Переход с НОО на Луну с использованием только ионного двигателя малой тяги — возможно ли это?

Вопрос @SF. Каковы параметры нового электроракетного двигателя «Йод», разработанного РКК «Энергия»? ссылки на короткую статью RT «В десять раз дешевле»: Российская космическая компания испытывает йодный ракетный двигатель, в которой есть предложение, которое, вероятно, было изменено при переводе, а также в перефразировании для некосмического новостного издания:

Кроме того, ксеноновые двигатели не способны к дальним полетам, например, к Луне.

Но мой вопрос касается только орбитальной механики выхода на лунную орбиту с НОО с использованием маломощных двигателей, таких как ионы.

С LEO вы можете медленно двигаться по спирали наружу в гравитационном колодце Земли, как показано здесь, и это делается некоторыми из новых спутников связи с полностью электрическим двигателем, которые используют ионный двигатель для достижения GEO.

И если вы выйдете на высокую лунную орбиту, вы сможете понизить ее и с помощью ионного двигателя, при условии, что он сможет справиться с неравномерной гравитацией и возмущениями Земли и Солнца.

Но мой вопрос о переходе между орбитами, связанными с Землей, и орбитами, связанными с Луной. Мне интересно, можете ли вы все время выполнять переход с очень малой тягой, или есть ли какой-то момент, когда в этой задаче с четырьмя телами потребуется высокий импульс, чтобы перейти от одного к другому без риска потеряться или выброшен на гелиоцентрическую орбиту.

Для "насколько низка малая тяга?" вы можете выбрать существующий космический корабль, такой как полностью электрический спутник связи с геостационарной орбитой, или исследователь дальнего космоса, такой как DAWN.

Веские математические аргументы были бы замечательны, или ссылка на опубликованное исследование с убедительными результатами тоже была бы хороша. Даже если это возможно, я все равно хотел бы понять, было ли сложно заставить это работать, или это на самом деле не так сложно, как я мог себе представить.

" без риска заблудиться или быть выброшенным на гелиоцентрическую орбиту ". В точке, где ваша орбита переходит от Земли к Луне, вы все еще примерно на 100 м/с медленнее, чем скорость убегания от Земли. Вы можете использовать лунную гравитационную петлю, чтобы вывести свой корабль на гелиоцентрическую орбиту, но это потребует хорошего планирования. Вы также можете использовать ту же гравитацию под немного другим углом, чтобы облегчить захват Луны. Это как комментарий, а не ответ, потому что математика ... оч.

Ответы (2)

То, о чем вы спрашиваете, не только может быть сделано, но и сделано. SMART-1 был запущен на GTO в 2003 году и вышел на орбиту вокруг Луны в 2004 году, используя для этого только ионный двигатель. Он постепенно уменьшал свою орбиту вокруг Луны, в конце концов столкнувшись с ней. Хитрость заключается в том, чтобы использовать точки Лагранжа, чтобы дать еще один раз, чтобы сделать правильную орбиту.

О, используйте точку Лагранжа. Вот это "умник"!
Я не уверен, что понимаю, почему использование точки Лагранжа поможет. Нельзя было просто медленно поднимать орбиту до тех пор, пока она не пройдет сферу влияния Земли (которая, конечно, является виртуальной границей, а не реальной), а затем замедлить так, чтобы аппарат находился на высокоэллиптической орбите вокруг Луны. , а затем распространить его? Сам переход к точке Лагранжа интуитивно кажется более сложным, чем нужно.
Я не уверен, что это относится и ко мне, но я знаю, что они использовали его для миссии SMART-1. Я думаю, он сказал, что это точка L-1, что более или менее соответствует тому, что вы указываете.
@ChrisR Я использовал ваш комментарий здесь , спасибо, что подняли его! Хотя на самом деле это не отвечает на ваш вопрос. Почему бы не задать его как новый вопрос? Что-то вроде "Мог ли SMART-1 быть умнее?" или, может быть, «Проблемы, с которыми SMART-1 столкнулся бы при выходе на лунную орбиту, но избегая L1 или всех точек Лагранжа?»
@uhoh, раздел « Полеты » в статье WP особенно интересен. На самом деле имеет смысл пройти через L1 Земля-Луна, ср. это иллюстрация точки Лагранжа . Цель состояла в том, чтобы достичь Луны и пройти SOI, поэтому давайте нацелимся на ближайший пограничный регион к Земле, то есть на L1. А потом «упасть» в систему Луны. Хорошая работа дизайнеров миссий!

Комментарий @ChrisR

Я не уверен, что понимаю, почему использование точки Лагранжа поможет. Нельзя было просто медленно поднимать орбиту до тех пор, пока она не пройдет сферу влияния Земли (которая, конечно, является виртуальной границей, а не реальной), а затем замедлить так, чтобы аппарат находился на высокоэллиптической орбите вокруг Луны. , а затем распространить его? Сам переход к точке Лагранжа интуитивно кажется более сложным, чем нужно.

действительно сокращает к погоне за вопросом!

Понятие «сфера влияния» — это одна из тех лжи, которую мы рассказываем детям . Это выражение означает, что это неправда, но облегчает простые объяснения. Конечно, это также ложь, на которой основан KSP . Причина, по которой я упомянул «проблему четырех тел» в вопросе, заключается в том, что гравитация от всего всегда притягивает вас. Сфера влияния — ложь или приближение, в зависимости от контекста.

Конечно, если вы снимаете видео, как Скотт Мэнли, то это приблизительно. Если вы хотите понять орбитальную механику, а не объяснять ее , лучше всего рассматривать ее как ложь и игнорировать, или, как сказал бы Монти Пайтон :

Из игристых вин самым известным является «Perth Pink». Это бутылка с сообщением, и сообщение: Остерегайтесь! Это вино не для питья — это вино для лежания и избегания.

До ионного двигателя это не имело большого значения, потому что импульс от химических ракет настолько быстр, что вы можете довольно быстро изменить свою траекторию.

Мотивация моего текущего вопроса заключается в том, что с ионным двигателем изменения происходят очень медленно, и поэтому в сценарии с несколькими телами у вас немного больше проблем.

Солнечные батареи предоставили 1190 Вт для питания двигателя, что дало номинальную тягу 68 мН, следовательно, ускорение 0,2 мм/с² или 0,7 м/с в час (т. е. чуть менее 0,00002 g ускорения).

Точка Лагранжа решает эту проблему, конструктивно используя эффекты задачи трех тел, а не борясь с ними.

Глядя на страницу Википедии, связанную с ответом @PearsonArtPhoto, вы можете видеть, что SMART-1 потребовалось более года тяги, чтобы медленно двигаться все дальше и дальше по орбите Земли, чтобы добраться до области точки L1 Земля-Луна. Потребовалась очень тщательная регулировка вектора крошечной тяги, чтобы «вдеть иглу» и направить ее к Луне с достаточно низкой относительной скоростью, чтобы оставаться на орбите. SMART-1, вероятно, столкнулся бы с действительно серьезной навигационной проблемой, если бы попытался осуществить эту передачу каким-либо другим способом.