低能量轉移
GRAIL-A · 月球 · 地球
外太空中的太空飛行器通過低能量轉移軌道可以使用很少的燃料就改變軌道。[1][2]這一軌道也被稱為弱穩定性邊界軌道，或彈道捕獲軌道。這些特殊的軌道不僅在地月系可行，在其他衛星系統中也可行，例如在木星的衛星之間，有時被總稱為星際轉移網絡。
採用低能量轉移軌道的優點是可以用很小的速度增量穿越很長的距離[3]，缺點是相比採用像霍曼轉移軌道這種高能量的（即需要更多燃料的）轉移軌道，需要更長的時間[4]。
任務
[編輯]1991年，日本的探月飛船飛天號首次執行了低能量轉移，不過其最初設計目標是飛越月球，而不是入軌。飛天號在第一次飛越月球時釋放了羽衣號（日語：はごろも Hagoromo）小型軌道飛行器，它也許成功進入了繞月軌道，但遭遇了通信故障。噴氣推進實驗室的愛德華·貝爾布魯諾與詹姆斯·米勒聽聞羽衣號未能成功進入繞月軌道後，貝爾布魯諾推算出一條航線，協助將飛天號藉助彈道捕獲的方式進入繞月軌道。[5]這一為飛天號提供的方案基於弱穩定性邊界理論，只需太空船本身推力可以負擔的少量擾動，就可以達到轉換軌道的目的[1]，最終進入暫時的繞月軌道。此過程無需速度增量，不過卻需要五個月以上的時間來進入繞月軌道，而如若利用霍曼轉移軌道只需要數天的時間[4]。
已完成的執行低能量轉移的任務
[編輯]- 飛天號，Hiten（
日本 宇宙機構） - SMART-1（
歐洲聯盟 歐空局） - 起源號，Genesis（
美國 美國國家航空暨太空總署）[6] - 重力回溯及內部結構實驗室，GRAIL（ 美國 美國國家航空暨太空總署）[7][8]
- 賞月號 (
南韓 韓國航空宇宙研究院)
正在進行的執行低能量轉移的任務
[編輯]- 貝皮可倫坡號，BepiColombo（ 歐洲聯盟 歐空局和 日本 宇宙機構）[9]
- 地月自主定位系統技術操作和導航實驗，CAPSTONE（ 美國 美國國家航空暨太空總署）
計劃中的執行低能量轉移的任務
[編輯]優點
[編輯]節省速度增量
[編輯]從近地軌道到繞月軌道轉移的太空飛行器在使用傳統的霍曼轉移軌道進行地月轉移時需要在近月時燃燒燃料以剎車制動，而利用低能量轉移則可節省近25%的速度增量並使有效載荷量翻倍。[3]對從近火星環繞軌道前往火星衛星的太空飛行器來說，採用此軌道去往火衛一可以節省12%的速度增量，去往火衛二可節省20%。[10]
較大變軌機動無需在到達目標附近時進行
[編輯]從近地軌道出發的太空飛行器通過羅伯特·法夸爾（Robert Farquhar）描述的軌道實現地月轉移需要花費9天，並需要3.5km/s的速度增量，[11]而若利用低能量轉移軌道實現地月轉移則需要3.1km/s的速度增量，僅節省了不超過0.4km/s的速度增量。然而，運行在低能量轉移軌道上的太空飛行器在離開近地軌道後，不需要進行較大的變軌機動就可以進入目的天體的軌道。因此，若太空飛行器配備的火箭上面級僅有有限的發動機重啟能力和軌道保持能力，使用此軌道在實際的航天任務中更有優勢。[12]
參見
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參考文獻
[編輯]- ^ 1.0 1.1 Belbruno, Edward. Capture Dynamics and Chaotic Motions in CelestialMechanics: With Applications to the Construction of Low Energy Transfers. 普林斯頓大學出版社. 2004: 224 [2020-05-09]. ISBN 978-0-691-09480-9. （原始內容存檔於2019-06-01） （英語）.
- ^ Belbruno, Edward. Fly Me to the Moon: An Insider's Guide to the New Science of Space Travel. 普林斯頓大學出版社. 2007: 176. ISBN 978-0-691-12822-1 （英語）.
- ^ 3.0 3.1 Edward A. Belbruno & John P. Carrico. Calculation of Weak Stability Boundary Ballistic Lunar Transfer Trajectories (PDF). AIAA/AAS Astrodynamics Specialist Conference. 2000 [2020-05-09]. （原始內容存檔 (PDF)於2008-11-20） （英語）.
- ^ 4.0 4.1 Frank, Adam. Gravity's Rim. 發現. September 1994 [2020-05-09]. （原始內容存檔於2019-10-22） （英語）.
- ^ Foust, Jeff. From chaos, a new order. 太空評論. March 6, 2006 [2012-03-03]. （原始內容存檔於2012-03-10） （英語）.
- ^ Interplanetary Superhighway Makes Space Travel Simpler （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） // 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"
- ^ GRAIL Design at MIT Website. [2012-01-22]. （原始內容存檔於2012-01-26） （英語）.
- ^ Spaceflight101 GRAIL Mission Design. [2012-01-22]. （原始內容存檔於2012-07-19） （英語）.
- ^ BepiColombo overview. www.esa.int. [2019-12-03]. （原始內容存檔於2019-12-03） （英語）.
- ^ A. L. Genova; S. V. Weston & L. J. Simurda. Human & robotic mission applications of low-energy transffers to Phobos & Deimos (PDF). 2011 [2020-05-09]. （原始內容 (PDF)存檔於2012-04-25） （英語）.
- ^ NASA. NASA TN D-6365 (pdf). （原始內容存檔 (PDF)於2016-06-11） （英語）.
- ^ Parker, Jeffrey; Anderson, Rodney. Low-Energy Lunar Trajectory Design. : 24 （英語）.
