Interplanetarisk transportnetværk

Det  interplanetariske transportnetværk ( ITN , Interplanetary Superhighway) [1]  er et system af gravitationelt definerede komplekse baner i solsystemet, som kræver en lille mængde brændstof. ITN bruger Lagrange -punkter som punkter, hvor billige overgange mellem forskellige baner i det ydre rum er mulige . På trods af det faktum, at ITN tillader interplanetariske flyvninger med lave energiomkostninger, er varigheden af ​​flyvninger titusinder og hundredvis af gange længere end for klassiske flyvninger i Hohmann-baner , og er uacceptable for bemandet astronautik.

I solsystemet er der hovedsageligt billige baner mellem Jupiter, Saturn, Uranus og Neptun, samt mellem deres satellitter [2] .

Historie

Nøglen til fremkomsten af ​​ITN-ideen var studiet af baner nær Lagrange-punkterne. Den første sådan undersøgelse var Henri Poincarés arbejde i 1890'erne. Han bemærkede, at stierne til og fra disse punkter næsten altid bliver til kredsløb omkring punkterne i nogen tid. [3] Faktisk er der et uendeligt antal baner, der går gennem et punkt, sådan at overgangen mellem dem ikke kræver energi. Hvis de tegnes, danner de et rør, hvis ender ender med en bane ved Lagrange-punktet. Dette faktum blev fastslået af Charles C. Conley og Richard P. McGehee i 1960'erne. [4] Teoretiske værker af Edward Belbrano( Jet Propulsion Laboratory ) i 1994 [5] udarbejdede detaljerne for lignende billige overførselsbaner mellem Jorden og Månen. I 1991 brugte Hiten , Japans første månesonde, en sådan bane til at flyve til Månen. I dette tilfælde ville den tilgængelige brændstofrest ikke tillade at nå Månens bane ved hjælp af klassiske overførselsbaner. Siden 1997 har Martin Lo , Shane D. Ross og andre skrevet en række artikler om det matematiske grundlag for ITN og anvendt teknikken til udviklingen af ​​Genesis -rumfartøjsruten (der flyver i kredsløb omkring L1-punktet af Sol-Jord-systemet med en tilbagevenden til Jorden), samt til måne- og Jupiter-missioner. De kaldte rutesystemet Interplanetary Superhighway (IPS, Interplanetary Superhighway) [6] [7]

Det viste sig, at en simpel overgang mellem en bane, der fører til et punkt, og en bane, der fører fra Lagrange-punktet, er mulig. Dette sker, fordi kredsløbet omkring Lagrange-punktet er ustabilt, og ethvert legeme skal forlade en sådan bane før eller siden. Når du laver nøjagtige beregninger, er det muligt at foretage en korrektion og vælge en af ​​de mange stier, der udgår fra Lagrange-punktet. Mange af disse stier fører til andre planeter eller deres måner. [8] Det betyder, at efter at have nået L2-punktet i Jord-Sol-systemet, der ligger tæt på planeten, er det muligt at flyve til et betydeligt antal steder med få eller ingen ekstra brændstofomkostninger.

Sådanne overgangsbaner er så lavenergiske, at de når de fleste punkter i solsystemet. Men på samme tid er alle disse overførselsbaner ekstremt lange og er kun tilgængelige for automatiske interplanetariske stationer , men ikke for bemandede ekspeditioner.

ITN-flyvninger er allerede blevet brugt til at nå L1-punktet i Sol-Jord-systemet, hvilket er nyttigt til at observere Solen, herunder i Genesis -missionen [9] . SOHO-observatoriet har været i drift i L1 siden 1996. Netværket har også bidraget til bedre at forstå dynamikken i solsystemet; [10] [11] For eksempel fulgte Comet Shoemaker-Levy 9 denne vej, før den ramte Jupiter i 1994 [12] [13] .

Forklaring

Ud over kredsløb omkring Lagrange-punkter opstår rig dynamik fra gravitationsinteraktioner med mere end et stort legeme, i såkaldte lavprisovergangsbaner [4] . For eksempel gør gravitationsfelterne i Sun-Earth-Moon-systemet det muligt at sende rumfartøjer over lange afstande med et lavt brændstofforbrug. I 1978 blev ISEE-3 rumfartøjet opsendt til et af Lagrange-punkterne [14] . Nogle af hans manøvrer blev udført med et lavt brændstofforbrug. Efter afslutningen af ​​hovedmissionen foretog ISEE-3 forbiflyvninger gennem den geomagnetiske hale og derefter en forbiflyvning nær kometen. Missionen blev omdøbt til International Cometary Explorer (ICE).

