Проблема трёх тел — не только название популярного сериала Netflix или научно-фантастической книги, получившей премию «Хьюго»
Это также реальная проблема в астродинамике, которая может усложнить планирование миссий, но при этом предлагает более простой способ выхода на стабильные орбиты, который в противном случае мог бы быть невозможен.
В новой статье исследователи из Пекинского технологического института показывают, как можно усовершенствовать орбитальные манёвры при исследовании планетных систем — используя гравитационный манёвр с помощью лун этих планет. Исследование опубликовано в журнале Acta Astronautica.
Долететь до одной из больших планет, имеющих множество лун, — энергозатратный процесс.
Космическому аппарату нужно не только покинуть Землю, но и добраться до планеты, а затем замедлиться при подходе к выходу на стабильную орбиту — если только он не был специально разработан для пролёта мимо.
Все эти манёвры требуют энергии, которая напрямую переводится в топливо (то есть в вес), что, в свою очередь, влияет на стоимость. Другими словами, хорошо продуманная траектория, которая экономит даже немного топлива, потенциально может сэкономить сотни тысяч или миллионы долларов общих затрат на миссию.
Поэтому исследователей в области астродинамики привлекает перспектива снижения количества топлива, необходимого для достижения определённой орбиты вокруг планеты. Одним из распространённых методов в планах полётов космических аппаратов является гравитационный манёвр, но обычно они приводят к тому, что космический аппарат проносится в конце гравитационной ямы планеты с увеличением скорости, когда он выходит на другую траекторию. Использование той же техники для «торможения» космического аппарата — относительно новая идея.
BepiColombo, совместная миссия ЕКА и JAXA по исследованию Меркурия, является одним из первых космических аппаратов, которые намеренно используют гравитационные манёвры для замедления. Он выполнит несколько пролётов мимо Земли, Венеры и даже шесть пролётов мимо Меркурия, прежде чем потеряет достаточно энергии и окажется на стабильной орбите вокруг Меркурия, что запланировано на конец следующего года.
Другие исследователи также провели дополнительную работу над тем, как эту же идею можно применить к планетам во внешней Солнечной системе. Большая часть этой работы сосредоточена на «слабых границах стабильности» (WSB). В этих точках пространства гравитационное притяжение двух отдельных небесных тел почти уравновешено, что позволяет космическому аппарату, движущемуся к этой точке, перейти с траектории, которая вывела бы его из системы, на орбиту вокруг одного из тел в системе.
Чтобы определить эти границы, учёным сначала нужно понять систему, с которой они работают. Одним из популярных методов является техника, называемая отображением Пуанкаре. Она помещает математическую «плоскость» в систему и отмечает положение и скорость объекта, пересекающего эту плоскость каждый раз, когда он это делает. При наличии достаточного количества точек данных (которые, что важно, могут быть смоделированы) со временем может быть выявлен путь к стабильной траектории.
Новым вкладом в статью исследователей стало использование лун планетной системы в качестве потенциальных партнёров для гравитационного манёвра, чтобы выйти на большее количество возможных стабильных орбит. WSB относительно редки в традиционных системах Солнце-планета, но их количество значительно увеличивается, если учесть гравитационное выравнивание планеты и её спутника. У Юпитера 97 лун, и это может привести к множеству потенциальных траекторий с гравитационным ассистом.
Исследователи смоделировали гравитационный манёвр с участием Каллисто, одного из четырёх крупных галилеевых спутников Юпитера, что показало значительное снижение требований к топливу, необходимому для выхода миссии на стабильную орбиту в системе Юпитера. К сожалению, эта новая идея появилась слишком поздно, чтобы сэкономить затраты на топливо даже для современных миссий, таких как Jupiter Icy Moon Explorer (JUICE).
Ещё один потенциальный вариант использования, основанный скорее на чистой удаче, чем на чём-то преднамеренно сделанном людьми, — это потенциальный захват межзвёздного объекта. В статье Джерри Клайна 1979 года (на которую ссылаются в более поздней статье) показано, что система Нептун-Тритон была бы способна «поймать» межзвёздные объекты, которые пересекали бы нашу Солнечную систему, но только если бы их естественная траектория была бы правильной — и вероятность этого буквально астрономическая.
Однако концепция использования лун для замедления траекторий до такой степени, чтобы можно было добиться значительной экономии топлива, находится под нашим контролем и может привести к значительному снижению затрат на топливо для будущих миссий. Это также даёт учёным-ракетчикам, интересующимся астродинамикой, множество интересных сценариев для размышлений.