Межпланетная транспортная сеть (англ. interplanetary transport network, ITN, Межпланетный Суперхайвей)— 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 энергии, длительность полетов в десятки и сотни раз больше, чем у классических перелетов по орбитам Гомана — Ветчинкина, 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.[3] 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.[4] Теоретические работы Эдварда Белбрано (англ.)русск. (Jet Propulsion Laboratory) в 1994[5] 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).

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.[8] 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.[9] Обсерватория SOHO действует в L1 c 1996 года. Сеть также помогла лучше понять динамику Солнечной системы;[10][11] например комета Шумейкеров — Леви 9 летела по такой траектории до столкновения с Юпитером в 1994 году.

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.[4] 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.[14] 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[15][16], 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.

Траектория миссии Genesis, 2001—2003.

Первое использование низкозатратной переходной траектории сети ITN было произведено японским лунным зондом Hiten в 1991.[19] 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 маневры. 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 еще 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 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.

Примеры

Перелет с 200км LEO парковочной орбиты Земли до гало-орбиты около точек Лагранжа Солнце-Земля (СЗ) L1 или L2 требует {\displaystyle \Delta {v}} \Delta {v} 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 год.

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 маневра в 14 м/с за время около 20 суток.

Точка ЗЛ L1 может быть достигнута с парковочной земной орбиты в 200 км за {\displaystyle \Delta {v}} \Delta {v} в 3150 м/с и 7 дней. (При увеличении {\displaystyle \Delta {v}} \Delta {v} 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).

По материалам Википедии