Межпланетная транспортная сеть

Стилизованное изображение межпланетной транспортной сети. Зеленая полоса — один из множества возможных путей, расположенных на поверхности светлозеленой трубы. Места, где зеленая полоса резко меняет траекторию — точки Лагранжа

Межпланетная транспортная сеть (англ. interplanetary transport network, ITN, Межпланетный Суперхайвей)^[1] — система гравитационно определенных сложных орбит в Солнечной системе, которые требуют небольшого количества топлива. ITN использует точки Лагранжа в качестве точек, в которых возможны низкозатратные переходы между различными орбитами в космическом пространстве. Несмотря на то, что ITN позволяет совершать межпланетные перелеты с небольшими затратами энергетики, длительность полетов в десятки больше, чем у классических перелетов по орбитам Гомана — Ветчинкина.

История

Ключевым в появлении идеи ITN были исследования траекторий вблизи точек Лагранжа. Первым таким исследованием была работа Анри Пуанкаре в 1890ых. Он заметил, что пути к этим точкам и от них почти всегда на некоторое время превращаются в орбиты вокруг точек.^[2] Фактически, существует бесконечное количество траекторий, проходящих через точку, таких, что переход между ними не требует энергии. Если из нарисовать, то они образуют трубу, один из концов которой завершается орбитой у точки Лагранжа. Этот факт был установлен Charles C. Conley и Richard P. McGehee в 1960ых.^[3] Теоретические работы Эдварда Белбрано (англ.)русск. (Jet Propulsion Laboratory) в 1994^[4] проработали детали подобных низкозатратных переходных траекторий между Землей и Луной. В 1991 году, Hiten, первый японский лунный зонд, воспользовался такой траекторией для перелета к Луне. При этом имевшийся остаток топлива не позволял бы достигнуть орбиты Луны по классическим переходным орбитам. Начиная с 1997 Martin Lo, Shane D. Ross и другие написали серию статей о математических основах ITN и применили технику к разработке маршрута КА Genesis (полет на орбиту вокруг точки L1 системы Солнце-Земля с возвратом на Землю), а также для лунных и Юпитерианских миссий. Они назвали систему маршрутов Interplanetary Superhighway (IPS, Межпланетный Суперхайвей)^[5][6]

Оказалось, что возможен простой переход между траекторией, ведущей к точке, и траекторией, ведущей от точки Лагранжа. Это происходит, так как орбита вокруг точки Лагранжа является нестабильной и любое тело рано или поздно должно сойти с такой орбиты. При проведении точных расчетов возможно проведение коррекции и выбор одного из многих путей, исходящих из точки Лагранжа. Многие из таких путей ведут к другим планетам или их лунам.^[7] Это означает, что после достижения точки L2 системы Земля-Солнце, расположенной недалеко от планеты, возможен перелет к значительному количеству мест с небольшими дополнительными затратами топлива, либо вообще без них.

Такие переходные траектории являются настолько низкоэнергетическими, что позволяют достигнуть большинства точек в солнечной системе. Но в то же время, все эти перелетные орбиты являются чрезвычайно долгими и доступны только для автоматических межпланетных станций, но не для пилотируемых экспедиций.

Полеты по ITN уже использовались для достижения космическими аппаратами точки L1 системы Солнце-Земля, полезной для наблюдения за Солнцем, в том числе в миссии Genesis.^[8] Обсерватория SOHO действует в L1 c 1996 года. Сеть также помогла лучше понять динамику солнечной системы;^[9][10] например комета Шумейкеров — Леви 9 использовала такую траекторию для столкновения с Юпитером в 1994 году.^[11][12]

Объяснение

В дополнение к орбитам вокруг точек Лагранжа, богатая динамика возникает от гравитационного взаимодействия более чем с одним крупным телом, в так называемых низкозатратных переходных траекториях.^[3] Например, гравитационные поля системы Солнце-Земля-Луна позволяют посылать космические аппараты на большие расстояния с небольшими затратами топлива. В 1978 году был запущен КА ISEE-3 к одной из точек Лагранжа.^[13] Часть его маневров была произведена с небольшими затратами топлива. После завершения основной миссии, ISEE-3 произвел пролеты через геомагнитный хвост, а затем пролет рядом с кометой. Миссия была переименована в International Cometary Explorer (ICE).

