Interplanetärt transportnätverk

Ej att förväxla med InterPlanetary Network eller Interplanetary Transport System .
Denna stiliserade skildring av ITN är designad för att visa dess (ofta slingrande) väg genom solsystemet . Det gröna bandet representerar en väg bland de många som är matematiskt möjliga längs ytan av det mörkare gröna avgränsningsröret. Platser där bandet ändrar riktning abrupt representerar banförändringar vid Lagrange-punkter , medan förträngda områden representerar platser där objekt hänger kvar i en tillfällig bana runt en punkt innan de fortsätter.

Interplanetary Transport Network ( ITN ) är en samling gravitationsbestämda vägar genom solsystemet som kräver mycket lite energi för ett objekt att följa. ITN använder särskilt Lagrange-punkter som platser där banor genom rymden kan omdirigeras med lite eller ingen energi. Dessa punkter har den säregna egenskapen att tillåta objekt att kretsa runt dem, trots att de saknar ett objekt att kretsa [ ytterligare förklaring behövs ] . Även om det skulle använda lite energi, skulle transporten längs nätet ta lång tid.

Historia

Interplanetära överföringsbanor är lösningar på gravitationsproblemet med tre kroppar, som, för det allmänna fallet, inte har analytiska lösningar och åtgärdas genom numeriska analyser . Det finns dock ett litet antal exakta lösningar, framför allt de fem banorna som kallas " lagrangepunkter ", som är orbitala lösningar för cirkulära banor i fallet när en kropp är betydligt mer massiv.

Nyckeln till att upptäcka det interplanetära transportnätverket var undersökningen av arten av de slingrande stigarna nära jord-solen och jord-månen Lagrange-punkterna. De undersöktes först av Henri Poincaré på 1890-talet. Han märkte att stigarna som leder till och från någon av dessa punkter nästan alltid, för en tid, skulle ligga i en bana runt den punkten. Det finns faktiskt ett oändligt antal vägar som tar en till punkten och bort från den, och som alla kräver nästan noll förändring i energi för att nå. När de plottas bildar de ett rör med en bana kring Lagrangepunkten i ena änden.

Härledningen av dessa banor går tillbaka till matematikerna Charles C. Conley och Richard P. McGehee 1968. Hiten , Japans första månsond, flyttades in i månens omloppsbana med hjälp av liknande insikter om banornas natur mellan jorden och månen . Med början 1997 Martin Lo , Shane D. Ross och andra en serie artiklar som identifierade den matematiska grunden som tillämpade tekniken på Genesis solvindprovets retur, och på mån- och jovianska uppdrag. De kallade det en Interplanetary Superhighway (IPS).

stigar

Som det visar sig är det mycket lätt att ta sig från en stig som leder till punkten till en som leder tillbaka ut. Detta är vettigt, eftersom omloppsbanan är instabil, vilket innebär att man så småningom kommer att hamna på en av de utgående vägarna efter att ha spenderat ingen energi alls. Edward Belbruno myntade termen " svag stabilitetsgräns " eller "fuzzy boundary" för denna effekt.

Med noggrann beräkning kan man välja vilken utgående väg man vill ha. Detta visar sig vara användbart, eftersom många av dessa vägar leder till några intressanta punkter i rymden, till exempel Jordens måne eller mellan Jupiters galileiska månar , inom några månader eller år.

Överföringarna är så lågenergiska att de gör det möjligt att resa till nästan vilken punkt som helst i solsystemet. [ citat behövs ] På nackdelen är dessa överföringar mycket långsamma. För resor från jorden till andra planeter är de inte användbara för bemannade eller obemannade sonder, eftersom resan skulle ta många generationer. Ändå har de redan använts för att överföra rymdfarkoster till jorden-Sun L 1 -punkten, en användbar punkt för att studera solen som användes i ett antal nya uppdrag, inklusive Genesis - uppdraget , det första som returnerade solvindprover till jorden . Nätverket är också relevant för att förstå solsystemets dynamik; Kometen Shoemaker–Levy 9 följde en sådan bana på sin kollisionsbana med Jupiter.

