Это хорошая статья. Для получения дополнительной информации нажмите здесь.
Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Базз Олдрин , первооткрыватель циклера Олдрина

Марс велосипедист (или Земля-Марс велосипедист ) является своего рода космических аппаратов траектории , которая встречает Землю и Марс регулярно. Термин « Марсианский циклер» может также относиться к космическому кораблю, движущемуся по марсианской циклической траектории. Циклователь Альдрина является примером циклера Марса.

Велосипеды потенциально полезны для перевозки людей или материалов между этими телами с использованием минимального количества топлива (полагаясь на облет с помощью силы тяжести для большинства изменений траектории) и могут нести мощную радиационную защиту для защиты людей в пути от космических лучей и солнечных штормов .

Велосипедисты Земля – Марс [ править ]

Велосипедист - это траектория, которая регулярно встречает два или более тел. После того, как орбита установлена, для перемещения между ними не требуется никакой движущей силы, хотя могут потребоваться некоторые незначительные поправки из-за небольших возмущений на орбите. Использование велосипедистов было рассмотрено в 1969 году Уолтером М. Холлистером, который исследовал случай циклера Земля-Венера. [1] Холлистер не имел в виду какую-либо конкретную миссию, но полагал, что их можно использовать как для регулярного сообщения между двумя планетами, так и для миссий облета нескольких планет. [2]

Марсианский год составляет 1,8808 земных лет, поэтому Марс совершает восемь оборотов вокруг Солнца примерно за то же время, что и Земля - ​​15. Циклические траектории между Землей и Марсом происходят в целых числах, кратных синодическому периоду между двумя планетами, который составляет примерно 2.135 земных лет. [3] В 1985 году Базз Олдрин представил расширение своей более ранней работы по лунному циклеру, в котором определил марсианский циклер, соответствующий одному синодическому периоду. [4] Циклер Олдрина (как его теперь называют) делает единственную эксцентрическую петлю вокруг Солнца. Он путешествует с Земли на Марс за 146 дней (4,8 месяца), следующие 16 месяцев проводит за пределами орбиты Марса и еще 146 дней проходит от орбиты Марса до первого пересечения орбиты Земли. [5]

Существование теперь одноименного Олдрина Циклера было вычислено и подтверждено учеными из Лаборатории реактивного движения позже в том же году, наряду с велосипедами VISIT-1 и VISIT-2, предложенными Джоном Нихоффом в 1985 году. [6] [7]Для каждого цикла Земля-Марс, который не кратен 7 синодическим периодам, исходящий цикл пересекает Марс на пути от Земли, в то время как входящий цикл пересекает Марс на пути к Земле. Единственное различие в этих траекториях - это дата в синодическом периоде, когда аппарат запускается с Земли. Циклеры Земля – Марс с кратным 7 синодическим периодам возвращаются на Землю почти в одной и той же точке ее орбиты и могут встречаться с Землей и / или Марсом несколько раз в течение каждого цикла. ВИЗИТ 1 встречает Землю 3 раза и Марс 4 раза за 15 лет. ВИЗИТ 2 встречается с Землей 5 раз и Марсом 2 раза за 15 лет. [5] Некоторые возможные велосипедисты Земля – Марс включают следующее: [5]

Синодические периоды за циклСолнечных оборотов за циклВремя за цикл (лет)Радиус афелия (AU)Время перехода Земля / Марс (дни)Заметки
112,1352,23146Циклер альдрина
224,272.33158
234,271,51280Афелий внутри большой полуоси орбиты Марса
346,4051,89189
356,4051,45274Афелий внутри большой полуоси орбиты Марса
356,4051,52134Афелий внутри большой полуоси орбиты Марса
458,541,8288
468,541,53157Афелий внутри афелия орбиты Марса
5410,6752,4975
5510,6752,0989
5610,6751,79111
5710,6751,54170Афелий внутри афелия орбиты Марса
5810,6751,34167Афелий внутри большой полуоси орбиты Марса
6412,812,8187
6512,812.3797
6612,812,04111
6712,811,78133Требует минимальной баллистической коррекции
6812,811,57179Требует минимальной баллистической коррекции
6912,811,40203Афелий внутри большой полуоси орбиты Марса; Требует минимальной баллистической коррекции

Подробный обзор циклических траекторий Земля – Марс был проведен Райаном Расселом и Сезаром Окампо из Техасского университета в Остине , штат Техас . Они определили 24 циклера Земля-Марс с периодами от двух до четырех синодических периодов и 92 циклера с периодами в пять или шесть синодических периодов. Они также обнаружили сотни небаллистических мотоциклистов, для которых потребовались бы некоторые механические маневры. [8]

Физика [ править ]

Циклер Марса - это эллиптическая орбита (зеленая), которая пересекает орбиты Земли (синий) и Марс (красный) и встречает обе планеты в точках пересечения их орбит, хотя и не обязательно на каждой орбите. (Не в масштабе)
Диаграмма скорости движения силы тяжести.

