Низкозатратная переходная траектория

Низкозатратная переходная траектория (НПТ) — маршрут в космосе, который позволяет космическим аппаратам менять орбиты, используя очень мало топлива^[1][2]. Эти маршруты работают в системе Земля — Луна, а также в других системах, например, между спутниками Юпитера. Недостатком таких траекторий является то, что зачастую для их завершения требуется значительно больше времени, чем для траекторий более высоких энергий (с бо́льшими затратами топлива), таких как траектории Гомана.

Низкозатратные переходные траектории также известны как граничные траектории слабой устойчивости, или траектории баллистического захвата. НПТ следуют по специальным путям в космосе, иногда называемым межпланетной транспортной сетью. Эти траектории позволяют пройти максимальное расстояние с наименьшими изменениями орбитальной скорости.

Космические аппараты, использовавшие НПТ:

• Хитэн Японского агентства аэрокосмических исследований (JAXA);
• Смарт-1 Европейского космического агентства (ESA);
• Genesis НАСА^[3];
• GRAIL НАСА^[4][5].

Намечаемые экспедиции с использованием НПТ:

• European Student Moon Orbiter (ESMO)
• Mars Direct

История

Основная статья: Хитэн

Впервые НПТ к Луне были продемонстрированы в 1991 году японским космическим аппаратом Hiten. Первоначально аппарат предназначался для исследований окололунного пространства и изучения аэродинамического торможения на высокоэллиптической орбите, на которой он мог приблизиться к Луне. На первом витке Hiten выпустил на околунную орбиту мини-зонд Hagoromo. Возможно, Hagoromo успешно вышел на лунную орбиту, но об этом ничего не известно, в связи с тем, что его радиопередатчик вышел из строя. Эдвард Белбрано^[англ.] и Джеймс Миллер из Лаборатории реактивного движения^[6] слышали о неудаче и помогли спасти миссию, разработав траекторию баллистического захвата, которая позволила бы основному зонду Hiten выйти на лунную орбиту. Траектория, которую они разработали для Hiten, использовала теорию слабой устойчивости и требовала лишь небольшого отклонения скорости космического аппарата, двигающегося по высокоэллиптической орбите, достаточно малого, чтобы быть достигнутой двигателями зонда^[1]. Эта траектория в результате привела зонд к гравитационному (баллистическому) захвату на временную лунную орбиту с характеристической скоростью орбитального манёвра Δv ≈ 0, но продолжался пять месяцев вместо необходимых трёх дней для траектории Гомана^[7].

Снижение Δv

Использование НПТ при движении от околоземной орбиты к орбите спутника Луны позволяет достичь экономии топлива до 25 % в сравнении с традиционной ретроградной транс-лунной инъекцией^[англ.] и удвоить полезную нагрузку^[8]. Робертом У. Фаркуаром^[англ.] был описан девятидневный маршрут от низкой околоземной орбиты до баллистического захвата Луной космического аппарата со скоростью 3,5 км/с^[9]. Маршрут Эдварда Белбрано от низкой околоземной орбиты с использованием транс-лунной инъекции требует скорости космического аппарата 3,1 км/с. Таким образом может быть достигнуто снижение скорости на Δv ≈ 0,4 км/с. Впрочем, последний маршрут привносит не очень высокое снижение скорости орбитального манёвра, которое повлекло бы значительную выгоду по сравнению с использованием этапа с ограниченным перезапуском или продолжительной орбитальной устойчивостью, которая может потребовать космический аппарат с отдельной главной двигательной установкой для захвата.

Для рандеву с Марсианскими лунами экономия составляет 12 % для Фобоса и 20 % для Деймоса. Рандеву нацеливают потому, что устойчивые псевдо-орбиты вокруг марсианских лун не проводят много времени в пределах 10 км от поверхности^[10].

См. также

• Гравитационный манёвр
• Межпланетная транспортная сеть
• Астродинамика

Примечания

1. Belbruno, Edward^[англ.]. Capture Dynamics and Chaotic Motions in Celestial Mechanics: With Applications to the Construction of Low Energy Transfers (англ.). — Princeton University Press, 2004. — P. 224. — ISBN 978-0-691-09480-9. Архивировано 1 июня 2019 года.
2. Belbruno, Edward^[англ.]. Fly Me to the Moon: An Insider's Guide to the New Science of Space Travel (англ.). — Princeton University Press, 2007. — P. 176. — ISBN 978-0-691-12822-1. Архивировано 30 июля 2019 года.
3. Interplanetary Superhighway Makes Space Travel Simpler Архивная копия от 28 мая 2020 на Wayback Machine // NASA 07.17.02: "Lo conceived the theory of the Interplanetary Superhighway. Lo and his colleagues have turned the underlying mathematics of the Interplanetary Superhighway into a tool for mission design called "LTool, « … The new LTool was used by JPL engineers to redesign the flight path for the Genesis mission»
4. GRAIL Design at MIT Website  (неопр.). Дата обращения: 22 января 2012. Архивировано 26 января 2012 года.
5. Spaceflight101 GRAIL Mission Design  (неопр.). Дата обращения: 22 января 2012. Архивировано 19 июля 2012 года.
6. Прекрасная Селена Архивная копия от 25 сентября 2015 на Wayback Machine, Алексей Левин // «Популярная механика» № 5, 2008. Раздел «Вторая волна»: «называемому низкоэнергетическому трансферу, разработанному американским специалистом по небесной механике Эдвардом Белбрано»
7. Frank, Adam. Gravity's Rim (англ.) // Discover : magazine. — 1994. — September. Архивировано 22 октября 2019 года.
8. Edward A. Belbruno; John P. Carrico.: Calculation of Weak Stability Boundary Ballistic Lunar Transfer Trajectories  (неопр.). AIAA/AAS Astrodynamics Specialist Conference (2000). Дата обращения: 4 апреля 2018. Архивировано 20 ноября 2008 года.
9. Архивированная копия  (неопр.). Дата обращения: 4 апреля 2018. Архивировано 11 июня 2016 года.
10. A. L. Genova; S. V. Weston; L. J. Simurda.: Human & robotic mission applications of low-energy transffers to Phobos & Deimos  (неопр.) (2011). Архивировано 25 апреля 2012 года.

Ссылки

• Celestial Mechanics Theory Meets the Nitty-Gritty of Trajectory Design (англ.)
• Earth-to-Moon Low Energy Transfers Targeting L1 Hyperbolic Transit Orbit June 2005 (англ.)
• Low Energy Trajectories and Chaos: Applications to Astrodynamics and Dynamical Astronomy (англ.)
• Navigating Celestial Currents, 2005 (англ.)