Bolygóközi közlekedési hálózat

A  bolygóközi közlekedési hálózat ( ITN , Interplanetary Superhighway) [1]  egy gravitációsan meghatározott összetett pályák rendszere a Naprendszerben, amelyek kis mennyiségű üzemanyagot igényelnek. Az ITN a Lagrange -pontokat használja olyan pontként, ahol alacsony költségű átmenetek lehetségesek a világűr különböző pályái között . Annak ellenére, hogy az ITN lehetővé teszi a bolygóközi repüléseket alacsony energiaköltséggel, a repülések időtartama több tíz- és százszor hosszabb, mint a klasszikus Hohmann-pályán végzett repülésé, és elfogadhatatlan az emberes űrhajósok számára.

A Naprendszerben elsősorban a Jupiter, a Szaturnusz, az Uránusz és a Neptunusz, valamint ezek műholdai között keringenek olcsón [2] .

Történelem

Az ITN ötlet megjelenésének kulcsa a Lagrange pontok közelében lévő pályák tanulmányozása volt. Az első ilyen tanulmány Henri Poincaré munkája volt az 1890-es években. Észrevette, hogy az ezekhez a pontokhoz vezető és onnan induló utak egy ideig szinte mindig a pontok körüli pályákká alakulnak. [3] Valójában végtelen számú pálya halad át egy ponton, így a köztük lévő átmenet nem igényel energiát. Ha megrajzolják, csövet alkotnak, melynek egyik vége egy pályával végződik a Lagrange pontban. Ezt a tényt Charles C. Conley és Richard P. McGehee állapította meg az 1960-as években. [4] Edward Belbrano elméleti munkái( Jet Propulsion Laboratory ) 1994-ben [5] dolgozta ki a Föld és a Hold közötti hasonló, olcsó transzferpályák részleteit. 1991-ben a Hiten , Japán első holdszondája ilyen pályát használt a Holdra való repüléshez. Ebben az esetben a rendelkezésre álló üzemanyag-maradvány nem tenné lehetővé a Hold pályájának elérését klasszikus transzferpályákon. 1997 óta Martin Lo , Shane D. Ross és mások számos tanulmányt írtak az ITN matematikai alapjairól, és alkalmazták a technikát a Genesis űrszonda útvonalának kidolgozására (a Nap-Föld rendszer L1 pontja körüli pályára repülés visszatérés a Földre), valamint hold- és Jupiter-missziókhoz. Az útvonalrendszert Interplanetary Superhighway -nek (IPS, Interplanetary Superhighway) nevezték el [6] [7]

Kiderült, hogy egy ponthoz vezető pálya és a Lagrange-pontból kivezető pálya között egyszerű átmenet lehetséges. Ez azért történik, mert a Lagrange-pont körüli pálya instabil, és minden testnek előbb-utóbb el kell hagynia egy ilyen pályát. Pontos számítások elvégzésekor lehetőség van korrekció végrehajtására és a Lagrange-pontból kiinduló számos út közül egy kiválasztására. Ezen utak közül sok más bolygókra vagy azok holdjaira vezet. [8] Ez azt jelenti, hogy a Föld-Nap rendszer bolygóhoz közeli L2-es pontjának elérése után jelentős számú helyre lehet repülni csekély plusz üzemanyagköltséggel vagy anélkül.

Az ilyen átmeneti pályák olyan alacsony energiájúak, hogy elérik a Naprendszer legtöbb pontját. Ugyanakkor mindezek az átviteli pályák rendkívül hosszúak, és csak az automatikus bolygóközi állomások számára érhetők el , de emberes expedíciók számára nem.

ITN repüléseket már alkalmaztak a Nap-Föld rendszer L1 pontjának eléréséhez, ami hasznos a Nap megfigyeléséhez, többek között a Genesis küldetésben [9] . A SOHO Obszervatórium 1996 óta működik az L1-ben. A hálózat hozzájárult a Naprendszer dinamikájának jobb megértéséhez is; [10] [11] Például a Shoemaker-Levy 9 üstökös ezt az utat követte, mielőtt 1994-ben eltalálta a Jupitert [12] [13] .

Magyarázat

A Lagrange-pontok körüli keringési pályákon kívül gazdag dinamika jön létre egynél több nagy testtel való gravitációs kölcsönhatásokból, úgynevezett alacsony költségű átmeneti pályákon [4] . Például a Nap-Föld-Hold rendszer gravitációs mezői lehetővé teszik, hogy kis üzemanyag-fogyasztás mellett nagy távolságokra küldjenek űrjárműveket. 1978-ban az ISEE-3 űrrepülőgépet az egyik Lagrange-pontra indították [14] . Néhány manőverét csekély üzemanyag-fogyasztás mellett hajtották végre. A fő küldetés befejezése után az ISEE-3 átrepült a geomágneses faron, majd elrepült az üstökös közelében. A küldetést International Cometary Explorer (ICE) névre keresztelték.