Ytterligare förklaring

ITN bygger på en serie omloppsbanor som förutspåtts av kaosteorin och det begränsade trekroppsproblemet som leder till och från banorna runt Lagrangepunkterna – punkter i rymden där gravitationen mellan olika kroppar balanserar med centrifugalkraften hos ett föremål där . För två kroppar där en kropp kretsar runt den andra, såsom en stjärna/planet eller planet/månsystem, finns det fem sådana punkter, betecknade L 1 till L 5 . Till exempel ligger jord-månen L 1 -punkten på en linje mellan de två, där gravitationskrafterna mellan dem exakt balanserar med centrifugalkraften hos ett föremål som placeras i omloppsbana där. Dessa fem punkter har särskilt låga delta-v- krav och verkar vara de lägsta möjliga energiöverföringarna, till och med lägre än den vanliga Hohmann-överföringsbanan som har dominerat omloppsnavigering sedan rymdfärdens början.

Även om krafterna balanserar vid dessa punkter, är de tre första punkterna (de på linjen mellan en viss stor massa, t.ex. en stjärna , och en mindre, kretsande massa, t.ex. en planet ) inte stabila jämviktspunkter . Om en rymdfarkost placerad vid jord-månen L 1 -punkten ges ens en liten knuff bort från jämviktspunkten, kommer rymdfarkostens bana att avvika från L 1 -punkten. Hela systemet är i rörelse, så rymdfarkosten kommer faktiskt inte att träffa månen, utan kommer att färdas i en slingrande bana, ut i rymden. Det finns dock en halvstabil bana runt var och en av dessa punkter, kallad en haloomloppsbana . Banorna för två av punkterna, L 4 och L 5 , är stabila, men halobanorna för L 1 till L 3 är stabila endast i storleksordningen månader .

Förutom omloppsbanor runt Lagrange-punkterna ger den rika dynamiken som uppstår från gravitationskraften från mer än en massa intressanta banor, även kända som lågenergiöverföringar . Till exempel tillåter gravitationsmiljön i Sun-Earth-Moon-systemet rymdfarkoster att resa stora avstånd på mycket lite bränsle, [ citat behövs ] om än på en ofta kringgående rutt.

Uppdrag

ISEE-3, som lanserades 1978, skickades på ett uppdrag att kretsa runt en av Lagrangepunkterna. Rymdfarkosten kunde manövrera runt jordens grannskap med lite bränsle genom att dra fördel av den unika gravitationsmiljön . Efter att det primära uppdraget avslutats fortsatte ISEE-3 med att uppnå andra mål, inklusive en flygning genom den geomagnetiska svansen och en kometflygning. Uppdraget döptes därefter om till International Cometary Explorer (ICE).

Den första lågenergiöverföringen med vad som senare skulle kallas ITN var räddningen av Japans Hiten - månuppdrag 1991.

Ett annat exempel på användningen av ITN var NASA :s Genesis-uppdrag 2001–2003 , som kretsade runt Sun-Earth L 1 -punkten i över två år för att samla in material, innan det omdirigerades till L 2 Lagrange-punkten och slutligen omdirigerades därifrån tillbaka. till jorden.

2003–2006 SMART-1 från European Space Agency använde en annan lågenergiöverföring från ITN. [ citat behövs ]

I ett nyare exempel använde den kinesiska rymdfarkosten Chang'e 2 ITN för att resa från månens omloppsbana till jord-solens L 2 -punkt och sedan vidare för att flyga förbi asteroiden 4179 Toutatis . [ citat behövs ]

Asteroider

Asteroiden 39P/Otermas väg från utsidan av Jupiters bana, till insidan och tillbaka till utsidan sägs använda dessa lågenergibanor.

Se även

Vidare läsning

externa länkar

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Interplanetary_Transport_Network&oldid=1137214678 "