Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Күн жүйесіндегі төмен энергиялы траекториялар
Low energy trajectories in the Solar System
Планетааралық көлік желісі (ПТЖ) – Күн жүйесіндегі дененің өте аз энергия жұмсау арқылы қозғала алатын, гравитациялық түрде анықталатын жолдар жиынтығы. ПТЖ кеңістіктегі траекторияларды аз немесе мүлдем энергия жұмсамай қайта бағыттау үшін Лагранж нүктелерін пайдаланады. Бұл нүктелердің ерекше қасиеті – орбиталық дененің болмауына қарамастан, дененің олардың айналасында орбитаға түсуіне мүмкіндік беруі. Бұл аз энергия қажет болғанымен, желі арқылы тасымалдау көп уақытты алады.
The Interplanetary Transport Network (ITN) is a collection of gravitationally determined pathways through the Solar System that require very little energy for an object to follow. The ITN makes particular use of Lagrange points as locations where trajectories through space can be redirected using little or no energy. These points have the peculiar property of allowing objects to orbit around them, despite lacking an object to orbit. While it would use little energy, transport along the network would take a long time.
Тарих
Планетааралық транзит орбиталары – үш денелі гравитациялық проблеманың шешімі болып табылады, ол жалпы жағдайда аналитикалық шешімдерге ие емес және сандық талдаудың жуық шамамен есептеулерімен шешіледі. Дегенмен, бірнеше нақты шешімдер бар, ең маңыздысы – "Лагранж нүктелері" деп аталатын бес орбита, олар бір дененің едәуір массалы болған жағдайда, айналмалы орбиталар үшін орбиталық шешімдер болып табылады. Планетааралық көлік желісін ашудың кілті – Жер-Күн және Жер-Ай Лагранж нүктелеріне жақын иілгіш жолдардың сипатын зерттеу болды. Оларды алғаш рет 1890 жылдары Анри Пуанкаре зерттеді. Ол осы нүктелерге жететін және олардан шығатын жолдардың көбінесе біраз уақытқа сол нүктенің маңындағы орбитаға орналасатынын байқады. Шындығында, сол нүктеге жету және одан кету үшін шексіз көп жол бар, олардың барлығына энергияның минимал өзгерісі ғана қажет. Графикте көрсетілгенде, олар Лагранж нүктесінің орбитасы бір шетінде орналасқан түтік құрайды. Бұл жолдардың шығарылу тарихы 1968 жылы Чарльз К. Конли және Ричард П. МакГи математиктеріне дейін жетеді. Жапонияның алғашқы Ай зонды – "Хитен" Жер мен Ай арасындағы жолдардың сипатына қатысты ұқсас түсініктер арқасында Ай орбитасына көшірілді. 1997 жылдан бастап Мартин Ло, Шейн Д. Росс және басқалар "Жаратылыс" күннің жел үлгілерін қайтару және Ай мен Юпитер миссияларына бұл техниканы қолданған математикалық негізді анықтаған бірқатар мақалалар жазды. Олар оны Планетааралық суперавтожол (IPS) деп атады.
Interplanetary transfer orbits are solutions to the gravitational three body problem, which, for the general case, does not have analytical solutions, and is addressed by numerical analysis approximations. However, a small number of exact solutions exist, most notably the five orbits referred to as "Lagrange points", which are orbital solutions for circular orbits in the case when one body is significantly more massive. The key to discovering the Interplanetary Transport Network was the investigation of the nature of the winding paths near the Earth Sun and Earth Moon Lagrange points. They were first investigated by Henri Poincaré in the 1890s. He noticed that the paths leading to and from any of those points would almost always settle, for a time, on an orbit about that point. There are in fact an infinite number of paths taking one to the point and away from it, and all of which require nearly zero change in energy to reach. When plotted, they form a tube with the orbit about the Lagrange point at one end. The derivation of these paths traces back to mathematicians Charles C. Conley and Richard P. McGehee in 1968. Hiten, Japan's first lunar probe, was moved into lunar orbit using similar insight into the nature of paths between the Earth and the Moon. Beginning in 1997, Martin Lo, Shane D. Ross, and others wrote a series of papers identifying the mathematical basis that applied the technique to the Genesis solar wind sample return, and to lunar and Jovian missions. They referred to it as an Interplanetary Superhighway (IPS).
