Введение
Транслунная инъекция (ТЛИ) — это импульсный маневр, используемый для отправки космического аппарата к Луне. Типичные траектории перелёта к Луне аппроксимируются переходами Хомана, хотя в некоторых случаях также использовались низкоэнергетические траектории, как, например, в случае с зондом «Хитен». Для миссий короткой продолжительности, не подверженных значительным возмущениям со стороны объектов вне системы Земля-Луна, быстрый переход Хомана обычно является более практичным. Космический аппарат выполняет ТЛИ для начала лунного перелёта с низкой круговой парковочной орбиты вокруг Земли. Мощный импульс ТЛИ, обычно осуществляемый химическим ракетным двигателем, увеличивает скорость космического аппарата, изменяя его орбиту с круговой низкой околоземной орбиты на высокоэксцентричную. По мере того как космический аппарат начинает движение по траектории перелёта к Луне, его траектория приближается к эллиптической орбите вокруг Земли с апогеем, близким к радиусу орбиты Луны. Импульс ТЛИ рассчитывается по величине и времени так, чтобы точно нацелить космический аппарат на Луну в процессе её обращения вокруг Земли. Импульс выполняется таким образом, чтобы космический аппарат достигал апогея в момент приближения Луны. В конечном итоге космический аппарат входит в сферу влияния Луны, совершая гиперболический облёт Луны.
A trans lunar injection (TLI) is a propulsive maneuver, which is used to send a spacecraft to the Moon. Typical lunar transfer trajectories approximate Hohmann transfers, although low energy transfers have also been used in some cases, as with the Hiten probe. For short duration missions without significant perturbations from sources outside the Earth Moon system, a fast Hohmann transfer is typically more practical. A spacecraft performs TLI to begin a lunar transfer from a low circular parking orbit around Earth. The large TLI burn, usually performed by a chemical rocket engine, increases the spacecraft's velocity, changing its orbit from a circular low Earth orbit to a highly eccentric orbit. As the spacecraft begins coasting on the lunar transfer arc, its trajectory approximates an elliptical orbit about the Earth with an apogee near to the radius of the Moon's orbit. The TLI burn is sized and timed to precisely target the Moon as it revolves around the Earth. The burn is timed so that the spacecraft nears apogee as the Moon approaches. Finally, the spacecraft enters the Moon's sphere of influence, making a hyperbolic lunar swingby.
Бесплатный возврат
В некоторых случаях можно спроектировать TLI таким образом, чтобы вывести космический аппарат на траекторию свободного возврата, при которой он обогнет Луну и вернется на Землю без необходимости дополнительных двигательных маневров. Такие траектории свободного возврата повышают безопасность пилотируемых космических миссий, поскольку космический аппарат вернется на Землю "бесплатно" после первоначального импульса TLI. Аполлоны 8, 10 и 11 стартовали по траектории свободного возврата, в то время как в более поздних миссиях использовалась функционально аналогичная гибридная траектория, требующая коррекции курса в середине пути для достижения Луны.
Заправленные конусы
Целевое нанесение TLI и лунные перелеты являются специфическим применением задачи n тел, которую можно аппроксимировать различными способами. Самый простой способ исследовать траектории лунных перелетов – метод сопряженных коник. Предполагается, что космический аппарат ускоряется только под действием классической двухтельной динамики, находясь под доминирующим гравитационным влиянием Земли до достижения сферы влияния Луны. Движение в системе сопряженных коник детерминировано и просто для вычислений, что делает его подходящим для предварительного проектирования миссии и быстрых оценочных расчетов.
Ограниченный круглый трехместный корпус (RC3B)
Однако, более реалистично рассматривать воздействие на космический аппарат гравитационных сил от множества тел. Гравитация Земли и Луны оказывает доминирующее влияние на ускорение аппарата, и поскольку собственная масса аппарата пренебрежимо мала по сравнению с их массами, траектория космического аппарата может быть точнее аппроксимирована как частный случай задачи трех тел. Эта модель обеспечивает более точное приближение, но не имеет аналитического решения и требует численного вычисления.
