Этот четырехминутный подкаст BBC « Миссия на Меркурий: космический корабль BepiColombo, готовый к запуску» освещает несколько проблем миссии BepiColombo, в том числе ее орбитально-механические аспекты, и его стоит послушать.
Джеймс Менендес из BBC разговаривал с Эльзой Монтаньон, операционным менеджером этой миссии Европейского космического агентства , которая работала над проектом более десяти лет.
Вы можете услышать, как она дальше обсуждает миссию в подкасте Planetary Radio Планетарного общества « Возвращение к огненному Меркурию с BepiColombo » .
Она также является автором статьи на обложке журнала Planetary Report « Путешествие к Меркурию. Миссия BepiColombo готовится к запуску» . Этот выпуск также является первым, который находится в полностью открытом доступе и доступен для скачивания, а его редактором является Эмили Лакдавалла.
Энергичное описание миссии Монтаньоном заставило меня по-настоящему заинтересоваться этой орбитой и продолжить чтение о ней. Я наткнулся на статью « Межпланетная навигация по траектории BepiColombo с малой тягой» (Acta Astronautica 59, выпуски 1–5, июль – сентябрь 2006 г., страницы 284–293).
Абстрактный
Для пятилетнего путешествия BepiColombo внутрь Солнечной системы будет использоваться комбинация дуг с малой тягой и шести облетов (по одному на Луне и Земле, два на Венере и два на Меркурии), чтобы достичь Меркурия с низкой относительной скоростью. По прибытии предполагается подход гравитационного захвата, в котором возмущение Солнца используется для слабого захвата вокруг Меркурия на протяжении ряда орбит . Эта траектория накладывает серьезные ограничения с навигационной точки зрения. Требуется очень точная навигация из-за малых высот пролета, запланированных для Венеры (300 км) и Меркурия (200 км) , и уровня точности, необходимого для окончательного прибытия через окрестности точки L1 Солнце-Меркурий . Кроме того,Эффект солнечной плазмы сильно ухудшает качество радиометрических измерений вблизи верхних соединений Солнца , которые чаще всего используются для миссий во внутреннюю часть Солнечной системы. Кроме того, должны учитываться и возмущения, вносимые прогарами импульсного колеса, входом в безопасные режимы или давлением солнечной радиации. Дельта-дифференциальные односторонние измерения дальностиОбнаружено, что они необходимы в периоды плохого определения орбиты перед некоторыми гравитационными средствами. Тем не менее, если в критический момент сработает безопасный режим, вызывающий изменение скорости в неблагоприятном направлении, миссия может быть поставлена под угрозу. Чтобы избежать этого риска, рассматривается увеличение высоты пролета и, возможно, частичное или полное изменение траектории, чтобы избежать пролета вблизи солнечных соединений.
BepiColombo потребуется несколько лет, чтобы добраться до Меркурия, поэтому у нас будет достаточно времени, чтобы задать дополнительные вопросы о его орбите. Здесь я просто хотел бы спросить о некоторых аспектах этой статьи.
Вопрос: В контексте этой миссии к Меркурию так близко к Солнцу , что именно означает «слабый захват» и почему иногда могут быть необходимы «дельта-дифференциальные односторонние измерения дальности»? Если я правильно понимаю, они не так часто используются в дальних космических миссиях, даже во время маневров пролета.
"Слабый захват" означает, что космический аппарат войдет в гравитационную сферу влияния Меркурия по слабой границе устойчивости. Эти границы слабой устойчивости являются одним из ключевых математических разработок N-тела (N>2) применительно к освоению космоса.
Точки входа в этот слабый захват довольно узкие, как с точки зрения положения, так и скорости. Но все сделано правильно, точки выхода также довольно узкие. Без последующих маневров космический корабль будет следовать по кажущейся хаотичной орбите вокруг Меркурия, пока, наконец, не пройдет через одну из этих очень узких выходных точек. (С BepiColombo это займет около пяти витков.) BepiColombo будет совершать последующие маневры, чтобы он действительно был захвачен. Но поскольку он будет находиться на слабо захваченной орбите, эти маневры потребуют значительно меньшего ΔV, чем если бы он следовал более традиционному подходу к задаче двух тел.
