Międzyplanetarna Sieć Transportowa - Interplanetary Transport Network

Nie mylić z siecią międzyplanetarną lub międzyplanetarnym systemem transportowym .
Ten stylizowany wizerunek ITN ma na celu pokazanie jego (często zawiłej) ścieżki w Układzie Słonecznym . Zielona wstążka reprezentuje jedną ścieżkę spośród wielu, które są matematycznie możliwe wzdłuż powierzchni ciemniejszej zielonej rury ograniczającej. Lokalizacje, w których wstążka gwałtownie zmienia kierunek, reprezentują zmiany trajektorii w punktach Lagrange'a , podczas gdy obszary zwężone reprezentują lokalizacje, w których obiekty pozostają na tymczasowej orbicie wokół punktu przed kontynuowaniem.

Interplanetary Sieci Transportowej ( ITN ) jest zbiorem grawitacyjnie określonych ścieżek poprzez Układzie Słonecznym , które wymagają bardzo mało energii dla obiektu do naśladowania. ITN w szczególny sposób wykorzystuje punkty Lagrange'a jako miejsca, w których trajektorie w przestrzeni mogą być przekierowywane przy użyciu niewielkiej ilości energii lub wcale. Punkty te mają szczególną właściwość pozwalającą obiektom na orbitowanie wokół nich, pomimo braku obiektu do orbitowania. Choć zużywałby mało energii, transport w sieci zabierałby dużo czasu.

Historia

Orbity transferu międzyplanetarnego są rozwiązaniem problemu grawitacji trzech ciał , który w ogólnym przypadku nie ma rozwiązań analitycznych i jest rozwiązywany przez przybliżenia analizy numerycznej . Jednak istnieje niewielka liczba dokładnych rozwiązań, w szczególności pięć orbit zwanych „ punktami Lagrange'a ”, które są rozwiązaniami orbitalnymi dla orbit kołowych w przypadku, gdy jedno ciało jest znacznie bardziej masywne.

Kluczem do odkrycia Międzyplanetarnej Sieci Transportowej było zbadanie natury krętych ścieżek w pobliżu punktów Lagrange'a Ziemia-Słońce i Ziemia-Księżyc. Po raz pierwszy zbadał je Henri Poincaré w latach 90. XIX wieku. Zauważył, że ścieżki prowadzące do iz dowolnego z tych punktów prawie zawsze osadzają się przez jakiś czas na orbicie wokół tego punktu. W rzeczywistości istnieje nieskończona liczba ścieżek prowadzących do punktu i oddalających się od niego, a dotarcie do wszystkich z nich wymaga prawie zerowej zmiany energii. Po wykreśleniu tworzą rurkę z orbitą wokół punktu Lagrange'a na jednym końcu.

Wyprowadzenie tych ścieżek sięga wstecz do matematyków Charlesa C. Conleya i Richarda P. McGehee w 1968 roku. Hiten , pierwsza japońska sonda księżycowa, została przeniesiona na orbitę księżycową przy użyciu podobnego wglądu w naturę ścieżek między Ziemią a Księżycem . Począwszy od 1997 roku, Martin Lo , Shane D. Ross i inni napisali serię artykułów identyfikujących podstawy matematyczne, które stosowały tę technikę do zwrotu próbki wiatru słonecznego z Genesis oraz do misji księżycowych i Jowisza . Nazywali ją Superautostradą Międzyplanetarną (IPS).

Ścieżki

Jak się okazuje, bardzo łatwo jest przejść ze ścieżki prowadzącej do punktu na prowadzącą z powrotem. Ma to sens, ponieważ orbita jest niestabilna, co oznacza, że ​​w końcu znajdzie się na jednej z wychodzących ścieżek, nie zużywając w ogóle energii. Edward Belbruno ukuł termin „słaba granica stabilności” lub „rozmyta granica” dla tego efektu.

Dzięki dokładnej kalkulacji można wybrać, którą ścieżkę wychodzącą chce. Okazało się to być użyteczne, ponieważ wiele z tych dróg prowadzi do ciekawych punktów w przestrzeni, takie jak ziemskiego Księżyca lub między księżyców Galileusza z Jowiszem . W efekcie za koszt dotarcia do punktu Ziemia- Słońce L 2 , który jest raczej niską wartością energetyczną, można podróżować do wielu bardzo ciekawych punktów za niewielką lub zerową opłatą za paliwo . Ale podróż z Ziemi na Marsa lub w inne odległe miejsca prawdopodobnie zajęłaby tysiące lat.