В 2000 году Мартином Ло (Martin Lo), Kathleen Howell и другими учеными JPL, с использованием математических моделей университета Purdue, была создана программа LTool^[14][15], упрощающая расчеты траекторий, проходящих вблизи точек Лагранжа, в том числе траекторий из ITN. По сравнению с предыдущими методиками, на расчет траектории может уходить в 50 раз меньше времени. Эта разработка была номинирована на премию Discover Innovation Award.^[16][17]

Траектория миссии Genesis, 2001—2003.

Первым использованием низкозатратной переходной траектории сети ITN было произведено японским лунным зондом Hiten в 1991.^[18] Другой пример использования ITN — миссия NASA 2001—2003 годов Genesis, космический аппарат в которой более двух лет собирал материалы около точки L1 системы Солнце-Земля, затем посетил точку L2 и был возвращен на Землю. Программа 2003—2006 годов ЕКА SMART-1 также использовала низкозатратную переходную траекторию из сети ITN.

ITN основана на серии орбитальных траекторий, предсказанных теорией хаоса и ограниченной проблемой трёх гравитирующих тел, проходящих через нестабильные орбиты вокруг точек Лагранжа — точек, в которых гравитационные силы от нескольких объектов тел компенсируют центробежную силу тел. Для любых двух объектов, в которых один из них находится на орбите вокруг другого, например в случае пар звезда/планета, планета/луна, существует три таких точек, обозначаемых L1, L2, L3. Для системы Земля-Луна точка L1 расположена на линии между Землей и Луной. Для двух объектов, соотношение масс которых превышает 24.96, существует еще две стабильные точки: L4 и L5. Эти пять точек имеют низкие требования к delta-v (англ.)русск., и, похоже, являются наиболее экономными переходными орбитами, в том числе более экономными чем часто применяемые для орбитальной навигации переходные орбиты Гомана — Ветчинкина и биэллиптические орбиты.

Несмотря на компенсацию сил в этих точках, орбиты в L1, L2 и L3 не являются стабильными (неустойчивое равновесие). Если космический аппарат, находящийся в L1 точке системы Земля-Луна, получает небольшой импульс по направлению к Луне, то притяжение со стороны Луны становится больше и космический аппарат вытягивается из точки L1. Поскольку все участвующие тела находятся в движении, аппарат не столкнется сразу же с Луной, но перейдет на извилистую траекторию, уходящую в космическое пространство. Однако, существуют полустабильные орбиты вокруг точек Лагранжа L1, L2, L3 с длительностью пассивного существования в несколько месяцев. Орбиты вокруг точек L4 и L5 стабильны.

См. также

• Гравитационный манёвр
• Gravitational keyhole
• Низкозатратная переходная траектория
• Астродинаамика
• Межпланетные полеты (англ.)русск.
• Сфера Хилла
• Подковообразная орбита