Чтобы выполнить этот слабый захват, необходимо очень точно измерить положение и скорость BepiColombo относительно Меркурия и Солнца. Именно здесь вступает в игру «дельта-дифференциал одностороннего измерения» (ΔDOR). Дельта-дифференциальная односторонняя дальность - это метод, который использовался НАСА с 1979 года с космическим кораблем "Вояджер" и ЕКА (с помощью НАСА) с 1986 года. В настоящее время ЕКА имеет широко рассредоточенные наземные станции; ему больше не нужна помощь НАСА.
Одна наземная станция может измерять расстояние (дальность) до удаленного космического корабля, измеряя время прохождения туда и обратно сигнала, отправленного с наземной станции на космический корабль, который возвращает сигнал обратно на наземную станцию. Доплеровский сдвиг в обратном сигнале дает еще более точное измерение скорости дальности, производной по времени от расстояния. Невозможно оценить орбиту космического корабля (шесть поступательных степеней свободы) всего двумя измерениями. Эти измерения должны накапливаться с течением времени, чтобы получить оценку орбиты.
Можно было бы подумать, что направление, в котором направлена антенна наземной станции, добавит два дополнительных измерения. Это не вариант. Например, чрезвычайно узкая полоса пропускания половинной мощности 35-метровой антенны НАСА в диапазоне Ka, составляющая ~ 1 угловую минуту, соответствует погрешности в 57000 км в положении поперечного диапазона на расстоянии Меркурия. Это делает направление наведения антенны практически бесполезным для определения орбиты.
Есть способ получить дополнительную степень свободы в измерениях, если использовать две далеко разнесенные наземные станции с надлежащим образом оборудованным космическим кораблем. Я начну с одного способа ранжирования. Измерение дальности, выполненное одной наземной станцией, основано на времени прохождения туда и обратно тщательно сконструированного сигнала, исходящего от наземной станции. Предположим, что сам космический корабль посылает тщательно сконструированный сигнал с метками времени. Теоретически это обеспечило бы механизм для определения одностороннего расстояния до космического корабля.
К сожалению, практические аспекты космических путешествий требуют, чтобы масса была сведена к минимуму. Одним из следствий этого является то, что механизмы синхронизации, используемые на космических кораблях, далеко не так хороши, как те, которые доступны наземным станциям. Это делает бесполезным одностороннее ранжирование с помощью одной наземной станции; он не добавляет новой информации, а время прохождения туда и обратно намного точнее. Предположим, что две широко разнесенные наземные станции одновременно наблюдают за космическим аппаратом. Теоретически это делает две вещи. Во-первых, это резко снижает количество ошибок, вызванных космическим кораблем. Во-вторых, он дает новое измерение, угол между базовой линией между наземными станциями и линией, ведущей к космическому кораблю. Это дифференциальная односторонняя дальность.
И снова реальность торжествует над теорией. Ошибки в механизмах синхронизации на наземных станциях и то, что сигналы проходят через ионосферу, означают, что угол, полученный из дифференциальной односторонней дальности, чрезвычайно зашумлен. Дельта-дифференциальная односторонняя дальность добавляет один последний поворот поверх дифференциальной односторонней дальности. Вместо того, чтобы просто наблюдать за космическим кораблем, обе наземные станции попеременно смотрят на космический корабль и на известный квазар, который находится в нескольких градусах от космического корабля. Из более чем 200 000 известных квазаров почти всегда можно найти один с очень точно известным прямым восхождением и склонением, близким к прямому восхождению и склонению космического корабля. Парные наблюдения квазара дают информацию об ионосфере и проблемах синхронизации.
Дэвид Хаммен
ооо