Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Не путать с межпланетной сетью или межпланетной транспортной системой .
Это стилизованное изображение ITN призвано показать его (часто запутанный) путь через Солнечную систему . Зеленая лента представляет собой один путь из многих, которые математически возможны по поверхности более темной зеленой ограничительной трубки. Места, в которых лента резко меняет направление, представляют собой изменения траектории в точках Лагранжа , а ограниченные области представляют собой места, где объекты задерживаются на временной орбите вокруг точки, прежде чем продолжить движение.

Транспортная сеть Межпланетной ( ОИС ) [1] представляет собой совокупность гравитационно определенных путей через Солнечную систему , которые требуют очень мало энергии для объекта , чтобы следовать. ITN особенно использует точки Лагранжа как места, где траектории в космосе могут быть перенаправлены с минимальным потреблением энергии или без нее. Эти точки обладают своеобразным свойством позволять объектам вращаться вокруг них, несмотря на отсутствие объекта на орбите. Хотя это потребует мало энергии, транспортировка по сети займет много времени. [2]

История [ править ]

Межпланетные переходные орбиты являются решениями гравитационной задачи трех 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 массивнее.

Ключом к открытию межпланетной транспортной сети было исследование природы извилистых путей вблизи точек Лагранжа Земля-Солнце и Земля-Луна. Впервые они были исследованы Анри Пуанкаре в 1890-х годах. Он заметил, что пути, ведущие в любую из этих точек и из них, почти всегда на какое-то время устанавливались на орбите вокруг этой точки. [3] Фактически существует бесконечное количество путей, ведущих к точке и от нее, и все они требуют почти нулевого изменения энергии для достижения. При нанесении на график они образуют трубу с орбитой вокруг точки Лагранжа на одном конце.

Получение этих путей восходит к математикам Чарльзу К. Конли и Ричарду П. МакГихи в 1968 году. [4] Hiten , первый лунный зонд в Японии, был перемещен 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 применила методику к возвращению образца солнечного ветра в Genesis , а также к лунным и юпитерианским миссиям. Они назвали его Межпланетной супермагистралью (IPS). [5]

Пути [ править ]

Как оказалось, очень легко перейти от пути, ведущего к точке, к пути, ведущему обратно. Это имеет смысл, поскольку орбита нестабильна, что означает, что человек в конечном итоге окажется на одном из исходящих путей, не тратя вообще энергии. Эдвард Белбруно ввел термин «граница слабой устойчивости» [6] или «нечеткая граница» [7] для этого эффекта.

После тщательного расчета можно выбрать, какой исходящий путь ему нужен. Это оказалось полезным, так как многие из этих путей приводят к некоторым интересным точкам в пространстве, например, Луны Земли или между лунами галилеевых от Юпитера . [8] В результате, из-за затрат на достижение точки L 2 Земля – Солнце , что является довольно низкой энергетической ценностью, можно отправиться в ряд очень интересных точек за небольшую дополнительную плату за топливо или вообще без нее. Но путешествие с Земли на Марс или в другие отдаленные места, вероятно, займет тысячи лет.

Передачи настолько низкоэнергетичны, что позволяют путешествовать практически в любую точку Солнечной системы. [ необходима цитата ] С другой стороны, эти переводы очень медленные. Для путешествий с Земли на другие планеты они бесполезны для пилотируемых или беспилотных зондов, так как путешествие заняло бы многие поколения. Тем не менее, они уже использовались для передачи космического корабля к точке L 1 Земля – Солнце , полезной точке для изучения Солнца, которая использовалась в ряде недавних миссий, включая миссию Genesis , первую, которая вернула образцы солнечного ветра на Землю. . [9] Сеть также важна для понимания динамики Солнечной системы; [10] [11] Комета Шумейкера – Леви 9 следовала по такой траектории при столкновении с Юпитером. [12] [13]

Дальнейшее объяснение [ править ]

ITN основан на серии орбитальных траекторий, предсказанных теорией хаоса, и ограниченной задаче трех тел, ведущих к и от орбит вокруг точек Лагранжа - точек в космосе, где сила тяжести между различными телами уравновешивается с центробежной силой находящегося там объекта. . Для любых двух тел, в которых одно тело вращается вокруг другого, таких как система звезда / планета или планета / луна, есть пять таких точек, обозначенных от L 1 до L 5 . Например, Земля – Луна L 1точка лежит на линии между ними, где гравитационные силы между ними точно уравновешиваются с центробежной силой объекта, находящегося на этой орбите. Эти пять точек имеют особенно низкие требования к дельта-v и, по-видимому, представляют собой передачу с наименьшей возможной энергией, даже ниже, чем обычная переходная орбита Хомана , которая доминировала в орбитальной навигации с начала космических путешествий.

Хотя силы уравновешиваются в этих точках, первые три точки (те, что находятся на линии между определенной большой массой, например, звездой , и меньшей, вращающейся массой, например, планетой ), не являются точками устойчивого равновесия . Если космическому аппарату, помещенному в точку L 1 Земля – Луна, дать даже небольшое отклонение 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 существует полустабильная орбита вокруг каждой из этих точек, называемая гало-орбитой.. Орбиты для двух точек, L 4 и L 5 , являются стабильными, но гало орбита для L 1 через L - стабильна только в порядке месяцев .

Помимо орбит вокруг точек Лагранжа, богатая динамика, возникающая из-за гравитационного притяжения более чем одной массы, дает интересные траектории, также известные как низкоэнергетические передачи . [4] Например, гравитационный среда системы Солнце-Земля-Луна позволяет КА преодолевать большие расстояния на очень мало топлива, [ править ] , хотя на часто окольным путем.

Миссии [ править ]

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 небольшое количество топлива, используя преимущества уникальной гравитационной среды. После завершения основной миссии ISEE-3 приступил к выполнению других задач, включая полет через геомагнитный хвост и пролет кометы. Впоследствии миссия была переименована в International Cometary Explorer (ICE).

Передача первой низкой энергии , используя то , что позже будет называться ОИС было спасение Японии «s Hiten лунной миссии в 1991 году [15]

Другим примером использования ITN была миссия НАСА 2001–2003 Genesis , которая более двух лет вращалась вокруг точки L 1 Солнце – Земля для сбора материала, а затем была перенаправлена ​​на точку L 2 Лагранжа и, наконец, оттуда обратно. на Землю. [1]

2003-2006 SMART-1 из Европейского космического агентства использовал другую низкую передачу энергии от СОИ. [ необходима цитата ]

В более свежем примере китайский космический корабль Chang'e 2 использовал ITN для путешествия с лунной орбиты в точку L 2 Земля-Солнце , а затем пролетел мимо астероида 4179 Тутатис . [ необходима цитата ]

Астероиды [ править ]

Говорят, что путь астероида 39P / Отермы из-за пределов орбиты Юпитера внутрь и обратно наружу использует эти пути с низкой энергией. [1]

См. Также [ править ]

  • Помощь гравитации
  • Гравитационная замочная скважина
  • Орбитальная механика
  • Межпланетный космический полет
  • Сфера холма
  • Подковообразная орбита
  • Гало орбита
  • Лунный велосипедист
  • Циклер Mars

Источники и примечания [ править ]

