телескоп Джеймса Уэбба; пределы срока службы топлива?

Некоторый фон см.

• этот ответ на вопрос Может ли JWST остаться на L2 «навсегда»?
• этот ответ на Что происходит с JWST после того, как у него заканчивается топливо? .

Из второго связанного ответа (слегка отредактированного):

Согласно... Космический телескоп Джеймса Уэбба Первоначальная коррекция середины курса Реализация Монте-Карло с использованием параллелизма задач и моделирования Монте-Карло с удержанием станции для космического телескопа Джеймса Уэбба каждые 21 день будет проводиться небольшое событие по поддержанию станции. Википедия говорит, что это будет потреблять 2-4 м/с дельта-v в год при бюджете в 150 м/с, поэтому срок службы может быть намного больше, чем 5-10 лет , хотя я полагаю, что около [половина этого (~ 67 м/с) будет использоваться для корректировки промежуточного курса при выходе на гало-орбиту...

Похоже, что траектория JWST из цис-лунного пространства на его гало-орбиту в целом будет следовать так называемому «стабильному многообразию», связанному с этой гало-орбитой вокруг этой точки Лагранжа. Даже в круговой ограниченной задаче трех тел орбита JWST (как и большинства больших ореолов, куда попадают космические корабли) математически нестабильна. Есть стабильные, но поменьше.

• Действительно ли некоторые гало-орбиты стабильны? (устойчивые орбиты вокруг неустойчивых точек Лагранжа)

Жизнь на нестабильном многообразии

Если космический корабль окажется с той же скоростью и направлением, но немного ближе к Земле, чем должен быть, он начнет двигаться по спирали к Земле с экспоненциально возрастающей скоростью. Он может начаться всего на несколько метров ближе, но с периодом примерно в шесть месяцев и экспоненциальной постоянной времени, измеряемой неделями, он неизбежно автоматически разворачивается к Земле. Если он начинается в нескольких метрах с другой стороны, он раскручивается вдали от Земли .

Эти две спирали падают на так называемое нестабильное многообразие , которое представляет собой поверхность, определяемую всеми спиралями, созданными, если вы начнете нестабильность в каждой точке вокруг гало.

Но подождите, есть еще и стабильный коллектор!

Получается, что если начать ближе к Земле и выстрелить своим JWST по аналогичной спирали в другом направлении, то он может оказаться на стабильном многообразии . Эта другая трубчатая поверхность совпадает с неустойчивым многообразием, где они оба пересекают гало-орбиту, для которой они определены, но вдали от гало два многообразия идут разными путями.

JWST будет следовать дорожному стабильному коллектору из желтого кирпича

Как и большинство космических аппаратов, направляющихся к гало-орбитам, он покинет окололунное пространство в значительной степени вдоль стабильного многообразия, при этом их прибытие (как по векторам положения, так и по векторам скорости) в общую окрестность их гало-орбиты будет естественным следствием. Однако Солнечная система не представляет собой чисто круговую ограниченную задачу трех тел, поэтому по пути будут корректировки траектории.

Но подождите, есть еще орбитальная механика; JWST покорит солнечный ветер!

Как объяснено в связанных ответах, JWST будет находиться немного ближе к Солнцу (что также обращено к Земле) от своей орбиты, но не будет дрейфовать к Солнцу из-за своего гигантского солнечного щита! Он будет использовать давление солнечных фотонов на свой солнцезащитный экран против «сил», которые в противном случае заставили бы его двигаться по спирали к Солнцу.

Само по себе это не преимущество, но интересно то, что для заданного направления наведения телескопа JWST предлагает целый ряд ориентаций солнцезащитного козырька; он может указывать на поле и при этом вращаться вокруг своей оптической оси. (Некоторым астрономам может понадобиться определенная ориентация вокруг его оси; другие могут быть более гибкими.) Это означает, что в течение нескольких месяцев существует гибкость в направлении, в котором солнцезащитный козырек отражает солнечный свет и иным образом излучает собственные тепловые фотоны.

Солнцезащитный козырек теперь становится несколько управляемым источником тяги, с помощью которого можно точно настроить его траекторию. Это означает, что количество движущей силы delta-v от его двигателей зависит от многих факторов, включая солнечную активность и некоторые детали графика наблюдений.

Нижняя граница

Мое лучшее предположение на данный момент: 150 - 67 = 83, а 83 / (от 2 до 4) = от 41 до 21 года.

Смотрите также:

• этот ответ на Как бы вы определили, когда объект на орбите Лиссажу нуждается в удержании станции?
• этот ответ на Каков требуемый ожог, чтобы удержать спутник в лагранжевой точке?
• презентация: Применение круговой ограниченной задачи трех тел к разработке миссии. Роберто Кастелли, BCAM - Баскский центр прикладной математики, Университет Саленто, Лечче, 9 марта 2011 г.
• Межпланетная транспортная сеть PHY 2 ⁸ - Заключительный проект естественных вычислений и самоорганизации, Руджеро Альтаир Такки

Из этого ответа на рандеву на гало или орбитах Лиссажу Gomez et al. изображение для сценария Земля-Луна, но та же идея применима и к Солнцу-Земле:

... и вот как это выглядит, если вы представляете оба многообразия, идущие (или идущие) в обоих направлениях:

Источник

Вот траектория космического корабля SOHO от Земли до ее гало-орбиты предположительно вдоль стабильного многообразия. То, как он красиво закручивается по спирали прямо к гало-орбите в правильном сочетании скорости и положения, показывает, что он прыгнул на коллектор в какой-то точке около НОО. Диаграмма взята из этого. Так выглядят маневры по удержанию станции или просто сбои в данных? (СОХО через Горизонты)

Вот безумно медленное видео сближения по устойчивому многообразию (рекомендую ускорить до максимума в ютубе):

Это помогает нам понять, куда идут эти многообразия (в нашем случае это будет система Солнце-Земля), а какие из них могут пройти около окололунного пространства для инжекции после запуска с Земли. Это из лагранжевых когерентных структур в плоской эллиптической ограниченной задаче трех тел (из оригинала )

Проекция стабильных (зеленый) и нестабильных (красный) коллекторных трубок в CR3BP на пространство позиций. Изображение заимствовано у Gómez et al. (2001)

Траектория телескопа меняет направление для выхода на гало-орбиту.

Источник изображения: https://jwst-docs.stsci.edu/jwst-observatory-hardware/jwst-orbit

Такое большое изменение направления потребовало бы большого количества дельта-v.

Бюджет составляет 150 м / с, 10 лет пребывания на станции потребуют от 20 до 40 м / с, поэтому для вывода на орбиту будет доступно от 110 до 130 м / с.

На бумаге , найденной Роджером Вудом, показаны некоторые детали: