Просмотр кода страницы Межпланетная транспортная сеть

[[Файл:Interplanetary Superhighway.jpg|мини|350px|Стилизованное изображение межпланетной транспортной сети. Зелёная полоса — один из множества возможных путей, расположенных на поверхности светло-зелёной трубы. Места, где зелёная полоса резко меняет траекторию — [[точки Лагранжа]]]]

'''Межпланетная транспортная сеть''' ({{lang-en|interplanetary transport network, ITN}}, Межпланетный Суперхайвей)<ref>{{статья |ссылка=http://www2.esm.vt.edu/~sdross/papers/AmericanScientist2006.pdf |doi=10.1511/2006.59.994 |заглавие=The Interplanetary Transport Network |издание={{Нп3|American Scientist}} |том=94 |страницы=230—237 |язык=en |автор=Ross, S. D. |год=2006 |тип=magazine |archivedate=2013-10-20 |archiveurl=https://web.archive.org/web/20131020185722/http://www2.esm.vt.edu/~sdross/papers/AmericanScientist2006.pdf }}</ref> — 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 [[Космическое пространство|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 [[Гомановская траектория|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{{sfn|Стюарт  |2018|loc=| с= 242|name=}}.

== История ==
Ключевым в появлении идеи ITN были исследования траекторий вблизи точек Лагранжа. Первым таким исследованием была работа [[Пуанкаре, Анри|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<ref>{{статья |doi=10.1090/S0273-0979-05-01085-2 |заглавие=New methods in celestial mechanics and mission design |издание=[[Bulletin of the American Mathematical Society|Bull. Amer. Math. Soc.]] |том=43 |страницы=43—73 |язык=en |тип=journal |автор=Marsden, J. E.; Ross, S. D. |год=2006}}</ref>. 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<ref name="Conley, C. C 1968">{{статья |заглавие=Low energy transit orbits in the restricted three-body problem |издание={{Нп3|SIAM Journal on Applied Mathematics}} |том=16 |страницы=732—746 |jstor=2099124 |язык=en |тип=journal |автор=Conley, C. C. |год=1968}}</ref>. Теоретические работы {{нп3|Эдвард Белбрано|Эдварда Белбрано|en|Edward Belbruno}} ([[Jet Propulsion Laboratory]]) в 1994<ref>Belbruno, E. 1994. [http://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] {{Wayback|url=http://www.spaceroutes.com/papers/FTM1008.pdf |date=20230101122754 }}</ref> проработали детали подобных [[Низкозатратная переходная траектория|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 (космический аппарат)|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 {{lang-en2|Interplanetary Superhighway}} (IPS, Межпланетный Суперхайвей)<ref>Lo, Martin W. and Ross, Shane D. 2001. [http://www.gg.caltech.edu/~mwl/publications/papers/lunarGateway.pdf The Lunar L1 Gateway: Portal to the Stars and Beyond] {{Wayback|url=http://www.gg.caltech.edu/~mwl/publications/papers/lunarGateway.pdf |date=20130115075823 }}, AIAA Space 2001 Conference, Albequerque, New Mexico.</ref><ref>{{статья |автор=Игорь Афанасьев, Дмитрий Воронцов |заглавие=Межпланетная эквилибристика |ссылка=http://www.vokrugsveta.ru/vs/article/6283/ |автор издания= |издание=Рубрика «Планетарий» |тип=Журнал «[[Вокруг света]]» |место= |издательство= |год=2008 |месяц= |число= |номер=8 (2815) |страницы= |isbn= |issn= |doi= |bibcode= |arxiv= |pmid= |язык=ru |ref= |archivedate=2013-01-17 |archiveurl=https://web.archive.org/web/20130117034902/http://vokrugsveta.ru/vs/article/6283/ }}</ref>