  1. ^ а б в Росс, SD (2006). «Межпланетная транспортная сеть» (PDF) . Американский ученый . 94 (3): 230–237. DOI : 10.1511 / 2006.59.994 .
  2. ^ Межпланетная супермагистраль; Шейн Росс; Virginia Tech.
  3. ^ Марсден, JE; Росс, SD (2006). «Новые методы в небесной механике и проектировании миссий» . Бык. Амер. Математика. Soc . 43 : 43–73. DOI : 10.1090 / S0273-0979-05-01085-2 .
  4. ^ а б Конли, CC (1968). «Низкоэнергетические транзитные орбиты в ограниченной задаче трех тел». Журнал SIAM по прикладной математике . 16 (4): 732–746. Bibcode : 1968SIAMJ..16..732C . DOI : 10.1137 / 0116060 . JSTOR 2099124 . 
  5. ↑ Ло, Мартин В. и Росс, Шейн Д. (2001) Лунные врата L1: портал к звездам и за его пределами , Конференция AIAA Space 2001, Альбукерке, Нью-Мексико.
  6. ^ Эдвард А. Белбруно; Джон П. Каррико (2000). "Расчет граничных баллистических траекторий передачи Луны слабой устойчивости" (PDF) . Конференция специалистов по астродинамике AIAA / AAS.
  7. ^ Франк, Адам (сентябрь 1994). «Обод гравитации» . Откройте для себя . Проверено 29 августа 2017 года .
  8. ↑ Росс, С.Д., В.С. Кун, М.В. Ло и Дж. Э. Марсден (2003) Дизайн многолунного орбитального аппарата. Архивировано 8 января 2007 г.в Wayback Machine . 13-е совещание AAS / AIAA по механике космического полета, Понсе, Пуэрто-Рико , документ № AAS 03–143.
  9. ^ Lo, MW и др. 2001. Проект миссии Genesis, Журнал астронавтических наук 49: 169–184.
  10. ^ Belbruno, Е. и Б. Марсден. 1997. Резонансные прыжки в кометах . Астрономический журнал 113: 1433–1444.
  11. ^ Кун, Ван Санг; 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. Bibcode : 2000Chaos..10..427K . DOI : 10.1063 / 1.166509 . PMID 12779398 .  
  12. ^ Смит, DL 2002. Следующий выход 0,5 миллиона километров . Инженерное дело и наука LXV (4): 6–15
  13. ↑ Ross, SD 2003. Статистическая теория вероятностей перехода между внутренними и внешними телами и столкновений малых тел в Солнечной системе. Архивировано 8 января 2007 г.на Wayback Machine , Libration Point Orbit and Applications (Eds. G Gomez, MW Lo and JJ Masdemont ), World Scientific , стр. 637–652.
  14. ^ Фаркуар, RW; Мухонен, Д.П .; Newman, C .; Хойбергер, Х. (1980). "Траектории и орбитальные маневры первого спутника" точка освобождения ". Журнал руководства и контроля . 3 (6): 549–554. Bibcode : 1980JGCD .... 3..549F . DOI : 10.2514 / 3.56034 .
  15. ^ Belbruno, E. (2004). Динамика захвата и хаотические движения в небесной механике: с построением низкоэнергетических передач . Издательство Принстонского университета . ISBN 9780691094809. Архивировано из оригинала на 2014-12-02 . Проверено 25 сентября 2006 .

Внешние ссылки [ править ]

  • «Сеть Межпланетная Транспорт» по Шейн Д. Росс , American Scientist , май-июнь 2006 года (Подписка)
  • «Прокатиться в небесном метро» New Scientist , 27 марта 2006 г.
  • Наука "Путь труб" , 18 ноября 2005 г.
  • Новости науки "Путешествие по небесным течениям" , 18 апреля 2005 г.
  • "Следующий выход 0,5 миллиона километров" Техника и наука, 2002 г.
  • «Математика объединяет небеса и атом», Space Daily , 28 сентября 2005 г.
  • "Астероиды, затерянные в космосе", обзор Physical Review , 14 июня 2002 г.
  • Межпланетная транспортная сеть лекции (YouTube) по Шейн Д. Росс , 2004
  • «Цилиндрические многообразия и динамика трубки в ограниченной задаче трех тел» - кандидатская диссертация по Шейн Д.Россом
  • Захват динамики и хаотических движений в небесной механике: с построением низкоэнергетических передач - математический анализ аспектов ITN, Эдвард Белбруно (2004)
  • Динамический механизм Ballistic Лунных Захват Передачи в задаче четырех тел с точки зрения инвариантных многообразий и регионов Хилла [ постоянная битая ссылка ] по Эдуард Белбруно
  • Динамические системы, проблема трех тел и план космической миссии , Ван Сан Кун, Мартин В. Ло , Джерролд Э. Марсден , Шейн Д. Росс (книга доступна в формате PDF ). ISBN 978-0-615-24095-4 
  • 2007-10-08 аудиоинтервью с Белбруно о передаче малой энергии