Низкоэнергетические траектории в Солнечной системе

Введение

Межпланетная транспортная сеть (МТС) — это набор гравитационно обусловленных траекторий в Солнечной системе, для прохождения по которым требуется очень мало энергии. МТС особенно эффективно использует точки Лагранжа как места, где траектории в пространстве можно перенаправить, затратив незначительное количество энергии или не затратив её вовсе. Эти точки обладают уникальным свойством – позволять объектам оставаться вблизи них, не вращаясь вокруг какого-либо центрального тела. Хотя перемещение по сети требует небольших энергетических затрат, оно занимает значительное время.

История

Межпланетные переносные орбиты являются решениями задачи трёх тел в гравитации, которая, в общем случае, не имеет аналитических решений и решается с помощью приближений численного анализа. Однако существует небольшое число точных решений, наиболее известными из которых являются пять орбит, называемых "точками Лагранжа" – орбитальные решения для круговых орбит в случае, когда одно тело значительно массивнее остальных. Ключом к открытию Межпланетной транспортной сети стало исследование природы извилистых траекторий вблизи точек Лагранжа Земля-Солнце и Земля-Луна. Впервые они были исследованы Анри Пуанкаре в 1890-х годах. Он заметил, что траектории, ведущие к любой из этих точек и от неё, почти всегда на некоторое время стабилизируются на орбите вокруг этой точки. Фактически, существует бесконечное количество траекторий, ведущих к точке и уводящих от неё, и все они требуют почти нулевого изменения энергии для достижения. При графическом изображении они образуют трубку, одним концом которой является орбита вокруг точки Лагранжа. Вывод этих траекторий восходит к работам математиков Чарльза К. Конли и Ричарда П. МакГи, выполненным в 1968 году. Японский лунный зонд "Хитен" был выведен на лунную орбиту, используя аналогичное понимание природы траекторий между Землей и Луной. Начиная с 1997 года, Мартин Ло, Шейн Д. Росс и другие опубликовали серию статей, в которых определили математическую основу, применив этот метод к миссии Genesis по возврату образцов солнечного ветра, а также к лунным и юпитерианским миссиям. Они назвали это Межпланетной супермагистралью (МПМ).

Пути

Как оказалось, очень легко перейти от траектории, ведущей к точке, к траектории, ведущей обратно от неё. Это объяснимо, поскольку орбита неустойчива, что подразумевает, что в конечном итоге вы окажетесь на одной из исходящих траекторий, не затратив при этом никакой энергии. Эдвард Белбруно ввёл термин "граница слабой устойчивости" или "размытая граница" для описания этого эффекта. С помощью точных расчётов можно выбрать желаемую исходящую траекторию. Это оказалось полезным, поскольку многие из этих траекторий ведут к интересным точкам в космосе, таким как Луна Земли или области между галилеевыми спутниками Юпитера, в течение нескольких месяцев или лет. Для полётов с Земли на другие планеты они не подходят для пилотируемых или беспилотных аппаратов, так как путешествие заняло бы многие поколения. Тем не менее, они уже использовались для перевода космических аппаратов в точку Земля — Солнце, удобную для изучения Солнца, которая применялась в ряде недавних миссий, включая миссию Genesis, впервые доставившую образцы солнечного ветра на Землю. Эта сеть также важна для понимания динамики Солнечной системы; комета Шумейкера — Леви 9 двигалась по подобной траектории при столкновении с Юпитером.

Дополнительные пояснения

ITN основана на серии орбитальных траекторий, предсказанных теорией хаоса и задачей трех тел с ограничениями, ведущих к орбитам вокруг точек Лагранжа и от них – точек в пространстве, где гравитация между различными телами уравновешивается с центробежной силой объекта, находящегося в этих точках. Для любых двух тел, где одно тело обращается вокруг другого, например, системы звезда/планета или планета/спутник, существует пять таких точек, обозначаемых через . Например, точка Земля–Луна лежит на линии, соединяющей их, где гравитационные силы между ними точно компенсируются центробежной силой объекта, помещенного на орбиту вокруг этой точки. Эти пять точек характеризуются особенно низкими требованиями к изменению скорости (Δv) и представляются наиболее энергоэффективными траекториями, даже более низкими, чем классическая орбита Гомана, которая доминировала в орбитальной навигации с начала космических полетов. Хотя силы сбалансированы в этих точках, первые три точки (расположенные на линии между массивным телом, например, звездой, и менее массивным обращающимся телом, например, планетой) не являются точками стабильного равновесия. Если космическому аппарату, находящемуся в точке Земля–Луна, придать даже незначительный импульс, отклоняющий его от точки равновесия, его траектория будет отклоняться от этой точки. Поскольку вся система находится в движении, космический аппарат не столкнется с Луной, а будет двигаться по криволинейной траектории в космос. Однако вокруг каждой из этих точек существует квазистабильная орбита, называемая гало-орбитой. Орбиты для двух точек, и , стабильны, но гало-орбиты для через стабильны лишь в течение нескольких месяцев. Помимо орбит вокруг точек Лагранжа, сложная динамика, возникающая из-за гравитационного притяжения нескольких тел, порождает интересные траектории, также известные как траектории с низкими энергетическими затратами. Космический аппарат смог маневрировать в окрестностях Земли, используя небольшое количество топлива, благодаря уникальной гравитационной среде. После завершения основной миссии ISEE 3 выполнил другие задачи, включая пролет через геомагнитный хвост и сближение с кометой. Впоследствии миссия была переименована в Международный исследователь комет (ICE). Первым применением траектории с низкими энергетическими затратами, которая впоследствии получила название ITN, стала спасательная операция японской лунной миссии Hiten в 1991 году. Другим примером использования ITN была миссия NASA Genesis (2001–2003 гг.), которая более двух лет обращалась вокруг точки Солнце–Земля, собирая материал, прежде чем быть перенаправлена к точке Лагранжа, а затем – обратно к Земле. В период с 2003 по 2006 год SMART 1 Европейского космического агентства использовала еще одну траекторию с низкими энергетическими затратами, основанную на ITN. В более недавнем примере китайский космический аппарат Chang'e 2 использовал ITN для перехода с лунной орбиты к точке Земля–Солнце, а затем совершил пролет мимо астероида 4179 Toutatis.

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.

Астероиды

Считается, что траектория астероида 39P/Oterma, проходящая из-за орбиты Юпитера внутрь её и обратно наружу, соответствует этим путям с низкой энергией.