Жолдар
Көрініп тұрғанындай, нүктеге жеткізетін жолдан кері қайту жолына өту өте оңай. Бұл түсінікті, себебі орбита тұрақсыз, яғни энергия жұмсамай-ақ, адам ақырында бір ізбасар жолға түседі. Эдвард Белбруно осы құбылыс үшін «әлсіз тұрақтылық шекарасы» немесе «бұлыңғыр шекара» деген терминдерді енгізді. Нақты есептеулер арқылы қай ізбасар жолды таңдауға болады. Бұл пайдалы болып шығады, өйткені осы жолдардың көптегені ғарыштағы қызықты нүктелерге, мысалы, Жердің Айға немесе Юпитердің Галилей айлары арасына бірнеше айдың немесе жылдың ішінде жеткізеді. Жерден басқа планеталарға жасалатын сапарлар үшін олар адамдармен немесе автоматтандырылған ғарыш зондтары үшін тиімді емес, себебі сапарға көптеген ұрпақтар кетіп қалады. Дегенмен, олар ғарыш кемесін Жер-Күн нүктесіне жеткізу үшін қолданылды – бұл Күнді зерттеуге арналған пайдалы нүкте, және ол соңғы миссияларда, соның ішінде Жаратылыс миссиясында, күннің жел үлгілерін Жерге қайтару үшін алғаш рет пайдаланылды. Бұл желі Күн жүйесі динамикасын түсіну үшін де маңызды; Шоумейкер-Леви 9 кометі Юпитермен соқтығысқанда осындай траекторияны ұстанды.
As it turns out, it is very easy to transit from a path leading to the point to one leading back out. This makes sense, since the orbit is unstable, which implies one will eventually end up on one of the outbound paths after spending no energy at all. Edward Belbruno coined the term "weak stability boundary" or "fuzzy boundary" for this effect. With careful calculation, one can pick which outbound path one wants. This turns out to be useful, as many of these paths lead to some interesting points in space, such as the Earth's Moon or between the Galilean moons of Jupiter, within a few months or years. For trips from Earth to other planets, they are not useful for crewed or uncrewed probes, as the trip would take many generations. Nevertheless, they have already been used to transfer spacecraft to the Earth–Sun point, a useful point for studying the Sun that was employed in a number of recent missions, including the Genesis mission, the first to return solar wind samples to Earth. The network is also relevant to understanding Solar System dynamics; Comet Shoemaker–Levy 9 followed such a trajectory on its collision path with Jupiter.
Қосымша түсіндірме
ITN хаос теориясы және шектеулі үш дене проблемасы болжаған орбиталық жолдар сериясына негізделген, бұл жолдар Лагранж нүктелерінің айналасындағы орбиталарға әкеледі және олардан шығады – әртүрлі денелер арасындағы гравитациялық күш пен орталықтан тығырыла күш тепе-теңдікте болатын ғарыштағы нүктелер. Кез келген екі дене жүйесінде, мұнда бір дене екіншісінің айналасында айналады (мысалы, жұлдыз/планета немесе планета/ай), бес мұндай нүкте бар. Мысалы, Жер–Ай нүктесі екеуінің арасындағы түзу сызықта орналасқан, онда олардың арасындағы гравитациялық күштер орбитаға қойылған дененің орталықтан тығырыла күшімен дәл теңеседі. Бұл бес нүктедегі дельта v талаптары өте төмен, және олар мүмкін болатын ең төмен энергиямен берілулер болып көрінеді, тіпті ғарыш саяхаты басталғаннан бері орбиталық навигацияға үстемдік еткен Хоманн трансферт орбитасынан да төмен. Осы нүктелерде күштер теңгерілгенімен, алғашқы үш нүкте (белгілі бір үлкен масса, мысалы жұлдыз, және оның айналасында айналатын кішкентай масса, мысалы планета, арасындағы түзу сызықтағылар) тұрақты тепе-теңдік нүктелері емес. Егер Жер–Ай нүктесіне орналастырылған ғарыш кемесіне тепе-теңдік нүктесінен тіпті ең кішкентай итергіш берілсе, ғарыш кемесінің траекториясы бұл нүктеден ауытқи бастайды. Жүйе толығымен қозғалыста болғандықтан, ғарыш кемесі Айға соқтығыспайды, бірақ ортасы бұрылып, ғарышқа қарай ұшады. Дегенмен, осы нүктелердің әрқайсысының айналасында жартылай тұрақты орбита бар, ол гало орбитасы деп аталады. Екі нүктедегі орбиталар тұрақты, ал гало орбиталары тек айлар бойы ғана тұрақты. Лагранж нүктелерінің айналасындағы орбиталардан басқа, бірнеше массалардың гравитациялық тартылысынан туындайтын күрделі динамика қызықты траекторияларды тудырады, олар төмен энергиямен берілулер деп те аталады. Ғарыш кемесі Жердің ерекше