Межпланетная транспортная сеть (, Межпланетный Суперхайвей) — система гравитационно определённых 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 энергии, длительность полетов в десятки и сотни раз больше, чем у классических перелетов по гомановским орбитам, и неприемлемы для пилотируемой космонавтики.

В Солнечной системе в основном существуют низкозатратные орбиты между Юпитером, Сатурном, Ураном и Нептуном, а также между их спутниками.

История Ключевым в появлении идеи ITN были исследования траекторий вблизи точек Лагранжа. Первым таким исследованием была работа Анри Пуанкаре в 1890-х. Он заметил, что пути к этим точкам и от них почти всегда на некоторое время превращаются в орбиты вокруг точек. Фактически, существует бесконечное количество траекторий, проходящих через точку, таких, что переход между ними не требует энергии. Если их 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 1960-х. Теоретические работы (Jet Propulsion Laboratory) в 1994Belbruno, 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 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 (IPS, Межпланетный Суперхайвей)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.

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 лунамRoss, 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.. 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.

Полёты по ITN уже использовались для достижения космическими аппаратами точки L1 системы Солнце-Земля, полезной для наблюдения за Солнцем, в том числе в миссии GenesisLo, M. W., et al. 2001. Genesis Mission Design, The Journal of the Astronautical Sciences 49:169-184.. Обсерватория SOHO действует в L1 c 1996 года. Сеть также помогла лучше понять динамику Солнечной системы;Belbruno, E., and B.G. Marsden. 1997. Resonance Hopping in Comets. The Astronomical Journal 113:1433-1444W.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 например комета Шумейкеров — Леви 9 летела по такой траектории до столкновения с Юпитером в 1994 годуSmith, D. L. 2002. Next Exit 0.5 Million Kilometers . Engineering and Science LXV(4):6-15Ross, 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..

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. 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. Часть его манёвров была произведена с небольшими затратами топлива. После завершения основной миссии, ISEE-3 произвёл пролёты через геомагнитный хвост, а затем пролёт 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 LToolMartin W. Lo and Roby S. Wilson The The LTool PackageMartin Lo, LTool Version 1.0G delivery memorandum // JPL TRS 1992+, 29-Sep-2000, 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 AwardМежпланетная лоция ждёт своих штурманов , Евгений Матусевич, Мембрана.ру 22 июля 2002INTERPLANETARY SUPERHIGHWAY MAKES SPACE TRAVEL SIMPLER , NASA July 17, 2002.

Первое использование низкозатратной переходной траектории сети ITN было произведено японским лунным зондом Hiten в 1991 . Другой пример использования ITN — миссия NASA 2001—2003 годов Genesis, в которой космический аппарат более двух лет собирал материалы около точки L1 системы Солнце-Земля, затем посетил точку L2 и был возвращен на Землю, используя за все время лишь небольшие корректирующие манёвры. 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 такие точки, обозначаемые 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 ещё две стабильные точки: L4 и L5. Орбиты, соединяющие эти пять точек, имеют низкие требования к delta-v и, похоже, являются наиболее экономными переходными орбитами, в том числе более экономными, чем часто применяемые для орбитальной навигации переходные гомановские 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.

Примеры

Перелет с 200 км LEO парковочной орбиты Земли до гало-орбиты около точек Лагранжа Солнце-Земля (СЗ) L1 или L2 требует около 3200 м/с и занимает около 3 месяцев. Затраты на поддержание гало-орбиты у точек СЗ L1 или СЗ L2 оцениваются не более чем в 5 м/с за каждый годMartin Lo, Shane Ross, The Lunar L1 Gateway: Portal to the Stars and Beyond // NASA JPL, AIAA Space 2001 Conference, August 28-30, 2001; hdl:2014/40516.

Перелет между точкой L1 системы Земля-Луна (ЗЛ) и СЗ L2 или обратно может быть осуществлен по каналам ITN Солнце-Земля-Луна с помощью одного детерминистического манёвра в 14 м/с за время около 20 суток.

Точка ЗЛ L1 может быть достигнута с парковочной земной орбиты в 200 км за в 3150 м/с и 7 дней. (При увеличении возможно ускорение перелета). Удержание станции в ЗЛ L1 требует еженедельных коррекций с общим бюджетом в 10 м/с в год.

Орбитами ITN соединены Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун (точнее точки Лагранжа L1 и L2 систем планета-Солнце)Low Energy Transfers in the Solar System: Applications I, Martin Lo, 7/5/2004, 2004 Summer Workshop on Advanced Topics in Astrodynamics. Слайд 29 «Manifolds Connect Solar System»Shane Ross, The Lunar L1 Gateway: Portal to the Planets 22 April 2002, Слайд 17 «Poincare Section of the InterPlanetary Superhighway (IPS)»The InterPlanetary Superhighway and the Origins Program , Martin W. Lo, JPL — IEEE Aerospace Conference (Big Sky, MT, USA) 0-7803-7231-X, Mar 09, 2002, hdl:2014/8065. Стр. 11 «Figure 11 This is a Poincaré section of the IPS in the Outer Solar System.».

См. также Гравитационный манёвр Гравитационный колодец Низкозатратная переходная траектория Астродинамика Межпланетный полёт Сфера Хилла Подковообразная орбита Interplanetary Transport System — концепт межпланетных космических ракет на химическом топливе от компании SpaceX.

Примечания

Литература

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 «Tube Route» Science, 18 November 2005 «Navigating Celestial Currents» Science News, 18 April 2005 «Next Exit 0.5 Million Kilometers» Engineering and Science, 2002 «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 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

Ссылки

The Interplanetary Superhighway 2007-10-08 audio interview with Ed Belbruno on low-energy transfer Александр Сергеев. Межпланетный суперхайвей, 29.05.06 The Hitchhikers Guide To The Solar System // Astronomy Without A Telescope By Steve Nerlich ISBN 1-908720-64-6; перевод — Астрономия без телескопа — Автостопом по Солнечной системе

Категория:Динамические системы Категория:Небесная механика Категория:Орбиты Категория:Астродинамика