Земля обращается вокруг Солнца за один земной год, Марс - за 1,881. Ни одна из орбит не является идеально круговой; Земля имеет эксцентриситет орбиты 0,0168, а Марс 0,0934. Две орбиты тоже не совсем компланарны, так как орбита Марса наклонена на 1,85 градуса.к тому из Земли. Влияние гравитации Марса на циклические орбиты почти несущественно, но необходимо учитывать влияние гораздо более массивной Земли. Если мы проигнорируем эти факторы и приблизим орбитальный период Марса к 1,875 земных лет, то 15 земных лет будут 8 марсианскими годами. На диаграмме напротив космический корабль на орбите Циклера Олдрина, который стартует с Земли в точке E1, встретится с Марсом в точке M1. Когда он возвращается к E1 всего за два земных лет спустя, Земля больше не будет, но он столкнется с Землей снова на Е2, что 51,4 градусов, +1 / 7 орбиты Земли, еще один раунд. [9]

Форму циклерной орбиты можно получить из уравнения коники :

Где r - 1 астрономическая единица , a - большая полуось , ε - эксцентриситет орбиты, а θ - -25,7 (половина от -51,4). Мы можем получить a, решив проблему Ламберта с 51,4 в качестве начального и конечного угла переноса. Это дает:

Решение квадратного уравнения дает:

с периодом обращения 2,02 года. [9]

Угол, под которым космический аппарат пролетает мимо Земли, γ , определяется как:

Подстановка значений, приведенных и полученных выше, дает значение γ, равное 7,18 градуса. Мы можем рассчитать помощь гравитации с Земли:

где V - гелиоцентрическая скорость пролета. Это можно рассчитать по формуле:

где V E   - скорость Земли, равная 29,8 км / с. Подстановка дает нам V = 34,9 км / с и ΔV = 8,73 км / с. [9]

Превышение скорости определяется по формуле:

Это дает значение для V ∞   6,54 км / с. Угол поворота δ можно рассчитать по формуле:

Это дает δ = 41,9 градуса, что означает, что мы имеем поворот на 83,8 градуса. Радиус наибольшего сближения с Землей r p   будет определяться как:

Где μ E   - гравитационная постоянная Земли. Подстановка значений дает r p   = 4640 километров (2880 миль), что плохо, потому что радиус Земли составляет 6371 километр (3959 миль). Поэтому потребуется поправка, чтобы комфортно избегать попадания на планету. [9]

Предлагаемое использование [ править ]

Вместо того, чтобы ждать, пока циклер снова придет в действие, Олдрин предложил использовать второй циклер, чтобы совершить обратный ход. (Не в масштабе)

Олдрин предложил пару марсианских велосипедных транспортных средств, обеспечивающих регулярные перевозки между Землей и Марсом. [4] В то время как астронавты могут терпеть путешествие на Луну на относительно тесном космическом корабле в течение нескольких дней, миссия на Марс, продолжающаяся несколько месяцев, потребует гораздо более пригодных для жилья помещений для гораздо более длительного путешествия: астронавтам потребуется объект с достаточным жилым пространством. , жизнеобеспечение и, особенно, мощная радиационная защита. [6] [10] Исследование НАСА в 1999 году показало, что для полета на Марс потребуется поднять в космос около 437 метрических тонн (482 коротких тонны), из которых 250 метрических тонн (280 коротких тонн) - это топливо. [11]

Олдрин предположил, что стоимость полетов на Марс может быть значительно снижена за счет использования больших космических станций на циклических орбитах, называемых замками . Оказавшись на своей орбите, они будут совершать регулярные рейсы между Землей и Марсом, не требуя никакого топлива. Следовательно, кроме расходных материалов, груз должен быть запущен только один раз. [6] [10] Будут использоваться два замка: один из них на велосипеде Олдрина с быстрой передачей на Марс и долгим обратным путешествием, а второй - с быстрым путешествием на Землю и долгим возвращением на Марс, [3] который Олдрин вызвали эскалаторы вверх и вниз . [6]

Астронавты встретятся с велосипедистом на околоземной орбите, а затем на орбите Марса на специализированном корабле, называемом такси . Один велосипедист отправится с Земли на Марс примерно за пять месяцев. Другой марсианский велосипедист по дополнительной траектории должен пройти с Марса на Землю также примерно через пять месяцев. Такси и грузовые автомобили прикреплялись к велосипедисту на одной планете и отделялись при достижении другой. [11] Таким образом, циклическая концепция обеспечит регулярную, безопасную и экономичную транспортировку между Землей и Марсом. [12]

Существенным недостатком концепции циклера было то, что циклер Олдрина летает мимо обеих планет на высокой скорости. Такси необходимо будет разогнаться до 15 000 миль в час (24 000 км / ч) вокруг Земли и до 22 000 миль в час (35 000 км / ч) возле Марса. Чтобы обойти это, Олдрин предложил то, что он назвал полуциклером , в котором замок замедлялся вокруг Марса, вращался вокруг него, а затем возобновлял цикл на орбите. Это потребует топлива для выполнения маневров торможения и повторного включения. [10] [11]

