La red de transporte interplanetario ( ITN , Interplanetary Superhighway) [1] es un sistema de órbitas complejas definidas gravitacionalmente en el sistema solar que requieren una pequeña cantidad de combustible. El ITN utiliza los puntos de Lagrange como puntos donde son posibles las transiciones de bajo costo entre diferentes órbitas en el espacio exterior . A pesar de que ITN permite vuelos interplanetarios con bajo coste energético, la duración de los vuelos es decenas y centenas de veces mayor que la de los vuelos clásicos en órbitas Hohmann , y son inaceptables para la astronáutica tripulada.
En el sistema solar, existen principalmente órbitas de bajo costo entre Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno, así como entre sus satélites [2] .
La clave para el surgimiento de la idea ITN fue el estudio de trayectorias cerca de los puntos de Lagrange. El primer estudio de este tipo fue obra de Henri Poincaré en la década de 1890. Se dio cuenta de que los caminos hacia y desde estos puntos casi siempre se convierten en órbitas alrededor de los puntos durante algún tiempo. [3] De hecho, hay un número infinito de trayectorias que pasan por un punto, de modo que la transición entre ellas no requiere energía. Si se dibujan, forman un tubo, uno de cuyos extremos termina en una órbita en el punto de Lagrange. Este hecho fue establecido por Charles C. Conley y Richard P. McGehee en la década de 1960. [4] Trabajos teóricos de Edward Belbrano( Laboratorio de Propulsión a Chorro ) en 1994 [5] elaboró los detalles de trayectorias de transferencia similares de bajo costo entre la Tierra y la Luna. En 1991, Hiten , la primera sonda lunar de Japón, usó esa trayectoria para volar a la luna. En este caso, el combustible remanente no permitiría alcanzar la órbita de la Luna en órbitas de transferencia clásicas. Desde 1997 , Martin Lo , Shane D. Ross y otros han escrito una serie de artículos sobre los fundamentos matemáticos de ITN y han aplicado la técnica al desarrollo de la ruta de la nave espacial Génesis (volando en órbita alrededor del punto L1 del sistema Sol-Tierra). con regreso a la Tierra), así como para misiones lunares y de Júpiter. Llamaron al sistema de rutas Interplanetary Superhighway (IPS, Interplanetary Superhighway) [6] [7]
Resultó que es posible una transición simple entre una trayectoria que conduce a un punto y una trayectoria que conduce desde el punto de Lagrange. Esto sucede porque la órbita alrededor del punto de Lagrange es inestable y cualquier cuerpo debe abandonar esa órbita tarde o temprano. Al realizar cálculos precisos, es posible realizar una corrección y elegir uno de los muchos caminos que emanan del punto de Lagrange. Muchos de estos caminos conducen a otros planetas o sus lunas. [8] Esto significa que después de alcanzar el punto L2 del sistema Tierra-Sol, ubicado cerca del planeta, es posible volar a un número significativo de lugares con poco o ningún costo adicional de combustible.
Tales trayectorias de transición son de tan baja energía que alcanzan la mayoría de los puntos del sistema solar. Pero al mismo tiempo, todas estas órbitas de transferencia son extremadamente largas y están disponibles solo para estaciones interplanetarias automáticas , pero no para expediciones tripuladas.
Ya se han utilizado vuelos ITN para alcanzar el punto L1 del sistema Sol-Tierra, útil para la observación del Sol, incluso en la misión Génesis [9] . El observatorio SOHO opera en L1 desde 1996. La red también ha ayudado a comprender mejor la dinámica del sistema solar; [10] [11] Por ejemplo, el cometa Shoemaker-Levy 9 siguió este camino antes de chocar con Júpiter en 1994 [12] [13] .