2000-ben Martin Lo, Kathleen Howell és más JPL tudósok a Purdue Egyetem matematikai modelljei segítségével megalkották az LTool programot [15] [16] , amely leegyszerűsíti a Lagrange-pontok közelében elhaladó pályák kiszámítását, beleértve az ITN-ből származó trajektóriákat is. A korábbi módszerekhez képest a pályaszámítás akár 50-szer kevesebb időt is igénybe vehet. Ezt a fejlesztést jelölték a Discover Innovation Awardra. [17] [18]

Az ITN - hálózat olcsó átmeneti pályáját először a 19][1991használtajapán holdszondaHiten manőverekkel tért vissza a Földre . A 2003-2006-os ESA SMART-1 program is alacsony költségű átviteli pályát alkalmazott az ITN hálózatról.

Az ITN a káoszelmélet által megjósolt pályapályák sorozatán és azon a korlátozott problémán alapul, hogy három gravitációs test instabil pályákon halad át Lagrange-pontok körül – olyan pontokon, ahol a több testből származó gravitációs erő kioltja a testek centrifugális erejét. Bármely két objektumhoz, amelyekben az egyik a másik körül kering, például csillag/bolygó, bolygó/hold pár esetén három ilyen pont van, L1, L2, L3 jelöléssel. A Föld-Hold rendszer esetében az L1 pont a Föld és a Hold közötti vonalon található. Két olyan objektum esetében, amelyek tömegaránya meghaladja a 24,96-ot, két stabilabb pont van: L4 és L5. Az öt pontot összekötő pályák alacsony delta-v- igényűek, és a leggazdaságosabb transzferpályáknak tűnnek, beleértve a Hohmann -nál gazdaságosabb és bi -elliptikus transzferpályákat , amelyeket gyakran használnak orbitális navigációhoz.

Az ezekben a pontokban fellépő erők kompenzációja ellenére az L1, L2 és L3 pályák nem stabilak ( instabil egyensúly ). Ha a Föld-Hold rendszer L1 pontján elhelyezkedő űrhajó kis impulzust kap a Hold felé, akkor a Hold felől érkező vonzás megnő, és az űreszköz kihúzódik az L1 pontból. Mivel az összes érintett test mozgásban van, a hajó nem ütközik azonnal a Holddal, hanem kanyargós pályán halad a világűrbe. Az L1, L2, L3 Lagrange-pontok körül azonban félstabil pályák vannak, amelyek passzív létezésének időtartama több hónap. Az L4 és L5 pont körüli pályák stabilak.

Példák

A Föld parkolópályájának 200 km-es LEO-járól a Nap-Föld (SW) Lagrange L1 vagy L2 pontok közelében lévő halo pályára való repülés körülbelül 3200 m/s-ot igényel, és körülbelül 3 hónapot vesz igénybe. A halopálya fenntartásának költségét az ÉNy L1 vagy ÉNy L2 pontokon évente legfeljebb 5 m/s-ra becsülik. [húsz]

A Föld-Hold (EL) rendszer L1-es pontja és az ÉNy-i L2-es vagy visszarepülés a Nap-Föld-Hold ITN csatornákon keresztül hajtható végre egy 14 m/s-os determinisztikus manőverrel körülbelül 20 nap alatt. [húsz]

Az L1 ZL-pont 200 km -es parkolóföldi pályáról 3150 m/s és 7 nap alatt érhető el . (Ha növeli , a repülés felgyorsulhat). Az állomás L1 zónában tartása heti korrekciókat igényel, évi 10 m/s összköltségvetés mellett. [húsz]

Az ITN-pályák a Jupitert, a Szaturnuszt, az Uránuszt és a Neptunuszt (pontosabban a bolygó-Nap rendszerek L1 és L2 Lagrange-pontjait) kötik össze. [21] [22] [23]

Lásd még

Jegyzetek

  1. ↑ Ross, SD  A bolygóközi közlekedési hálózat  // Amerikai tudós :magazin. - 2006. - Vol. 94 . - P. 230-237 . doi : 10.1511 / 2006.59.994 .
  2. ↑ Stuart, 2018 , p. 242.
  3. ↑ Marsden, JE; Ross, SD Új módszerek az égi mechanikában és a küldetéstervezésben   // Bull . amer. Math. szoc.  : folyóirat. - 2006. - Vol. 43 . - 43-73 . o . - doi : 10.1090/S0273-0979-05-01085-2 .
  4. ↑ 1 2 Conley, CC Alacsony energiájú tranzitpályák a korlátozott háromtest problémában  // SIAM  Journal on Applied Mathematics : folyóirat. - 1968. - 1. évf. 16 . - P. 732-746 . — .
  5. ↑ Belbruno, E. 1994. Ballistic Lunar Capture Transfers Dynamical Mechanism of Ballistic Lunar Capture Transfers in the Four-Body Problem in Perspective Manifolds and Hill's Regions  (Hozzáférhetetlen link)
  6. ↑ Lo, Martin W. és Ross, Shane D. 2001. The Lunar L1 Gateway: Portal to the Stars and Beyond Archiválva : 2013. január 15. a Wayback Machine -n , AIAA Space 2001 Conference, Albequerque, New Mexico .
  7. ↑ Igor Afanasjev, Dmitrij Voroncov. Interplanetary Balancing Act  // Rovat: "Planetárium" : Magazin " A világ körül ". - 2008. - 8. szám (2815) .
  8. ↑ Ross, SD, WS Koon, MW Lo és JE Marsden. 2003. Multi-Moon Orbiter tervezése Az eredetiről archiválva 2007. január 8-án. . 13. AAS/AIAA űrrepülési mechanikai találkozó, Ponce, Puerto Rico . számú papír AAS 03-143.
  9. ↑ Lo, M.W. et al. 2001. Genesis Mission Design, The Journal of the Astronautical Sciences 49:169-184.
  10. ↑ Belbruno, E. és BG Marsden . 1997. Resonance Hopping in Comets . The Astronomical Journal 113:1433-1444
  11. ↑ WS Koon, MW Lo, JE Marsden és SD Ross. 2000. Heteroklinikus kapcsolatok periodikus pályák és rezonancia-átmenetek között az égi mechanikában . Káosz 10:427-469
  12. ↑ Smith, DL 2002. Következő kilépés 0,5 millió kilométer Archiválva : 2003. március 29. a Wayback Machine -nél . Műszaki és Tudomány LXV(4):6-15
  13. ↑ Ross, SD 2003. A belső-külső átmenet és ütközési valószínűségek statisztikai elmélete kisebb testek esetén a Naprendszerben Archiválva az eredetiből 2007. január 8-án. , Libration Point Orbits and Applications (Eds. G Gomez, MW Lo and JJ Masdemont), World Scientific , pp. 637-652.
  14. ↑ Farquhar, RW; Muhonen, D. P.; Newman, C.; Heuberger, H. Trajectories and Orbital Maneuvers for the First Libration-Point Satellite  (angol)  // Journal of Guidance and Control : folyóirat. - 1980. - 1. évf. 3 . - P. 549-554 .
  15. ↑ Martin W. Lo és Roby S. Wilson Az LTool csomag  (lefelé mutató link)
  16. ↑ Martin Lo, LTool, 1.0G verzió, szállítási nyilatkozat // JPL TRS 1992+, 2000. szeptember 29.
  17. ↑ A bolygóközi pilóta várja navigátorait 2012. április 12-i archív példány a Wayback Machine -nél , Jevgenyij Matusevics, Membrana.ru 2002. július 22.
  18. ↑ A BOLYGÓKÖZI SZUPERÚT EGYSZERŰBBÉ TESZI ŰRUTAZÁST Archiválva : 2013. április 7., a Wayback Machine , NASA 2002. július 17.
  19. ↑ Belbruno, E. Dinamika és kaotikus mozgások rögzítése az égi mechanikában: alacsony energiájú transzferek  felépítésével . — Princeton University Press , 2004. — ISBN 9780691094809 . Archivált másolat (nem elérhető link) . Hozzáférés dátuma: 2012. december 22. Az eredetiből archiválva : 2014. december 2. 
  20. ↑ 1 2 3 Martin Lo, Shane Ross, The Lunar L1 Gateway: Portal to the Stars and Beyond Archiválva : 2010. május 27. a Wayback Machine -nél // NASA JPL, AIAA Space 2001 Conference, 2001. augusztus 28-30; hdl:2014/40516
  21. ↑ Low Energy Transfers in the Solar System: Applications I , Martin Lo, 7/5/2004, 2004 Summer Workshop on Advanced Topics in Astrodynamics. 29. dia "Elosztóvezetékek összekötik a Naprendszert"
  22. ↑ Shane Ross, The Lunar L1 Gateway: Portal to the Planets , 2002. április 22., 17. dia "Az InterPlanetary Super Highway (IPS) Poincare szakasza"
  23. ↑ Az InterPlanetary Superhighway and the Origins Program archiválva : 2013. január 15., a Wayback Machine , Martin W. Lo, JPL - IEEE Aerospace Conference (Big Sky, MT, USA) 0-7803-7231-X, 2002. március 9., hdl :2014/8065 . oldal 11 "11. ábra Ez az IPS Poincaré szakasza a Külső Naprendszerben."

Irodalom

Linkek

 Keringők