Замки можно было бы вывести на циклические орбиты со значительной экономией топлива, выполнив серию маневров с малой тягой: [12] Замок будет переведен на промежуточную орбиту после запуска, а затем будет использован маневр с опрокидыванием Земли для его ускорения. на конечную циклерную орбиту. [13] Предполагая использование обычного топлива, [а] можно оценить количество топлива, необходимое для установления циклической орбиты. [14]В случае циклера Aldrin использование силы тяжести снижает потребность в топливе примерно на 24,3 метрических тонны (26,8 коротких тонн), или на 15 процентов. Другие велогонщики показали менее впечатляющие улучшения из-за формы их орбит и времени встречи с Землей. В случае циклера VISIT-1 выгода составит около 0,2 метрических тонны (0,22 коротких тонны), менее одного процента, что вряд ли оправдает дополнительные три года, необходимые для вывода на орбиту. [14]

См. Также [ править ]

  • Межзвездный циклер
  • Лунный велосипедист

Заметки [ править ]

  1. ^ Обычным топливом вблизи Земли является жидкий водород и жидкий кислород , которые можно охлаждать на земле и использовать во время или вскоре после запуска. 2 × H2+ O2Комбинация имеет удельный импульс около 450 с (4,4 км / с). В маневрах в глубоком космосе используется токсичное некриогенное топливо - моно-метилгидразин и четырехокись азота (например, используемое на космическом корабле « Галилео» ) с удельным импульсом 300 с (2,9 км / с). К сожалению, более безопасные и эффективные криогенные виды топлива, такие как O2и H2 не могут быть экономично перенесены в глубокий космос: без чрезмерно мощного охлаждения они выкипят.

Ссылки [ править ]

  1. ^ Hollister 1969 , стр. 366.
  2. ^ Hollister 1969 , стр. 369.
  3. ^ a b Бирнс, Лонуски и Олдрин 1993 , стр. 334.
  4. ^ a b Олдрин 1985 , стр. 3–10.
  5. ^ a b c Макконаги, Лонгуски и Бирнс 2002 , стр. 6.
  6. ^ a b c d Friedlander et al. 1986 , стр. 31.
  7. ^ McConaghy, Longuski & Бирнс 2002 , стр. 1.
  8. Перейти ↑ Russell & Ocampo 2004 , p. 321.
  9. ^ а б в г Бирнс, Лонуски и Олдрин 1993 , стр. 334–335.
  10. ^ a b c Олдрин, Базз ; Ноланд, Дэвид (13 декабря 2005 г.). «Дорожная карта Базза Олдрина на Марс - эксклюзив для PM » . Популярная механика .
  11. ^ a b c Беллоуз, Алан (10 апреля 2008 г.). «Марсианский экспресс» . Чертовски интересно . Проверено 17 ноября 2018 года .
  12. ^ а б Роджерс и др. 2015 , стр. 114.
  13. ^ Rogers et al. 2015. С. 120–121.
  14. ^ а б Роджерс и др. 2015 , стр. 123.

Ссылки [ править ]

  • Олдрин, Базз (28 октября 1985 г.). «Концепции циклических траекторий» (PDF) . buzzaldrin.com . Архивировано из оригинального (PDF) 31 июля 2018 года . Дата обращения 4 августа 2019 .
  • Бирнс, Деннис В .; Longuski, Джеймс М .; Олдрин, Базз (1993). «Циклеровская орбита между Землей и Марсом». Журнал космических аппаратов и ракет . 30 (3): 334–336. Bibcode : 1993JSpRo..30..334B . DOI : 10.2514 / 3.25519 .
  • Friedlander, Alan L .; Нихофф, Джон С .; Бирнс, Деннис В .; Лонгаски, Джеймс М. (18–20 августа 1986 г.). Циркуляционные транспортные орбиты между Землей и Марсом (PDF) . Конференция по астродинамике. Вильямсбург, Вирджиния: Американский институт аэронавтики и астронавтики . DOI : 10.2514 / 6.1986-2009 . 86-2009 . Дата обращения 4 августа 2019 .
  • Холлистер, WM (1969). «Периодические орбиты для межпланетного полета». Журнал космических аппаратов и ракет . 6 (4): 366–369. Bibcode : 1969JSpRo ... 6..366H . DOI : 10.2514 / 3.29664 . ISSN  0022-4650 . }
  • Макконаги, Т. Трой; Longuski, Джеймс М .; Бирнс, Деннис В. (2002). "Анализ широкого класса циклических траекторий Земля-Марс" (PDF) . Американский институт аэронавтики и астронавтики . 2002–4420.
  • Роджерс, Блейк А .; Хьюз, Кайл М .; Longuski, Джеймс М .; Олдрин, Базз (2015). «Установление циклических траекторий между Землей и Марсом». Acta Astronautica . 112 : 114–125. Bibcode : 2015AcAau.112..114R . DOI : 10.1016 / j.actaastro.2015.03.002 . ISSN  0094-5765 .
  • Рассел, Райан; Окампо, Сезар (2004). «Систематический метод построения круговоротов Земля-Марс с использованием траекторий свободного движения». Журнал наведения, управления и динамики . 27 (3): 321–335. Bibcode : 2004JGCD ... 27..321R . DOI : 10.2514 / 1.1011 .