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<ref>Ross, S.D., W.S. Koon, M.W. Lo and J.E. Marsden. 2003. [http://www.esm.vt.edu/~sdross/papers/AAS-03-143.pdf Design of a Multi-Moon Orbiter] {{webarchive|url=https://web.archive.org/web/20070108230403/http://www.esm.vt.edu/~sdross/papers/AAS-03-143.pdf |date=2007-01-08 }}. 13th AAS/AIAA [[Space Flight Mechanics]] Meeting, [[Ponce, Puerto Rico]]. Paper No. AAS 03-143.</ref>. 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 [[Автоматическая межпланетная станция|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 [[Genesis (космический аппарат)|Genesis]]<ref>Lo, M. W., et al. 2001. Genesis Mission Design, [[The Journal of the Astronautical Sciences]] 49:169-184.</ref>. Обсерватория [[SOHO (космический аппарат)|SOHO]] действует в L1 c 1996 года. Сеть также помогла лучше понять динамику Солнечной системы;<ref>Belbruno, E., and [[Марсден, Брайан|B.G. Marsden]]. 1997. [https://dx.doi.org/10.1086/118359 Resonance Hopping in Comets]. [[The Astronomical Journal]] 113:1433-1444</ref><ref>W.S. Koon, M.W. Lo, J.E. Marsden, and S.D. Ross. 2000. [https://dx.doi.org/10.1063/1.166509  Heteroclinic connections between periodic orbits and resonance transitions in celestial mechanics] {{Wayback|url=https://dx.doi.org/10.1063/1.166509 |date=20191209134154 }}. Chaos 10:427-469</ref> например комета [[D/1993 F2 (Шумейкеров — Леви)|Шумейкеров — Леви 9]] летела по такой траектории до столкновения с Юпитером в 1994 году<ref>Smith, D. L. 2002. [http://pr.caltech.edu/periodicals/EandS/articles/LXV4/exit.html Next Exit 0.5 Million Kilometers] {{Wayback|url=http://pr.caltech.edu/periodicals/EandS/articles/LXV4/exit.html |date=20030329081959 }}. [[Engineering and Science]] LXV(4):6-15</ref><ref>Ross, S. D. 2003. [http://www.esm.vt.edu/~sdross/papers/ross-barcelona-2002.pdf Statistical theory of interior-exterior transition and collision probabilities for minor bodies in the solar system] {{webarchive|url=https://web.archive.org/web/20070108230644/http://www.esm.vt.edu/~sdross/papers/ross-barcelona-2002.pdf |date=2007-01-08}}, Libration Point Orbits and Applications (Eds. G Gomez, M.W. Lo and J.J. Masdemont), [[World Scientific]], pp. 637—652.</ref>.

== Объяснение ==
В дополнение к орбитам вокруг точек Лагранжа, богатая динамика возникает от гравитационного взаимодействия более чем с одним крупным телом, в так называемых [[Низкозатратная переходная траектория|низкозатратных переходных траекториях]]<ref name="Conley, C. C 1968" />. Например, гравитационные поля системы Солнце-Земля-Луна позволяют посылать космические аппараты на большие расстояния с небольшими затратами топлива<!-- albeit on an often circuitous route-->. В 1978 году был запущен КА [[ISEE-3]] к одной из точек Лагранжа<ref>{{статья |заглавие=Trajectories and Orbital Maneuvers for the First Libration-Point Satellite |издание=Journal of Guidance and Control |том=3 |страницы=549—554 |язык=en |тип=journal |автор=Farquhar, R. W.; Muhonen, D. P.; Newman, C.; Heuberger, H. |год=1980}}</ref>. Часть его манёвров была произведена с небольшими затратами топлива. После завершения основной миссии, ISEE-3 произвёл пролёты через [[Магнитное поле Земли|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 LTool<ref>Martin W. Lo and Roby S. Wilson [http://www.ieec.fcr.es/libpoint/abstracts/lo2.pdf The The LTool Package]{{Недоступная ссылка|date=Ноябрь 2017 |bot=InternetArchiveBot }}</ref><ref>Martin Lo, [http://hdl.handle.net/2014/16203 LTool Version 1.0G delivery memorandum] // JPL TRS 1992+, 29-Sep-2000</ref>, 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<ref>[http://www.membrana.ru/particle/229 Межпланетная лоция ждёт своих штурманов] {{Wayback|url=http://www.membrana.ru/particle/229 |date=20120412080429 }}, Евгений Матусевич, Мембрана.ру 22 июля 2002</ref><ref>[http://www.nasa.gov/home/hqnews/2002/02-128.txt INTERPLANETARY SUPERHIGHWAY MAKES SPACE TRAVEL SIMPLER] {{Wayback|url=http://www.nasa.gov/home/hqnews/2002/02-128.txt |date=20130407000717 }}, NASA July 17, 2002</ref>.