Transfery są tak niskoenergetyczne, że umożliwiają podróż do niemal każdego punktu w Układzie Słonecznym. Z drugiej strony te transfery są bardzo powolne. W przypadku podróży z Ziemi na inne planety nie są one przydatne dla sond załogowych lub bezzałogowych, ponieważ podróż zajęłaby wiele pokoleń. Niemniej jednak zostały już wykorzystane do przeniesienia statku kosmicznego do punktu Ziemia-Słońce L 1 , użytecznego punktu do badania Słońca, który był wykorzystywany w wielu ostatnich misjach, w tym w misji Genesis , pierwszej, która zwróciła próbki wiatru słonecznego na Ziemię. . Sieć ma również znaczenie dla zrozumienia dynamiki Układu Słonecznego; Kometa Shoemaker–Levy 9 podążała taką trajektorią na swojej drodze zderzenia z Jowiszem.

Dalsze wyjaśnienia

ITN opiera się na szeregu orbit orbitalnych przewidzianych przez teorię chaosu i ograniczonym problemie trzech ciał prowadzących do i z orbit wokół punktów Lagrange'a – punktów w przestrzeni, gdzie grawitacja pomiędzy różnymi ciałami równoważy się z siłą odśrodkową znajdującego się tam obiektu . Dla dowolnych dwóch ciał, w których jedno ciało krąży wokół drugiego, takich jak układ gwiazda/planeta lub planeta/księżyc, istnieje pięć takich punktów, oznaczonych od L 1 do L 5 . Na przykład punkt Ziemia-Księżyc L 1 leży na linii między nimi, gdzie siły grawitacyjne między nimi dokładnie równoważą się z siłą odśrodkową obiektu umieszczonego na orbicie. Te pięć punktów ma szczególnie niskie wymagania delta-v i wydaje się, że są to transfery o najniższej energii, nawet niższe niż zwykła orbita transferowa Hohmanna , która dominowała nawigację orbitalną od początku podróży kosmicznych.

Chociaż siły równoważą się w tych punktach, pierwsze trzy punkty (te na linii pomiędzy pewną dużą masą, np. gwiazdą , a mniejszą masą krążącą po orbicie, np. planeta ) nie są punktami równowagi stabilnej . Jeśli statek kosmiczny umieszczony w punkcie L 1 Ziemia-Księżyc zostanie nawet lekko odsunięty od punktu równowagi, trajektoria statku kosmicznego odbiegnie od punktu L 1 . Cały system jest w ruchu, więc statek kosmiczny nie uderzy w Księżyc, ale będzie podróżować po krętej ścieżce w kosmos. Istnieje jednak półstabilna orbita wokół każdego z tych punktów, zwana orbitą halo . Orbity dwóch punktów, L 4 i L 5 , są stabilne, ale orbity halo dla L 1 do L 3 są stabilne tylko rzędu miesięcy .

Oprócz orbit wokół punktów Lagrange'a, bogata dynamika, która wynika z przyciągania grawitacyjnego więcej niż jednej masy, prowadzi do interesujących trajektorii, znanych również jako transfery niskiej energii . Na przykład środowisko grawitacyjne układu Słońce–Ziemia–Księżyc umożliwia statkom kosmicznym pokonywanie dużych odległości przy bardzo małej ilości paliwa, choć często po okrężnej trasie.

Misje

Wystrzelony w 1978 roku statek kosmiczny ISEE-3 został wysłany z misją na orbitę wokół jednego z punktów Lagrange'a. Statek kosmiczny był w stanie manewrować wokół Ziemi przy użyciu niewielkiej ilości paliwa, wykorzystując unikalne środowisko grawitacyjne . Po zakończeniu głównej misji ISEE-3 przystąpił do realizacji innych celów, w tym przelotu przez ogon geomagnetyczny i przelotu komety. Następnie misję przemianowano na International Cometary Explorer (ICE).

Pierwszy przelew niskie zużycie energii przy użyciu co będzie później nazwać ITN było ratowanie Japonia „s Hiten księżycowej misji w 1991 roku.

Innym przykładem wykorzystania ITN była misja NASA 2001-2003 Genesis , która przez ponad dwa lata krążyła wokół punktu L 1 Słońce-Ziemia, zbierając materiał, zanim została skierowana do punktu L 2 Lagrange'a, a stamtąd z powrotem. Do ziemi.

2003-2006 SMART-1 z Europejskiej Agencji Kosmicznej używany inny niski transfer energii z ITN.

W nowszym przykładzie, chiński statek kosmiczny Chang'e 2 wykorzystał ITN do podróży z orbity księżycowej do punktu Ziemia-Słońce L 2 , a następnie przeleciał obok asteroidy 4179 Toutatis .

Asteroidy

Mówi się , że ścieżka asteroidy 39P/Oterma od zewnętrznej orbity Jowisza do wnętrza iz powrotem na zewnątrz wykorzystuje te niskoenergetyczne ścieżki.

Zobacz też

Źródła i notatki

Linki zewnętrzne