Примечания

1. ↑ Ross, S. D. (2006). «The Interplanetary Transport Network». American Scientist 94: 230–237. DOI:10.1511/2006.59.994.
2. ↑ Marsden, J. E. (2006). «New methods in celestial mechanics and mission design». Bull. Amer. Math. Soc. 43: 43–73. DOI:10.1090/S0273-0979-05-01085-2.
3. ↑ ^{1 2} Conley, C. C. (1968). «Low energy transit orbits in the restricted three-body problem». SIAM Journal on Applied Mathematics 16: 732–746.
4. ↑ Belbruno, E. 1994. The Dynamical Mechanism of Ballistic Lunar Capture Transfers in the Four-Body Problem from the Perspective of Invariant Manifolds and Hill’s Regions
5. ↑ Lo, Martin W. and Ross, Shane D. 2001. The Lunar L1 Gateway: Portal to the Stars and Beyond, AIAA Space 2001 Conference, Albequerque, New Mexico.
6. ↑ Игорь Афанасьев, Дмитрий Воронцов, Межпланетная эквилибристика // Журнал «Вокруг Света», Рубрика «Планетарий», № 8 (2815) 2008  (рус.)
7. ↑ Ross, S.D., W.S. Koon, M.W. Lo and J.E. Marsden. 2003. Design of a Multi-Moon Orbiter. 13th AAS/AIAA Space Flight Mechanics Meeting, Ponce, Puerto Rico. Paper No. AAS 03-143.
8. ↑ Lo, M. W., et al. 2001. Genesis Mission Design, The Journal of the Astronautical Sciences 49:169-184.
9. ↑ Belbruno, E., and B.G. Marsden. 1997. Resonance Hopping in Comets. The Astronomical Journal 113:1433-1444
10. ↑ W.S. Koon, M.W. Lo, J.E. Marsden, and S.D. Ross. 2000. Heteroclinic connections between periodic orbits and resonance transitions in celestial mechanics. Chaos 10:427-469
11. ↑ Smith, D. L. 2002. Next Exit 0.5 Million Kilometers. Engineering and Science LXV(4):6-15
12. ↑ Ross, S. D. 2003. Statistical theory of interior-exterior transition and collision probabilities for minor bodies in the solar system, Libration Point Orbits and Applications (Eds. G Gomez, M.W. Lo and J.J. Masdemont), World Scientific, pp. 637—652.
13. ↑ Farquhar, R. W. (1980). «Trajectories and Orbital Maneuvers for the First Libration-Point Satellite». Journal of Guidance and Control 3: 549–554.
14. ↑ Martin W. Lo and Roby S. Wilson The The LTool Package
15. ↑ Martin Lo, LTool Version 1.0G delivery memorandum // JPL TRS 1992+, 29-Sep-2000
16. ↑ Межпланетная лоция ждёт своих штурманов, Евгений Матусевич, Мембрана.ру 22 июля 2002
17. ↑ INTERPLANETARY SUPERHIGHWAY MAKES SPACE TRAVEL SIMPLER, NASA July 17, 2002
18. ↑ Belbruno E. Capture Dynamics and Chaotic Motions in Celestial Mechanics: With the Construction of Low Energy Transfers. — Princeton University Press, 2004. — ISBN 9780691094809

Ссылки

• Interplanetary Superhighway Makes Space Travel Simpler // JPL, NASA, July 17 2002
• «The Interplanetary Transport Network» American Scientist, May-June 2006 (Subscription)
• «Ride the celestial subway» New Scientist, 27 March 2006 (недоступная ссылка)
• «Tube Route» Science, 18 November 2005 (недоступная ссылка)
• «Navigating Celestial Currents» Science News, 18 April 2005 (недоступная ссылка)
• «Next Exit 0.5 Million Kilometers» Engineering and Science, 2002 (недоступная ссылка)
• «Mathematics Unites The Heavens And The Atom» Space Daily, 28 September 2005
• «Asteroids Lost in Space» Physical Review Focus, 14 June 2002
• Interplanetary Transport Network lecture by Shane D. Ross
• «Cylindrical manifolds and tube dynamics in the restricted three-body problem» — PhD dissertation by Shane D. Ross
• Capture Dynamics and Chaotic Motions in Celestial Mechanics: With the Construction of Low Energy Transfers — A mathematical analysis of aspects of the ITN, Edward Belbruno
• [www.spaceroutes.com/papers/FTM1008.pdf The Dynamical Mechanism of Ballistic Lunar Capture Transfers in the Four-Body Problem from the Perspective of Invariant Manifolds and Hill’s Regions] by Edward Belbruno (недоступная ссылка)
• Dynamical Systems, the Three-Body Problem, and Space Mission Design, by Wang Sang Koon, Martin W. Lo, Jerrold E. Marsden, Shane D. Ross (book available as PDF). ISBN 978-0-615-24095-4
• The Interplanetary Superhighway
• 2007-10-08 audio interview with Ed Belbruno on low-energy transfer

• Александр Сергеев, Межпланетный суперхайвей, 29.05.06  (рус.)
• The Hitchhikers Guide To The Solar System // Astronomy Without A Telescope By Steve Nerlich ISBN 1908720646; перевод - Астрономия без телескопа - Автостопом по Солнечной системе.