гравитациялық ортасын пайдаланып, аз отын жұмсап, Жердің маңында маневр жасауға мүмкіндік алды. Бастапқы миссиясы аяқталғаннан кейін ISEE 3 басқа мақсаттарға да қол жеткізді, соның ішінде геомагниттік құйрықтан өту және кометадан өту. Бұл миссия кейін Халықаралық кометалық зерттеуші (ICE) деп аталды. ITN деп кейіннен аталған төмен энергиямен берілуді алғаш рет пайдалану 1991 жылы Жапонияның Hiten Ай миссиясын құтқару болды. ITN-ді пайдаланудың тағы бір мысалы – NASA-ның 2001–2003 жылдардағы Genesis миссиясы, ол екі жылдан астам уақыт бойы Күн–Жер Лагранж нүктесінде айналып, материал жинады, содан кейін басқа Лагранж нүктесіне қайта бағытталды, және соңында одан Жерге қайта бағытталды. Еуропалық ғарыш агенттігінің 2003–2006 жылдардағы SMART 1 ғарыш аппараты ITN-нен тағы бір төмен энергиямен берілуді пайдаланды. Жақындағы мысал ретінде, Қытайдың Chang'e 2 ғарыш кемесі Ай орбитасынан Жер–Күн Лагранж нүктесіне, содан кейін 4179 Toutatis астероидының жанынан өту үшін ITN-ді қолданды.
The ITN is based around a series of orbital paths predicted by chaos theory and the restricted three body problem leading to and from the orbits around the Lagrange points – points in space where the gravity between various bodies balances with the centrifugal force of an object there. For any two bodies in which one body orbits around the other, such as a star/planet or planet/moon system, there are five such points, denoted through For instance, the Earth–Moon point lies on a line between the two, where gravitational forces between them exactly balance with the centrifugal force of an object placed in orbit there. These five points have particularly low delta v requirements, and appear to be the lowest energy transfers possible, even lower than the common Hohmann transfer orbit that has dominated orbital navigation since the start of space travel. Although the forces balance at these points, the first three points (the ones on the line between a certain large mass, e. g. a star, and a smaller, orbiting mass, e. g. a planet) are not stable equilibrium points. If a spacecraft placed at the Earth–Moon point is given even a slight nudge away from the equilibrium point, the spacecraft's trajectory will diverge away from the point. The entire system is in motion, so the spacecraft will not actually hit the Moon, but will travel in a winding path, off into space. There is, however, a semi stable orbit around each of these points, called a halo orbit. The orbits for two of the points, and , are stable, but the halo orbits for through are stable only on the order of months. In addition to orbits around Lagrange points, the rich dynamics that arise from the gravitational pull of more than one mass yield interesting trajectories, also known as low energy transfers. The spacecraft was able to maneuver around the Earth's neighborhood using little fuel by taking advantage of the unique gravity environment. After the primary mission was completed, ISEE 3 went on to accomplish other goals, including a flight through the geomagnetic tail and a comet flyby. The mission was subsequently renamed the International Cometary Explorer (ICE). The first low energy transfer using what would later be called the ITN was the rescue of Japan's Hiten lunar mission in 1991. Another example of the use of the ITN was NASA's 2001–2003 Genesis mission, which orbited the Sun–Earth point for over two years collecting material, before being redirected to the Lagrange point, and finally redirected from there back to Earth. The 2003–2006 SMART 1 of the European Space Agency used another low energy transfer from the ITN. In a more recent example, the Chinese spacecraft Chang'e 2 used the ITN to travel from lunar orbit to the Earth Sun point, then on to fly by the asteroid 4179 Toutatis.
Астероидтар
39P/Oterma астероидінің Юпитер орбитасының сыртынан ішіне, содан кейін қайта сыртына оралу жолы осы аз энергия кетіретін траекторияларды ұстанады делінеді.
The asteroid 39P/Oterma's path from outside Jupiter's orbit, to inside, and back to outside is said to follow these low energy paths.