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Red de Transporte Interplanetario

Esta representación estilizada de la Red de Transición Intergaláctica (RTI) está diseñada para mostrar su trayectoria (a menudo intrincada) a través del Sistema Solar . La cinta...

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Esta representación estilizada de la Red de Transición Intergaláctica (RTI) está diseñada para mostrar su trayectoria (a menudo intrincada) a través del Sistema Solar . La cinta verde representa una de las muchas trayectorias matemáticamente posibles a lo largo de la superficie del tubo delimitador verde oscuro. Los puntos donde la cinta cambia de dirección abruptamente representan cambios de trayectoria en los puntos de Lagrange , mientras que las áreas estrechas representan lugares donde los objetos permanecen en órbita temporal alrededor de un punto antes de continuar su camino.

La Red de Transporte Interplanetario ( RTI ) [ 1 ] es un conjunto de trayectorias determinadas gravitacionalmente a través del Sistema Solar que requieren muy poca energía para que un objeto las siga. La RTI utiliza especialmente los puntos de Lagrange como ubicaciones donde las trayectorias a través del espacio pueden redirigirse con poca o ninguna energía. Estos puntos tienen la peculiar propiedad de permitir que los objetos orbiten a su alrededor, incluso sin un objeto alrededor del cual orbitar, ya que existen donde las fuerzas gravitacionales entre dos cuerpos celestes son iguales. Si bien consumiría poca energía, el transporte a lo largo de la red tomaría mucho tiempo. [ 2 ]

Historia

Las órbitas de transferencia interplanetarias son soluciones al problema gravitacional de tres cuerpos , que, en el caso general, no tiene soluciones analíticas y se aborda mediante aproximaciones numéricas . Sin embargo, existen algunas soluciones exactas, entre las que destacan las cinco órbitas denominadas " puntos de Lagrange ", que son soluciones orbitales para órbitas circulares cuando uno de los cuerpos tiene una masa significativamente mayor.

La clave para descubrir la Red de Transporte Interplanetario fue la investigación de la naturaleza de las trayectorias sinuosas cerca de los puntos de Lagrange Tierra-Sol y Tierra-Luna. Henri Poincaré las investigó por primera vez en la década de 1890. Observó que las trayectorias que conducen hacia y desde cualquiera de esos puntos casi siempre se estabilizaban, durante un tiempo, en una órbita alrededor de ese punto. [ 3 ] De hecho, existe un número infinito de trayectorias que llevan a uno hacia el punto y lo alejan de él, y todas requieren un cambio de energía prácticamente nulo para alcanzarlas. Al representarlas gráficamente, forman un tubo con la órbita alrededor del punto de Lagrange en un extremo.

La derivación de estas trayectorias se remonta a los matemáticos Charles C. Conley y Richard P. McGehee en 1968. [ 4 ] Hiten , la primera sonda lunar de Japón, fue puesta en órbita lunar utilizando una comprensión similar de la naturaleza de las trayectorias entre la Tierra y la Luna . A partir de 1997, Martin Lo , Shane D. Ross y otros escribieron una serie de artículos que identificaban la base matemática que aplicó la técnica al retorno de muestras del viento solar de Genesis , y a misiones lunares y jovianas . Se refirieron a ella como una Superautopista Interplanetaria (IPS). [ 5 ]

Caminos

Resulta que es muy fácil transitar de una trayectoria que lleva al punto a otra que lo aleja. Esto tiene sentido, ya que la órbita es inestable, lo que implica que, finalmente, se terminará en una de las trayectorias de salida sin gastar energía alguna. Edward Belbruno acuñó el término « límite de estabilidad débil » [ 6 ] o «límite difuso» [ 7 ] para este efecto.

Con un cálculo cuidadoso, se puede elegir la trayectoria de salida deseada. Esto resulta útil, ya que muchas de estas trayectorias conducen a puntos interesantes en el espacio, como la Luna o entre las lunas galileanas de Júpiter , en cuestión de meses o años. [ 8 ]

Para viajes de la Tierra a otros planetas, no son útiles para sondas tripuladas o no tripuladas, ya que el viaje tomaría muchas generaciones. Sin embargo, ya se han utilizado para transferir naves espaciales al punto L1 Tierra-Sol , un punto útil para estudiar el Sol que se empleó en varias misiones recientes, incluida la misión Génesis , la primera en traer muestras de viento solar a la Tierra. [ 9 ] La red también es relevante para comprender la dinámica del Sistema Solar; [ 10 ] [ 11 ] El cometa Shoemaker-Levy 9 siguió una trayectoria de este tipo en su camino de colisión con Júpiter. [ 12 ] [ 13 ]

