетная лоция ждёт своих штурманов Архивная копия от 12 апреля 2012 на Wayback Machine, Евгений Матусевич, Мембрана.ру 22 июля 2002
  18. ↑ INTERPLANETARY SUPERHIGHWAY MAKES SPACE TRAVEL SIMPLER Архивная копия от 7 апреля 2013 на Wayback Machine, NASA July 17, 2002
  19. ↑ Belbruno, E. Capture Dynamics and Chaotic Motions in Celestial Mechanics: With the Construction of Low Energy Transfers (англ.). — Princeton University Press, 2004. — ISBN 9780691094809. Архивировано 2 декабря 2014 года. Архивированная копия. Дата обращения: 22 декабря 2012. Архивировано из оригинала 2 декабря 2014 года.
  20. ↑ 1 2 3 Martin Lo, Shane Ross, The Lunar L1 Gateway: Portal to the Stars and Beyond Архивная копия от 27 мая 2010 на Wayback Machine // NASA JPL, AIAA Space 2001 Conference, August 28-30, 2001; hdl:2014/40516
  21. ↑ 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»
  22. ↑ Shane Ross, The Lunar L1 Gateway: Portal to the Planets 22 April 2002, Слайд 17 «Poincare Section of the InterPlanetary Superhighway (IPS)»
  23. ↑ The InterPlanetary Superhighway and the Origins Program Архивная копия от 15 января 2013 на Wayback Machine, 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.»

Литература

Ссылки