[[Файл:Genesis Mission Trajectory and Flight Plan.jpg|мини|Траектория миссии [[Genesis (космический аппарат)|Genesis]], 2001—2003.|407x407пкс]]
Первое использование [[Низкозатратная переходная траектория|низкозатратной переходной траектории]] сети ITN было произведено японским лунным зондом ''[[Hiten]]'' в 1991<ref>{{книга |год=2004 |ссылка=http://www.pupress.princeton.edu/titles/7687.html |заглавие=Capture Dynamics and Chaotic Motions in Celestial Mechanics: With the Construction of Low Energy Transfers |издательство=[[Princeton University Press]] |isbn=9780691094809 |ref=Belbruno |язык=en |автор=Belbruno, E. |archivedate=2014-12-02 |archiveurl=https://web.archive.org/web/20141202074354/http://www.pupress.princeton.edu/titles/7687.html }} {{Cite web |url=http://www.pupress.princeton.edu/titles/7687.html |title=Архивированная копия |access-date=2012-12-22 |archive-date=2014-12-02 |archive-url=https://web.archive.org/web/20141202074354/http://www.pupress.princeton.edu/titles/7687.html |deadlink=yes }}</ref>. Другой пример использования ITN — миссия [[NASA]] 2001—2003 годов [[Genesis (космический аппарат)|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 [[орбитальный манёвр|манёвры]]. Программа 2003—2006 годов ЕКА ''[[SMART-1]]'' также использовала низкозатратную переходную траекторию из сети ITN.

ITN основана на серии орбитальных траекторий, предсказанных [[Теория хаоса|теорией хаоса]] и [[Задача трёх тел|ограниченной проблемой трёх гравитирующих тел]], проходящих через нестабильные орбиты вокруг точек Лагранжа — точек, в которых гравитационные силы от нескольких объектов тел компенсируют [[Центробежная сила|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 [[Гомановская траектория|гомановские]] и [[Биэллиптическая переходная орбита|биэллиптические]] орбиты.

Несмотря на компенсацию сил в этих точках, орбиты в L1, L2 и L3 не являются стабильными ([[Механическое равновесие|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 ==
[[Файл:Lagrange Earth Moon Sun.svg|thumb|right|800px|Схематичное изображение точек Лагранжа системы Земля-Луна и точек L<sub>1</sub> и L<sub>2</sub> системы Солнце-Земля. Точки L<sub>1</sub> и L<sub>2</sub> связаны ITN; но до точек L3, L4, L5 нет низкозатратных орбит]]

Перелет с 200 км LEO парковочной орбиты Земли до [[гало-орбита|гало-орбиты]] около точек Лагранжа Солнце-Земля (СЗ) L1 или L2 требует <math>\Delta{v} </math> 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<ref name="L1gw_ross_jpl">Martin Lo, Shane Ross, [http://trs-new.jpl.nasa.gov/dspace/bitstream/2014/40516/1/01-1858.pdf The Lunar L1 Gateway: Portal to the Stars and Beyond] {{Wayback|url=http://trs-new.jpl.nasa.gov/dspace/bitstream/2014/40516/1/01-1858.pdf |date=20100527011344 }} // NASA JPL, AIAA Space 2001 Conference, August 28-30, 2001; [http://hdl.handle.net/2014/40516 hdl:2014/40516]</ref>.

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<ref name="L1gw_ross_jpl"/>.

Точка ЗЛ L1 может быть достигнута с парковочной земной орбиты в 200 км за <math> \Delta{v} </math> в 3150 м/с и 7 дней. (При увеличении <math> \Delta{v} </math> возможно ускорение перелета). Удержание станции в ЗЛ L1 требует еженедельных коррекций с общим бюджетом в 10 м/с в год<ref name="L1gw_ross_jpl"/>.

Орбитами ITN соединены Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун (точнее точки Лагранжа L1 и L2 систем планета-Солнце)<ref>[https://web.archive.org/web/20091214032633/http://www.ieec.fcr.es/astro04/notes/LowEnergyMoonBCN04.2.ppt 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»</ref><ref>Shane Ross, [https://web.archive.org/web/20130703082212/http://www2.esm.vt.edu/~sdross/talks/surrey-apr22.ppt%E2%80%8E The Lunar L1 Gateway: Portal to the Planets] 22 April 2002, Слайд 17 «Poincare Section of the InterPlanetary Superhighway (IPS)»</ref><ref>[http://www.gg.caltech.edu/~mwl/publications/papers/IPSAndOrigins.pdf The InterPlanetary Superhighway and the Origins Program] {{Wayback|url=http://www.gg.caltech.edu/~mwl/publications/papers/IPSAndOrigins.pdf |date=20130115075819 }}, Martin W. Lo, JPL — IEEE Aerospace Conference (Big Sky, MT, USA) 0-7803-7231-X, Mar 09, 2002, [http://hdl.handle.net/2014/8065 hdl:2014/8065]. Стр. 11 «Figure 11 This is a Poincaré section of the IPS in the Outer Solar System.»</ref>.