Explicación adicional

La ITN se basa en una serie de trayectorias orbitales predichas por la teoría del caos y el problema restringido de tres cuerpos que conducen a las órbitas alrededor de los puntos de Lagrange: puntos en el espacio donde la gravedad entre varios cuerpos se equilibra con la fuerza centrífuga de un objeto en ese lugar. Para cualquier par de cuerpos en el que uno orbita alrededor del otro, como un sistema estrella/planeta o planeta/luna, existen cinco de estos puntos, denominados L1 a L5 . Por ejemplo, el punto L1 Tierra-Luna se encuentra en una línea entre ambos, donde las fuerzas gravitatorias entre ellos se equilibran exactamente con la fuerza centrífuga de un objeto colocado en órbita en ese punto. Estos cinco puntos tienen requisitos de delta-v particularmente bajos y parecen ser las transferencias de energía más bajas posibles, incluso menores que la órbita de transferencia de Hohmann común que ha dominado la navegación orbital desde el inicio de los viajes espaciales.

Aunque las fuerzas se equilibran en estos puntos, los tres primeros (los que se encuentran en la línea entre una masa grande, como una estrella , y una masa más pequeña en órbita, como un planeta ) no son puntos de equilibrio estables. Si una nave espacial situada en el punto L1 Tierra-Luna recibe incluso un ligero empujón que la aleje del punto de equilibrio , su trayectoria divergirá . Todo el sistema estará en movimiento, por lo que la nave no impactará contra la Luna, sino que viajará en una trayectoria sinuosa hacia el espacio. Sin embargo, existe una órbita semiestable alrededor de cada uno de estos puntos, denominada órbita de halo . Las órbitas de dos de los puntos, L4 y L5 , son estables, pero las órbitas de halo de L1 a L3 solo son estables durante unos pocos meses .

Además de las órbitas alrededor de los puntos de Lagrange, la rica dinámica que surge de la atracción gravitatoria de más de una masa produce trayectorias interesantes, también conocidas como transferencias de baja energía . [ 4 ] Por ejemplo, el entorno gravitatorio del sistema Sol-Tierra-Luna permite que las naves espaciales viajen grandes distancias con muy poco combustible, aunque a menudo por una ruta tortuosa.

Misiones

Lanzada en 1978, la nave espacial ISEE-3 fue enviada en una misión para orbitar alrededor de uno de los puntos de Lagrange. [ 14 ] La nave espacial pudo maniobrar en las cercanías de la Tierra utilizando poco combustible gracias a la gravedad única del planeta. Tras completar su misión principal, ISEE-3 llevó a cabo otros objetivos, como un vuelo a través de la cola geomagnética y un sobrevuelo de un cometa. Posteriormente, la misión pasó a llamarse Explorador Internacional de Cometas (ICE).

La primera transferencia de baja energía utilizando lo que más tarde se denominaría ITN fue el rescate de la misión lunar Hiten de Japón en 1991. [ 15 ]

Otro ejemplo del uso de la ITN fue la misión Génesis de la NASA de 2001-2003 , que orbitó el punto L1 Sol-Tierra durante más de dos años recolectando material, antes de ser redirigida al punto de Lagrange L2 , y finalmente redirigida desde allí de regreso a la Tierra. [ 1 ]

El programa SMART-1 de la Agencia Espacial Europea, que operó entre 2003 y 2006 , utilizó otra transferencia de energía de baja intensidad procedente de la red ITN.

En un ejemplo más reciente, la nave espacial china Chang'e 2 utilizó la ITN para viajar desde la órbita lunar hasta el punto L2 Tierra-Sol , y luego sobrevolar el asteroide 4179 Toutatis .

asteroides

Se dice que la trayectoria del asteroide 39P/Oterma, desde fuera de la órbita de Júpiter, hacia dentro y de vuelta fuera, sigue estas trayectorias de baja energía. [ 1 ]

