Самая низкая возможная лунная орбита и достиг ли ее какой-либо космический корабль?

Самая низкая достигнутая орбита, вероятно, будет PFS-2 , небольшим спутником, развернутым из служебного модуля Аполлона-16. Он был предназначен для выхода на орбиту размером 55x76 миль (88,5x122 км), но из-за изменений в гравитационном поле Луны он прошел шесть миль (9,6 км) или меньше, прежде чем врезаться в поверхность Луны.

Вокруг Луны очень мало стабильных низких орбит из-за крайне неравномерного гравитационного поля. Большинство лунных орбитальных аппаратов остаются достаточно далеко, чтобы не пострадать. Ближайшая преднамеренная траектория, вероятно, - это Чанъэ 2 с перицентром 15 км (9,3 мили); другие низколетящие аппараты — Lunar Reconnaissance Orbiter на высоте 12 миль (20 км) и LADEE (20 км x 60 км, 12 миль x 37 миль).

"Самая низкая возможная лунная орбита..."

Как указано в комментариях и в ответах на связанные вопросы

• Являются ли низкие полярные лунные орбиты в целом относительно стабильными?
• Бюджет Delta-V для поддержания станции на лунной орбите
• Каков пол для стабильных ретроградных лунных орбит?
• Какие небесные тела кроме Луны обладают неравномерной гравитацией?

очень близкие орбиты вокруг любого тела с несовершенным, комковатым гравитационным полем будут развиваться со временем и в конечном итоге могут пересечь поверхность тела.

«Бугристая гравитация» впервые появилась, когда термин « маскон » или «концентрация массы» был придуман для объяснения возмущений, которые приводят к тому, что низкая лунная орбита эволюционирует и пересекает поверхность (т. е. что-то врезалось в Луну раньше, чем ожидалось).

• Бюджет Delta-V для поддержания станции на лунной орбите

От Аполлона_16; Лунный субспутник ПФС-2 :

Подспутник частиц и полей Аполлона-16 (PFS-2) был небольшим спутником, выпущенным на лунную орбиту из служебного модуля. Его основная цель заключалась в измерении заряженных частиц и магнитных полей вокруг Луны, когда Луна вращается вокруг Земли, подобно своему родственному космическому кораблю PFS-1, выпущенному восемью месяцами ранее Аполлоном-15. «Низкие орбиты обоих субспутников должны были быть похожими. эллипсы на высоте от 55 до 76 миль (от 89 до 122 километров) над лунной поверхностью.

«Орбита PFS-2 быстро изменила форму и расстояние от Луны. За 2,5 недели спутник пролетел на расстоянии 6 миль (9,7 км) от лунной поверхности при максимальном сближении . продолжал меняться, ПФС-2 снова отступил, пока не показался ему безопасным расстоянием в 30 миль. Но ненадолго: орбита субспутника неумолимо несла его обратно к Луне. И 29 мая 1972 года — всего 35 дней и 425 дней. орбиты после его выпуска» — ПФС-2 врезался в лунную поверхность.

источник «На этом рисунке показана топография (вверху) и соответствующий гравитационный сигнал (внизу) Mare Smythii на Луне. Он хорошо иллюстрирует термин «маскон».

Так что топографически это выглядит как кратер, то есть недостающая масса, но с точки зрения гравитации это выглядит как избыток массы или концентрация массы . Каждый раз, когда космический корабль проходит вблизи маскона, его орбита каким-то сложным образом возмущается.

Для очень низких орбит почти наверняка потребуется иметь некоторую доступную двигательную установку для выполнения обычных маневров удержания станции (небольшие импульсы тяги или непрерывные силы), чтобы противостоять воздействию множества масконов.

Как указано в нескольких ответах, чем ниже вы находитесь, тем больше последствия. Вы можете думать о масконе как об отдельном маленьком гравитационном объекте в дополнение к среднему гравитационному полю Луны и$a \sim Gm/r^2$закон тогда будет применяться к ускорению, которое он производит, а также, где$r$теперь это расстояние между космическим кораблем и подповерхностным масконом.

Таким образом, чем ниже вы хотите спуститься, тем более мощная силовая установка вам понадобится для удержания станции.

Может быть некоторая высота, на которой пассивная тяга, такая как солнечный или электрический/магнитный парус, отражающий солнечный свет или заряженные частицы солнечного ветра, может работать для корабля с очень малой массой, но ниже этой высоты вам понадобится запас топлива и какой-то двигатель, чтобы ускорить его.

А это значит, что в конце концов у вас кончится топливо, и вы разобьетесь.

• Какая дельта v требуется для поддержания стабильности низкоорбитальной станции на Луне?

Второй эффект, конечно же, заключается в том, что поверхность Луны не является идеальной сферой. Топография Луны в Википедии сообщает нам, что в дополнение к шероховатости поверхности в несколько километров:

что высоты в среднем примерно на 1,9 км выше на дальней стороне, чем на ближней.

и это относится к вопросам

• Какая сторона Луны обращена к Земле, тяжелая сторона или более легкая?
• Может ли космический корабль совершить два стабильных витка вокруг Меркурия на высоте трех миль?

1879 г., источник

Однако, поскольку неравномерная гравитация Луны очень хорошо нанесена на карту и изучена, а у нас есть компьютеры, могут существовать определенные специфические замороженные орбиты даже на очень малых высотах, которые сводят к минимуму количество необходимых станций, или на некоторой высоте даже позволяют довольно длительное время обращения по орбите. без всяких.

• Орбитальная механика с Numerit; Дизайн замороженной орбиты
• Застывшие орбиты вокруг Луны
• Причудливые лунные орбиты

Этот ответ следует прочитать полностью и проконсультироваться со всеми его источниками. Кратко перефразируя:

LRO был выведен на полярную замороженную орбиту для ввода в эксплуатацию, что не требовало поддержания станции. (Полярная орбита 31,5 км x 199 км с перицентром над Южным полюсом, «замороженная» = линия апсид и эксцентриситет остаются фиксированными.

Затем перешел на 50-километровую круговую полярную орбиту (+/- 20 км) для научной миссии, требующей маневра по удержанию станции один раз в месяц с годовым бюджетом около 150 м/с.

после миссии снова переместился на полярную замороженную орбиту, где не требовалось удерживать станцию.

"...и достиг ли этого какой-нибудь космический корабль?"

Я думаю, что другие респонденты могут рассмотреть это с большей исторической тщательностью ¹ , чем я, поэтому я полагаюсь на их опыт, но похоже, что замороженная орбита LRO, вероятно, является лучшим репрезентативным примером того, что было достигнуто на сегодняшний день.

Это вовсе не значит, что что-то ближе и умнее невозможно!

Но вам понадобится

• подробная лунная гравитационная карта
• подробная карта лунной топографии
• компьютер, немного времени и немного интереса

вверху: источник Lunar Gravity Model 2011 , внизу: увеличенный в 20 раз источник топографии Луны , нажмите на изображение, чтобы открыть его в полном размере.

¹ Могло бы быть слово «тщательный», если бы не было тщательности?

Может быть, в зависимости от вашего определения "орбиты".

Самая низкая возможная орбита вокруг Луны — это высокоэллиптическая орбита, на которой вращающееся тело едва избегает касания поверхности в самой нижней точке. Это означало бы, что посадочные модули Аполлона во время их спуска на поверхность Луны находились бы на такой орбите, поскольку процесс посадки включал бы горящие ракеты, чтобы настроить их орбиту на такую, которая позволила бы им приземлиться на поверхность Луны.