Además de las órbitas alrededor de los puntos de Lagrange, surgen ricas dinámicas de las interacciones gravitatorias con más de un cuerpo grande, en las denominadas trayectorias de transición de bajo costo [4] . Por ejemplo, los campos gravitatorios del sistema Sol-Tierra-Luna hacen posible enviar naves espaciales a largas distancias con poco consumo de combustible. En 1978, la nave espacial ISEE-3 fue lanzada a uno de los puntos de Lagrange [14] . Algunas de sus maniobras se realizaron con poco consumo de combustible. Después de completar la misión principal, ISEE-3 realizó sobrevuelos a través de la cola geomagnética y luego un sobrevuelo cerca del cometa. La misión pasó a llamarse International Cometary Explorer (ICE).
En 2000, Martin Lo, Kathleen Howell y otros científicos del JPL, utilizando modelos matemáticos de la Universidad de Purdue, crearon el programa LTool [15] [16] , que simplifica el cálculo de trayectorias que pasan cerca de los puntos de Lagrange, incluidas las trayectorias de ITN. En comparación con los métodos anteriores, el cálculo de la trayectoria puede llevar hasta 50 veces menos tiempo. Este desarrollo fue nominado para el premio Discover Innovation. [17] [18]
El primer uso de la trayectoria de transición de bajo costo de la red ITN fue realizado por 19][1991.enHitenla sonda lunar japonesa maniobras correctivas durante todo el tiempo . El programa ESA SMART-1 2003-2006 también utilizó una trayectoria de transferencia de bajo costo desde la red ITN.
El ITN se basa en una serie de trayectorias orbitales predichas por la teoría del caos y el problema limitado de tres cuerpos gravitatorios que pasan a través de órbitas inestables alrededor de los puntos de Lagrange, puntos en los que las fuerzas gravitatorias de varios objetos anulan la fuerza centrífuga de los cuerpos. Para dos objetos cualesquiera en los que uno de ellos está en órbita alrededor del otro, por ejemplo, en el caso de pares de estrella/planeta, planeta/luna, hay tres de esos puntos, denotados L1, L2, L3. Para el sistema Tierra-Luna, el punto L1 está ubicado en la línea entre la Tierra y la Luna. Para dos objetos cuya relación de masa excede 24.96, hay dos puntos más estables: L4 y L5. Las órbitas que conectan estos cinco puntos tienen bajos requisitos de delta-v y parecen ser las órbitas de transferencia más económicas, incluso más económicas que las órbitas de transferencia de Hohmann y bi -elípticas que se usan a menudo para la navegación orbital.
A pesar de la compensación de fuerzas en estos puntos, las órbitas en L1, L2 y L3 no son estables ( equilibrio inestable ). Si una nave espacial ubicada en el punto L1 del sistema Tierra-Luna recibe un pequeño impulso hacia la Luna, entonces la atracción de la Luna se vuelve mayor y la nave espacial se aleja del punto L1. Dado que todos los cuerpos involucrados están en movimiento, la nave no chocará inmediatamente con la Luna, sino que seguirá una trayectoria sinuosa hacia el espacio exterior. Sin embargo, existen órbitas semiestables alrededor de los puntos de Lagrange L1, L2, L3 con una duración de existencia pasiva de varios meses. Las órbitas alrededor de los puntos L4 y L5 son estables.
El vuelo desde el LEO de 200 km de la órbita de estacionamiento de la Tierra hasta una órbita de halo cerca de los puntos L1 o L2 de Lagrange Sol-Tierra (SW) requiere aproximadamente 3200 m/s y demora aproximadamente 3 meses. El costo de mantener una órbita de halo en los puntos NW L1 o NW L2 se estima en no más de 5 m/s por año. [veinte]
El vuelo entre el punto L1 del sistema Tierra-Luna (EL) y el NW L2 o viceversa se puede realizar a través de los canales ITN Sol-Tierra-Luna mediante una maniobra determinista de 14 m/s en unos 20 días. [veinte]
El punto ZL L1 se puede alcanzar desde una órbita terrestre de estacionamiento de 200 km en 3150 m/sy 7 días. (Si lo aumenta , el vuelo puede acelerarse). Mantener la estación en la zona L1 requiere correcciones semanales con un presupuesto total de 10 m/s por año. [veinte]
Las órbitas ITN conectan a Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno (más precisamente, los puntos de Lagrange L1 y L2 de los sistemas planeta-Sol). [21] [22] [23]
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