I 2000 skabte Martin Lo, Kathleen Howell og andre JPL-forskere ved hjælp af matematiske modeller fra Purdue University LTool-programmet [15] [16] , som forenkler beregningen af ​​baner, der passerer nær Lagrange-punkter, inklusive baner fra ITN. Sammenlignet med tidligere metoder kan baneberegning tage op til 50 gange kortere tid. Denne udvikling blev nomineret til Discover Innovation Award. [17] [18]

Den første brug af ITN -netværkets billige overgangsbane blev foretaget af 19][1991.iHitenden japanske månesonde manøvrer i løbet af hele tiden . 2003-2006 ESA SMART-1- programmet brugte også en billig overførselsbane fra ITN-netværket.

ITN er baseret på en række kredsløbsbaner forudsagt af kaosteori og det begrænsede problem med tre gravitationslegemer, der passerer gennem ustabile baner omkring Lagrange-punkter - punkter, hvor tyngdekraften fra flere kropsobjekter ophæver kroppens centrifugalkraft . For alle to objekter, hvor det ene af dem er i kredsløb om det andet, for eksempel i tilfælde af stjerne/planet, planet/måne-par, er der tre sådanne punkter, betegnet L1, L2, L3. For Jord-Måne-systemet er punkt L1 placeret på linjen mellem Jorden og Månen. For to objekter, hvis masseforhold overstiger 24,96, er der to mere stabile punkter: L4 og L5. Banerne, der forbinder disse fem punkter, har lave delta-v krav og ser ud til at være de mest økonomiske overførselsbaner, herunder mere økonomiske end Hohmann og bi -elliptiske overførselsbaner , der ofte bruges til orbital navigation.

På trods af kompensation af kræfter på disse punkter er kredsløbene ved L1, L2 og L3 ikke stabile ( ustabil ligevægt ). Hvis et rumfartøj placeret ved L1-punktet i Jord-Måne-systemet modtager en lille impuls mod Månen, så bliver tiltrækningen fra Månen større, og rumfartøjet trækkes ud af L1-punktet. Da alle de involverede kroppe er i bevægelse, vil fartøjet ikke umiddelbart kollidere med Månen, men vil gå på en snoet bane ud i det ydre rum. Der er dog semi-stabile baner omkring Lagrange-punkterne L1, L2, L3 med en varighed af passiv eksistens på flere måneder. Banerne omkring punkterne L4 og L5 er stabile.

Eksempler

Flyvningen fra de 200 km LEO af Jordens parkeringsbane til en halobane i nærheden af ​​Sun-Earth (SW) Lagrangepunkterne L1 eller L2 kræver omkring 3200 m/s og tager omkring 3 måneder. Omkostningerne ved at opretholde en halobane i punkterne NW L1 eller NW L2 er estimeret til ikke mere end 5 m/s for hvert år. [tyve]

Flyvningen mellem L1-punktet i Earth-Moon (EL)-systemet og NW L2 eller tilbage kan udføres via Sun-Earth-Moon ITN-kanalerne ved at bruge en deterministisk manøvre på 14 m/s på omkring 20 dage. [tyve]

ZL-punktet L1 kan nås fra en parkeringsbane om jorden på 200 km på 3150 m/s og 7 dage. (Hvis du øger det, kan flyvningen accelereres). At holde stationen i L1-zonen kræver ugentlige korrektioner med et samlet budget på 10 m/s pr. år. [tyve]

ITN-baner forbinder Jupiter, Saturn, Uranus og Neptun (mere præcist lagrangepunkterne L1 og L2 i planet-solsystemerne). [21] [22] [23]

