Meziplanetární dopravní síť - Interplanetary Transport Network

Nesmí být zaměňována s InterPlanetary Network nebo Interplanetary Transport System .
Toto stylizované zobrazení ITN je navrženo tak, aby ukazovalo jeho (často spletitou) cestu sluneční soustavou . Zelená stuha představuje jednu cestu z mnoha, které jsou matematicky možné podél povrchu tmavší zelené ohraničující trubice. Místa, kde pás náhle mění směr, představují změny trajektorie v bodech Lagrange , zatímco zúžené oblasti představují místa, kde objekty přetrvávají na dočasné oběžné dráze kolem bodu, než pokračují dál.

Meziplanetární dopravní síť ( ITN ) je sbírka gravitačně určených drah přes sluneční soustavy , které vyžadují jen velmi málo energie pro objekt, který chcete sledovat. ITN je zvláštní využití Lagrangeových bodů, jako tam, kde trajektorie přes prostor může být přesměrován pomocí málo nebo žádnou energii. Tyto body mají zvláštní vlastnost, že umožňují objektům obíhat kolem nich, přestože jim objekt na oběžnou dráhu chybí. I když by to spotřebovalo málo energie, doprava po síti by trvala dlouho.

Dějiny

Meziplanetární přenosové dráhy jsou řešením gravitačního problému se třemi tělesy , který obecně nemá analytická řešení a je řešen aproximacemi numerické analýzy . Existuje však malý počet přesných řešení, zejména pět oběžných drah označovaných jako „ Lagrangeovy body “, což jsou orbitální řešení pro kruhové oběžné dráhy v případě, kdy je jedno těleso výrazně hmotnější.

Klíčem k objevení meziplanetární dopravní sítě bylo zkoumání povahy klikatých cest v blízkosti bodů Země-Slunce a Země-Měsíc Lagrange. Poprvé je vyšetřoval Henri Poincaré v 90. letech 20. století. Všiml si, že cesty vedoucí do az těchto bodů se téměř vždy na nějaký čas usadí na oběžné dráze kolem tohoto bodu. Ve skutečnosti existuje nekonečné množství cest, které vedou jednou k bodu a od něj, a všechny vyžadují téměř nulovou změnu energie k dosažení. Když jsou vyneseny, tvoří trubku s oběžnou dráhou kolem Lagrangeova bodu na jednom konci.

Odvození těchto cest sahá až k matematikům Charlesovi C. Conleymu a Richardu P. McGeheeovi v roce 1968. Hiten , první japonská lunární sonda, byl přesunut na oběžnou dráhu Měsíce pomocí podobného vhledu do podstaty cest mezi Zemí a Měsícem . Počínaje rokem 1997 napsali Martin Lo , Shane D. Ross a další sérii prací, v nichž identifikovali matematický základ, který tuto techniku ​​aplikoval na návrat vzorku slunečního větru Genesis a na měsíční a jupitské mise. Říkali tomu meziplanetární superdálnice (IPS).

Cesty

Jak se ukázalo, je velmi snadné přejít z cesty vedoucí k bodu na cestu vedoucí zpět. To dává smysl, protože oběžná dráha je nestabilní, což znamená, že člověk nakonec skončí na jedné z odchozích cest poté, co utratí vůbec žádnou energii. Edward Belbruno pro tento účel vytvořil termín „slabá hranice stability“ nebo „fuzzy hranice“.

Při pečlivém výpočtu si můžete vybrat, kterou odchozí cestu chcete. To se ukázalo být užitečné, protože mnoho z těchto cest vedla k některým zajímavým bodů v prostoru, jako například zemské Měsíci nebo mezi Galilean měsíce od Jupiteru . Výsledkem je, že za cenu dosažení bodu Země - Slunce L 2 , což je poměrně nízká energetická hodnota, lze cestovat za několika velmi zajímavými body za malé nebo žádné další náklady na palivo . Cesta ze Země na Mars nebo na jiná vzdálená místa by ale pravděpodobně trvala tisíce let.