Более высокая точность
Более детальное моделирование включает в себя моделирование истинного орбитального движения Луны, гравитационное воздействие других астрономических тел, неоднородность гравитационных полей Земли и Луны, а также учет давления солнечного излучения и другие факторы. Расчет траектории космического аппарата в такой модели требует значительных вычислительных ресурсов, но необходим для достижения высокой точности миссии.
История
Первым космическим зондом, предпринявшим попытку TLI, был советский "Луна-1" 2 января 1959 года, разработанный для столкновения с Луной. Однако манёвр не прошёл по плану, и аппарат пролетел мимо Луны на расстоянии, превышающем её радиус более чем в три раза, выйдя на гелиоцентрическую орбиту. "Луна-2" выполнила тот же манёвр точнее 12 сентября 1959 года и столкнулась с Луной два дня спустя. Советские повторили этот успех с 22 дополнительными миссиями "Луна" и 5 миссиями "Зонд", направленными к Луне в период с 1959 по 1976 год. Соединённые Штаты предприняли свою первую попытку создания лунного ударного аппарата, "Ranger-3", 26 января 1962 года, но он не достиг Луны. За ней последовал первый американский успех, "Ranger-4", 23 апреля 1962 года. С 1962 по 1973 год было запущено ещё 27 американских миссий к Луне, включая пять успешных мягких посадочных аппаратов "Surveyor", пять разведывательных зондов "Lunar Orbiter" и девять миссий "Apollo", которые доставили первых людей на Луну. Для лунных миссий "Apollo" TLI осуществлялся с помощью перезапускаемого двигателя J-2 в третьей ступени S-IVB ракеты "Saturn V". Этот конкретный импульс TLI длился около 350 секунд, обеспечивая изменение скорости от 3,05 до 3,25 км/с, после чего аппарат двигался со скоростью примерно 10,4 км/с относительно Земли. TLI миссии "Apollo-8" был эффектно наблюдаем с Гавайских островов в предрассветном небе к югу от Вайкики, был сфотографирован и описан в газетах на следующий день. В 1969 году предрассветный TLI "Apollo-10" был виден из Клонкарри, Австралия. Его описывали как похожие на фары автомобиля, появляющиеся из-за холма в тумане, при этом сам аппарат выглядел как яркая комета с зеленоватым оттенком. Американский космический аппарат "Clementine" 1994 года, разработанный для демонстрации облегчённых технологий, использовал TLI длительностью 3 недели с двумя промежуточными гравитационными манёврами вблизи Земли перед выходом на лунную орбиту. В 1997 году "Asiasat-3" стал первым коммерческим спутником, достигшим сферы влияния Луны, когда после неудачного запуска он дважды пролетел мимо Луны, используя малый дельта-v для достижения желаемой геостационарной орбиты. Он прошёл на расстоянии 6200 км от поверхности Луны. В 2003 году спутник-демонстратор технологий ESA "SMART-1" стал первым европейским спутником, вышедшим на орбиту вокруг Луны. После запуска на геостационарную переходную орбиту (GTO) он использовал ионные двигатели, работающие на солнечной энергии, для движения. В результате чрезвычайно малого дельта-v при маневре TLI, аппарату потребовалось более 13 месяцев, чтобы достичь лунной орбиты и 17 месяцев – желаемой орбиты. Китай запустил свою первую лунную миссию в 2007 году, выведя космический аппарат "Чанъэ-1" на лунную орбиту. Он использовал несколько импульсов для постепенного увеличения апогея и достижения окрестностей Луны. Индия последовала за ней в 2008 году, запустив "Chandrayaan-1" на GTO и, как и китайский аппарат, увеличивая его апогей серией импульсов. Мягкий посадочный аппарат "Beresheet", разработанный Israel Aerospace Industries, использовал этот манёвр в 2019 году, но потерпел крушение на Луне. В 2011 году спутники NASA "GRAIL" использовали маршрут к Луне с малым дельта-v, проходя мимо точки L1 системы Земля-Солнце, что заняло более 3 месяцев.