Véase también

Referencias

  1. 1 2 3 Ross, SD (2006). "La red de transporte interplanetario" (PDF) . American Scientist . 94 (3): 230– 237. doi : 10.1511/2006.59.994 . Archivado (PDF) del original el 20 de octubre de 2013. Recuperado el 27 de junio de 2013 .
  2. ↑ "La Superautopista Interplanetaria; Shane Ross; Virginia Tech" . Archivado del original el 15 de junio de 2019. Consultado el 30 de diciembre de 2016 .
  3. ↑ Marsden, JE; Ross, SD (2006). "Nuevos métodos en mecánica celeste y diseño de misiones" . Bull. Amer. Math. Soc . 43 : 43–73 . doi : 10.1090/S0273-0979-05-01085-2 .
  4. 1 2 Conley, CC (1968). "Órbitas de tránsito de baja energía en el problema restringido de tres cuerpos". SIAM Journal on Applied Mathematics . 16 (4): 732– 746. Bibcode : 1968SJAM...16..732C . doi : 10.1137/0116060 . JSTOR 2099124 . 
  5. ↑ Lo, Martin W. y Ross, Shane D. (2001) La puerta de enlace lunar L1: portal a las estrellas y más allá. Archivado el 15 de enero de 2013 en Wayback Machine , Conferencia AIAA Space 2001, Albuquerque, Nuevo México.
  6. ↑ Edward A. Belbruno; John P. Carrico (2000). "Cálculo de trayectorias balísticas de transferencia lunar en el límite de estabilidad débil" (PDF) . Conferencia de especialistas en astrodinámica AIAA/AAS. Archivado (PDF) del original el 20 de noviembre de 2008. Recuperado el 29 de agosto de 2017 .
  7. ↑ Frank, Adam (septiembre de 1994). "Gravity's Rim" . Discover . Archivado del original el 22 de octubre de 2019. Recuperado el 29 de agosto de 2017 .
  8. ↑ Ross, SD, WS Koon, MW Lo y JE Marsden (2003) Diseño de un orbitador multilunar Archivado el 8 de enero de 2007 en Wayback Machine . 13.ª Reunión de Mecánica de Vuelo Espacial AAS/AIAA, Ponce, Puerto Rico , Documento n.º AAS 03–143.
  9. ↑ Lo, MW, et al. 2001. Diseño de la misión Génesis, The Journal of the Astronautical Sciences 49:169–184.
  10. ↑ Belbruno, E., y BG Marsden. 1997. Resonance Hopping in Comets . The Astronomical Journal 113:1433–1444
  11. ↑ Koon, Wang Sang; Lo, Martin W.; Marsden, Jerrold E.; Ross, Shane D. (2000). "Conexiones heteroclínicas entre órbitas periódicas y transiciones de resonancia en mecánica celeste" ( PDF) . Chaos: An Interdisciplinary Journal of Nonlinear Science . 10 (2): 427– 469. Bibcode : 2000Chaos..10..427K . doi : 10.1063/1.166509 . PMID 12779398. Archivado (PDF) del original el 19 de julio de 2018. Recuperado el 23 de septiembre de 2019 . 
  12. ↑ Smith, DL 2002. Next Exit 0,5 Million Kilometers. Archivado el 29 de marzo de 2003 en Wayback Machine . Ingeniería y Ciencia LXV(4):6–15
  13. ↑ Ross, SD 2003. Teoría estadística de la transición interior-exterior y probabilidades de colisión para cuerpos menores en el sistema solar Archivado el 8 de enero de 2007 en Wayback Machine , Libration Point Orbits and Applications (Eds. G Gomez, MW Lo y JJ Masdemont), World Scientific , pp. 637–652.
  14. ↑ Farquhar, RW; Muhonen, DP; Newman, C.; Heuberger, H. (1980). "Trayectorias y maniobras orbitales para el primer satélite de punto de libración". Journal of Guidance and Control . 3 (6): 549– 554. Bibcode : 1980JGCD....3..549F . doi : 10.2514/3.56034 .
  15. ↑ Belbruno, E. (2004). Dinámica de captura y movimientos caóticos en mecánica celeste: con la construcción de transferencias de baja energía . Princeton University Press . ISBN 9780691094809Archivado del original el 2 de diciembre de 2014. Consultado el 25 de septiembre de 2006 .

Lecturas adicionales

  • Sistemas dinámicos, el problema de los tres cuerpos y el diseño de misiones espaciales. Archivado el 11 de septiembre de 2018 en Wayback Machine , por Wang Sang Koon, Martin W. Lo , Jerrold E. Marsden y Shane D. Ross (libro disponible en formato PDF archivado el 11 de septiembre de 2018 en Wayback Machine ). ISBN 978-0-615-24095-4
  • "Variedades cilíndricas y dinámica de tubos en el problema restringido de tres cuerpos" - Tesis doctoral de Shane D. Ross
  • "La red de transporte interplanetario" Archivado el 20 de octubre de 2013 en Wayback Machine por Shane D. Ross , American Scientist , mayo-junio de 2006 (Suscripción)
  • "Viaja en el metro celestial" New Scientist , 27 de marzo de 2006
  • "Ruta del Tubo" , Ciencia , 18 de noviembre de 2005
  • "Navegando por las corrientes celestes", Science News , 18 de abril de 2005. Archivado el 21 de abril de 2005 en Wayback Machine.
  • "Próxima salida a 0,5 millones de kilómetros" Ingeniería y Ciencia, 2002
  • "Las matemáticas unen los cielos y el átomo", Space Daily , 28 de septiembre de 2005
  • "Asteroides perdidos en el espacio", Physical Review Focus , 14 de junio de 2002
  • Conferencia sobre la Red de Transporte Interplanetario (YouTube) impartida por Shane D. Ross , 2004.
  • Dinámica de captura y movimientos caóticos en mecánica celeste: con la construcción de transferencias de baja energía - Un análisis matemático de aspectos de la ITN, Edward Belbruno (2004)
  • Entrevista de audio del 8 de octubre de 2007 con Belbruno sobre la transferencia de baja energía.