Přenosy jsou tak nízkoenergetické, že umožňují cestování téměř do jakéhokoli bodu sluneční soustavy. Nevýhodou je, že tyto převody jsou velmi pomalé. Pro cesty ze Země na jiné planety nejsou užitečné pro sondy s posádkou nebo bez posádky, protože cesta by trvala mnoho generací. Nicméně již byly použity k přenosu kosmických lodí do bodu Země - Slunce L 1 , což je užitečný bod pro studium Slunce, který byl použit v řadě nedávných misí, včetně mise Genesis , první, která vrátila na Zemi vzorky slunečního větru. . Síť je také důležitá pro pochopení dynamiky sluneční soustavy; Comet Shoemaker – Levy 9 následoval takovou trajektorii na své kolizní dráze s Jupiterem.

Další vysvětlení

ITN je založen na sérii orbitálních cest předpovězených teorií chaosu a omezeném problému tří těles, který vede k orbitám kolem Lagrangeových bodů - bodů ve vesmíru, kde gravitace mezi různými tělesy balancuje s odstředivou silou objektu tam . Pro kterákoli dvě tělesa, ve kterých jedno těleso obíhá kolem druhého, jako je například hvězda / planeta nebo planetární / měsíční systém, existuje pět takových bodů, označených L 1 až L 5 . Například bod Země – Měsíc L 1 leží na přímce mezi nimi, kde gravitační síly mezi nimi přesně odpovídají rovnováze s odstředivou silou objektu umístěného tam na oběžnou dráhu. Těchto pět bodů má obzvláště nízké požadavky delta-v a zdá se, že jsou nejnižšími možnými přenosy energie, dokonce nižší než běžná oběžná dráha přenosu Hohmann , která dominuje orbitální navigaci od začátku vesmírného letu.

I když se síly v těchto bodech vyrovnávají, první tři body (ty na přímce mezi určitou velkou hmotou, např. Hvězdou a menší obíhající hmotou, např. Planetou ) nejsou stabilní rovnovážné body. Pokud se kosmické lodi umístěné v bodě L 1 Země – Měsíc dostane co i jen mírné posunutí od bodu rovnováhy, trajektorie kosmické lodi se odkloní od bodu L 1 . Celý systém je v pohybu, takže kosmická loď ve skutečnosti nenarazí na Měsíc, ale bude cestovat klikatou cestou do vesmíru. Kolem každého z těchto bodů je však polostabilní oběžná dráha , která se nazývá halo orbita . Oběžné dráhy pro dva z bodů, L 4 a L 5 , jsou stabilní, ale halo orbity pro L 1 až L 3 jsou stabilní pouze v řádu měsíců .

Kromě oběžných drah kolem Lagrangeových bodů přináší bohatá dynamika, která vzniká gravitačním tahem více než jedné hmoty, zajímavé trajektorie, známé také jako přenosy nízké energie . Například gravitační prostředí systému Slunce - Země - Měsíc umožňuje kosmickým lodím cestovat na velké vzdálenosti s velmi malým množstvím paliva, i když často po okružní trase.

Mise

Kosmická loď ISEE-3, která byla zahájena v roce 1978, byla vyslána na misi na oběžnou dráhu kolem jednoho z Lagrangeových bodů. Kosmická loď dokázala manévrovat kolem sousedství Země s využitím malého množství paliva díky využití jedinečného gravitačního prostředí. Poté, co byla dokončena primární mise, ISEE-3 pokračoval v plnění dalších cílů, včetně letu geomagnetickým ocasem a průletu komety. Mise byla následně přejmenována na International Cometary Explorer (ICE).

První přenos nízkoenergetický s použitím toho, co by později byl nazýván ITN byla záchrana Japan ‚s Hiten lunární mise v roce 1991.

Dalším příkladem použití ITN byla mise NASA Genesis z let 2001–2003 , která obíhala kolem bodu L 1 Slunce – Země více než dva roky a shromažďovala materiál, poté byla přesměrována do bodu L 2 Lagrange a nakonec přesměrována odtud zpět k zemi.

Z období 2003-2006 SMART-1 z Evropské kosmické agentury použit jiný přenos nízkou energetickou z ITN.

V novějším příkladu čínská kosmická loď Chang'e 2 použila ITN k cestování z oběžné dráhy Měsíce k bodu Země-Slunce L 2 a poté k letu kolem asteroidu 4179 Toutatis .

Asteroidy

Cesta asteroidu 39P / Oterma z vnější oběžné dráhy Jupiteru, dovnitř a zpět ven říká, že využívá tyto nízkoenergetické dráhy.

Viz také

Zdroje a poznámky

externí odkazy