Орбита TESS и лунный резонанс

Отличный обзор всех соображений и работы, проделанной при проектировании орбиты TESS, можно прочитать в препринте ArXiv A High Earth, Lunar Resonant Orbit for Low Cost Space Science Missions , и я буду опираться в первую очередь на это, а также на отличные Видео YouTube Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) .

Разработка замечательной орбиты TESS и ученые, работавшие над этим проектом, также обсуждаются в статье НАСА 2013 года « Новая исследовательская миссия выбирает «правильную» орбиту» :

Главный исследователь Джордж Рикер любит называть это «орбитой Златовласки» — это не слишком близко к Земле и ее Луне, но и не слишком далеко. На самом деле, это правильно.

вверху: инженеры Годдарда Чад Мендельсон, Тревор Уильямс и Дон Дихманн помогли сформулировать никогда ранее не использовавшуюся орбиту следующей исследовательской миссии НАСА. Обрезано. Кредиты: НАСА Годдард/Пэт Иззо. Отсюда . _

---

Из статьи ArXiv:

Орбитальные возмущения из-за сжатия Земли, Солнца и Луны в принципе могут сделать орбиту миссии нестабильной, что приведет к нарушению ограничений миссии. Перигей орбиты миссии может упасть ниже пояса GEO через несколько лет, или наклонение может упасть достаточно низко, чтобы вызвать затмения, завершающие миссию. Долгосрочная стабильность орбиты миссии зависит от ее начальных элементов орбиты, которые, в свою очередь, управляются переходной орбитой.

Орбита миссии TESS P/2-HEO должна удовлетворять двум требованиям, чтобы гарантировать выполнимость миссии: 1) все затмения должны длиться менее 6 часов и 2) перигей должен оставаться между 7 и 22 RE в течение 4-летней миссии.

Требования к конструкции орбиты TESS включают:

1. Стабильная орбита в течение многих лет или, что предпочтительнее, десятилетий, поэтому космический корабль не требует больших затрат на орбитальную двигательную установку, веса и сложности. Посмотрите, как долго просуществовал Хаббл; вам нужна орбита, которая потенциально может быть полезной в течение десятилетий.
2. Избегайте длительных солнечных затмений, которые могут привести к потере мощности с ограниченным сроком службы батареи.
3. Достаточно близкий перицентр Земли, чтобы обеспечить достаточно короткие и нечастые перерывы в наблюдениях для передачи больших объемов данных с использованием антенны скромного размера и мощности; менее 6 часов с перицентром между 7 и 22 радиусами Земли на протяжении 4-летней миссии.
4. Избегайте сценариев «Отсюда туда не попасть» (от Берта и меня , также здесь и здесь ). Другими словами, должен быть практичный способ достичь этой орбиты с помощью разумной, доступной ракеты-носителя и лунного маневра.

Все эти условия были выполнены на последней орбите TESS в соответствии с процедурой, описанной в препринте ArXiv.

Если бы был выбран 0 градусов, а не 90 градусов, орбита была бы быстро нарушена до бесполезности, поскольку расстояние наибольшего сближения между TESS и Луной было бы небольшим, что привело бы к сильному, асимметричному и резонансному «рывку».

Небольшое расстояние максимального приближения TESS к орбитальной траектории Луны и, следовательно, необходимость фазировки 90 градусов легко понять. Для эффективной и быстрой передачи данных на Землю перицентр должен быть очень маленьким, скажем, в 10 земных радиусов или примерно в 0,2 раза больше большой полуоси Луны. Орбита с периодом 0,5 Луны будет иметь большую полуось 0,5 ^ (2/3) или примерно 0,63 большой полуоси Луны. Апоцентр в два раза больше большой полуоси минус перицентр, или в 2 раза больше 0,63 минус 0,2 или 1,06 среднего расстояния Луны от Земли.

Даже с этой тщательно спроектированной орбитой вы можете видеть, что почти полное устранение гравитационного возмущения Луны в среднем по -прежнему приводит к довольно длительному танцу орбиты, показанной здесь, в синодической системе отсчета, вращающейся с периодом Луны.

---

ниже: вырезано из видео с спутника Transiting Exoplanet Survey (TESS) на 06:46. Прохождение Луны, за которым следует «маневр с регулировкой периода в PLEP» в перицентре, завершает орбиту TESS с правильной формой и наклоном, а также фазирует ее так, чтобы положение Луны было на 90 градусов в обе стороны в апоапсисе.

ниже: вырезано из видео с спутника Transiting Exoplanet Survey (TESS) на 06:57. Положение Луны будет под углом 90 градусов в обе стороны от апоапсиса, здесь показано с одной стороны, Луна будет находиться в верхней части изображения после одного полного периода обращения TESS за 13,7 дня. Если бы резонансная орбита была сфазирована на 0 градусов, короткое расстояние наибольшего сближения быстро дестабилизировало бы орбиту TESS.

Да, P/2 означает половину лунного периода, а P/3 означает треть. Здесь есть обсуждение новой орбиты IBEX P/3, в том числе классное изображение .

90 градусов - это требование, потому что оно находится вдали от Луны.

Рассмотрите орбиту Луны как круг, помеченный как часы. Луна проходит от 12 до 3, от 6 до 9 и до 12 за один период. За половину периода, примерно 14 дней, он увеличивается с 12 до 6.

Начните с Луны в 12, а TESS на 90 градусов в 3. Четверть периода (половина орбиты TESS), TESS находится в центре, а Луна в 3. Другой, TESS отсутствует в 3, а Луна переместилась дальше до 6. Они никогда не сближаются.

Если бы они развернулись на 180 градусов на одной орбите, на поллунной орбиты позже (полная орбита TESS позже), они были бы в том же месте. Нехорошо.