Se også

Noter

  1. ↑ Ross, SD  The Interplanetary Transport Network  // Amerikansk videnskabsmand :magasin. - 2006. - Bd. 94 . - S. 230-237 . doi : 10.1511 / 2006.59.994 .
  2. ↑ Stuart, 2018 , s. 242.
  3. ↑ Marsden, JE; Ross, SD Nye metoder inden for himmelmekanik og missionsdesign   // Bull . amer. Matematik. soc.  : journal. - 2006. - Bd. 43 . - S. 43-73 . - doi : 10.1090/S0273-0979-05-01085-2 .
  4. ↑ 1 2 Conley, CC Lavenergi-transitbaner i det begrænsede problem med tre legeme  // SIAM  Journal on Applied Mathematics : journal. - 1968. - Bd. 16 . - s. 732-746 . — .
  5. ↑ Belbruno, E. 1994. Den dynamiske mekanisme for ballistiske månefangstoverførsler i firelegemeproblemet fra perspektivet af invariante manifolder og Hill's Regions  (utilgængeligt link)
  6. ↑ Lo, Martin W. og Ross, Shane D. 2001. The Lunar L1 Gateway: Portal to the Stars and Beyond Arkiveret 15. januar 2013 på Wayback Machine , AIAA Space 2001 Conference, Albequerque, New Mexico .
  7. ↑ Igor Afanasiev, Dmitry Vorontsov. Interplanetarisk balancegang  // Overskrift "Planetarium" : Magasinet " Around the world ". - 2008. - Nr. 8 (2815) .
  8. ↑ Ross, SD, WS Koon, MW Lo og JE Marsden. 2003. Design af en Multi-Moon Orbiter Arkiveret fra originalen den 8. januar 2007. . 13. AAS/AIAA Space Flight Mechanics Meeting, Ponce, Puerto Rico . papirnr. 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. og BG Marsden . 1997. Resonanshopping i kometer . The Astronomical Journal 113:1433-1444
  11. ↑ WS Koon, MW Lo, JE Marsden og SD Ross. 2000. Heterokliniske forbindelser mellem periodiske baner og resonansovergange i himmelmekanik . Kaos 10:427-469
  12. ↑ Smith, DL 2002. Næste udgang 0,5 Million Kilometers Arkiveret 29. marts 2003 på Wayback Machine . Teknik og videnskab LXV(4):6-15
  13. ↑ Ross, SD 2003. Statistisk teori om indvendig-ydre overgang og kollisionssandsynligheder for mindre kroppe i solsystemet Arkiveret fra originalen den 8. januar 2007. , Libration Point Orbits and Applications (red. G Gomez, MW Lo og JJ Masdemont), World Scientific , pp. 637-652.
  14. ↑ Farquhar, RW; Muhonen, D.P.; Newman, C.; Heuberger, H. Baner og orbitalmanøvrer for den første Libration-Point-satellit  (engelsk)  // Journal of Guidance and Control : journal. - 1980. - Bd. 3 . - S. 549-554 .
  15. ↑ Martin W. Lo og Roby S. Wilson The LTool Package  (downlink)
  16. ↑ Martin Lo, LTool Version 1.0G leveringsmemorandum // JPL TRS 1992+, 29-Sep-2000
  17. ↑ Den interplanetariske pilot venter på sine navigatører Arkivkopi af 12. april 2012 på Wayback Machine , Evgeny Matusevich, Membrana.ru 22. juli 2002
  18. ↑ INTERPLANETAR SUPERHIGHWAY GØR RUMREJSER ENKLERE Arkiveret 7. april 2013 på Wayback Machine , NASA 17. juli 2002
  19. ↑ Belbruno, E. Capture Dynamics and Chaotic Motions in Celestial Mechanics: With Construction of Low Energy Transfers  . — Princeton University Press , 2004. — ISBN 9780691094809 . Arkiveret kopi (ikke tilgængeligt link) . Dato for adgang: 22. december 2012. Arkiveret fra originalen 2. december 2014. 
  20. ↑ 1 2 3 Martin Lo, Shane Ross, The Lunar L1 Gateway: Portal to the Stars and Beyond Arkiveret 27. maj 2010 på Wayback Machine // NASA JPL, AIAA Space 2001 Conference, 28.-30. august 2001; hdl:2014/40516
  21. ↑ Lavenergioverførsler i solsystemet: applikationer I , Martin Lo, 7/5/2004, 2004 sommerworkshop om avancerede emner i astrodynamik. Slide 29 "Manifolds Connect Solar System"
  22. ↑ Shane Ross, The Lunar L1 Gateway: Portal to the Planets 22. april 2002, Slide 17 "Poincare Section of the InterPlanetary Superhighway (IPS)"
  23. ↑ The InterPlanetary Superhighway and the Origins Program Arkiveret 15. januar 2013 på Wayback Machine , Martin W. Lo, JPL - IEEE Aerospace Conference (Big Sky, MT, USA) 0-7803-7231-X, 09. marts 2002, hdl :2014/8065 . Side 11 "Figur 11 Dette er en Poincaré-sektion af IPS'en i det ydre solsystem."

Litteratur

Links

 Baner