== 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 ==
{{примечания}}

== Литература ==
{{Refbegin|2}}
* {{книга
 | автор         =   Иэн Стюарт 
 | заглавие      =Математика космоса. Как современная наука расшифровывает Вселенную
|оригинал =       Stewart Ian. Calculating the Cosmos: How Mathematics Unveils the Universe
 | издательство  = Альпина Паблишер
 | год           = 2018
 | allpages      =  542
 | isbn          =  978-5-91671-814-0
 | ref           =  Стюарт   
}}
* [http://www.jpl.nasa.gov/releases/2002/release_2002_147.html Interplanetary Superhighway Makes Space Travel Simpler] // JPL, NASA, July 17 2002
* [http://www2.esm.vt.edu/~sdross/papers/AmericanScientist2006.pdf «The Interplanetary Transport Network»] // American Scientist, May-June 2006 [https://dx.doi.org/10.1511/2006.59.994 (Subscription)]
* [https://web.archive.org/web/20140408224304/http://www.newscientist.com/article/mg18925441.300.html «Ride the celestial subway» New Scientist, 27 March 2006]
* [https://web.archive.org/web/20070702234610/http://www.sciencemag.org/content/vol310/issue5751/r-samples.dtl#310/5751/1114a «Tube Route» Science, 18 November 2005]
* [https://web.archive.org/web/20050421000557/http://www.sciencenews.org/articles/20050416/bob9.asp «Navigating Celestial Currents» Science News, 18 April 2005]
* [https://web.archive.org/web/20030329081959/http://pr.caltech.edu/periodicals/EandS/articles/LXV4/exit.html «Next Exit 0.5 Million Kilometers» Engineering and Science, 2002]
* [http://www.spacedaily.com/news/cosmology-05z.html «Mathematics Unites The Heavens And The Atom» Space Daily, 28 September 2005]
* [http://focus.aps.org/story/v9/st31 «Asteroids Lost in Space» Physical Review Focus, 14 June 2002]
* [https://web.archive.org/web/20130515003624/http://www2.esm.vt.edu/~sdross/talks/index.html#els-2004 Interplanetary Transport Network lecture] by [[Shane D. Ross]]
* [http://resolver.caltech.edu/CaltechETD:etd-05182004-154045 «Cylindrical manifolds and tube dynamics in the restricted three-body problem» — PhD dissertation] by [[Shane D. Ross]]
* [https://web.archive.org/web/20141202074354/http://www.pupress.princeton.edu/titles/7687.html ''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]] {{dead link}}
* [https://web.archive.org/web/20080527145955/http://www.cds.caltech.edu/~marsden/books/Mission_Design.html ''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
{{Refend}}

== Ссылки ==
{{Навигация}}
* [http://www2.esm.vt.edu/~sdross/superhighway/description.html The Interplanetary Superhighway]
* [https://archive.org/details/groks285 2007-10-08 audio interview with Ed Belbruno on low-energy transfer]{{ref-en}}
* ''Александр Сергеев''. [https://web.archive.org/web/20160425101226/http://sinsam.kirsoft.com.ru/KSNews_260.htm Межпланетный суперхайвей], 29.05.06{{ref-ru}}
* [https://books.google.ru/books?id=9Yinqe_hKfAC&pg=PT17 The Hitchhikers Guide To The Solar System] // Astronomy Without A Telescope By Steve Nerlich ISBN 1-908720-64-6; перевод — [https://web.archive.org/web/20121130204656/http://www.astrogorizont.com/content/read-Actronomiya_bez_teleckopa__Avtoctopom_po_Colnechnoi_cicteme Астрономия без телескопа — Автостопом по Солнечной системе]

{{ВС}}
{{Орбиты}}
{{Небесная механика}}

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