شبكة النقل بين الكواكب

📅 آخر تحديث: ٣ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٣ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 1 صور
الموسوعة الحرة
صُمم هذا التصوير المُبسط لشبكة النقل بين النجوم (ITN) لإظهار مسارها (المتعرج في كثير من الأحيان) عبر النظام الشمسي . يُمثل الشريط الأخضر أحد المسارات العديدة الممكنة رياضيًا على سطح الأنبوب الأخضر الداكن المحيط بها. تُشير المواقع التي يُغير فيها الشريط اتجاهه فجأةً إلى تغيرات المسار عند نقاط لاغرانج ، بينما تُمثل المناطق الضيقة المواقع التي تبقى فيها الأجسام في مدار مؤقت حول نقطة ما قبل أن تُكمل مسارها.

شبكة النقل بين الكواكب ( ITN ) [ 1 ] هي مجموعة من المسارات المحددة بالجاذبية عبر النظام الشمسي ، والتي تتطلب طاقة ضئيلة جدًا لتتبعها الأجسام. وتعتمد شبكة النقل بين الكواكب بشكل خاص على نقاط لاغرانج كمواقع يمكن فيها إعادة توجيه المسارات عبر الفضاء باستخدام طاقة ضئيلة أو معدومة. تتميز هذه النقاط بخاصية فريدة، وهي السماح للأجسام بالدوران حولها، على الرغم من عدم وجود جسم يدور حولها، لأن هذه النقاط تقع حيث تتساوى قوى الجاذبية بين جسمين سماويين . ورغم أن النقل عبر الشبكة يستهلك طاقة ضئيلة، إلا أنه يستغرق وقتًا طويلاً. [ 2 ]

تاريخ

تُعدّ مدارات النقل بين الكواكب حلولاً لمسألة الجاذبية الثلاثية ، التي لا تملك حلولاً تحليلية في الحالة العامة، ويتمّ تناولها بتقريبات التحليل العددي . مع ذلك، يوجد عدد قليل من الحلول الدقيقة، أبرزها المدارات الخمسة المعروفة باسم " نقاط لاغرانج "، وهي حلول مدارية للمدارات الدائرية في حالة كون أحد الأجسام أكبر كتلةً بشكل ملحوظ.

كان مفتاح اكتشاف شبكة النقل بين الكواكب هو دراسة طبيعة المسارات المتعرجة قرب نقطتي لاغرانج بين الأرض والشمس وبين الأرض والقمر. وقد درسها هنري بوانكاريه لأول مرة في تسعينيات القرن التاسع عشر. لاحظ أن المسارات المؤدية إلى أي من هاتين النقطتين أو منهما تستقر، لفترة من الزمن، في مدار حول تلك النقطة. [ 3 ] في الواقع، يوجد عدد لا نهائي من المسارات التي توصل إلى النقطة أو تنطلق منها، وكلها تتطلب تغيرًا شبه معدوم في الطاقة للوصول إليها. وعند تمثيلها بيانيًا، تشكل هذه المسارات أنبوبًا يقع مداره حول نقطة لاغرانج عند أحد طرفيه.

يعود أصل هذه المسارات إلى عالمي الرياضيات تشارلز سي. كونلي وريتشارد بي . ماكجيهي عام 1968. [ 4 ] وقد تم نقل مسبار هيتن ، أول مسبار قمري ياباني، إلى مدار قمري باستخدام فهم مماثل لطبيعة المسارات بين الأرض والقمر . ابتداءً من عام 1997، كتب مارتن لو وشين دي. روس وآخرون سلسلة من الأبحاث التي حددت الأساس الرياضي الذي طبق هذه التقنية على مهمة جينيسيس لإعادة عينات الرياح الشمسية ، وعلى مهمات القمر والمشتري . وقد أشاروا إليها باسم "الطريق السريع بين الكواكب" (IPS). [ 5 ]

المسارات

اتضح أنه من السهل جدًا الانتقال من مسار يؤدي إلى النقطة إلى مسار يؤدي إلى الخارج. وهذا منطقي، لأن المدار غير مستقر، مما يعني أن المرء سينتهي به المطاف في النهاية على أحد المسارات الخارجية دون بذل أي طاقة على الإطلاق. وقد صاغ إدوارد بيلبرونو مصطلح " حدود الاستقرار الضعيفة " [ 6 ] أو "الحدود الضبابية" [ 7 ] لوصف هذه الظاهرة.

بإجراء حسابات دقيقة، يمكن للمرء اختيار المسار الخارجي الذي يرغب فيه. وقد تبين أن هذا مفيد، حيث أن العديد من هذه المسارات تؤدي إلى بعض النقاط المثيرة للاهتمام في الفضاء، مثل قمر الأرض أو بين أقمار جاليليو التابعة لكوكب المشتري ، في غضون بضعة أشهر أو سنوات. [ 8 ]

بالنسبة للرحلات من الأرض إلى الكواكب الأخرى، لا تُعدّ هذه الشبكة مفيدةً للمسبارات المأهولة أو غير المأهولة، إذ تستغرق الرحلة أجيالًا عديدة. مع ذلك، فقد استُخدمت بالفعل لنقل المركبات الفضائية إلى نقطة لاغرانج الأولى (L1 ) بين الأرض والشمس ، وهي نقطة مهمة لدراسة الشمس، وقد استُخدمت في عدد من المهمات الحديثة، بما في ذلك مهمة جينيسيس ، أول مهمة تعيد عينات من الرياح الشمسية إلى الأرض. [ 9 ] كما تُعدّ هذه الشبكة ذات صلة بفهم ديناميكيات النظام الشمسي؛ [ 10 ] [ 11 ] وقد سلك المذنب شوميكر-ليفي 9 مسارًا مشابهًا في مسار اصطدامه بكوكب المشتري. [ 12 ] [ 13 ]

مزيد من التوضيح

تعتمد شبكة النقل المداري (ITN) على سلسلة من المسارات المدارية التي تنبأت بها نظرية الفوضى ومسألة الأجسام الثلاثة المقيدة ، والتي تؤدي إلى المدارات حول نقاط لاغرانج ومنها - وهي نقاط في الفضاء تتوازن فيها قوة الجاذبية بين الأجسام المختلفة مع قوة الطرد المركزي لجسم موجود عندها. بالنسبة لأي جسمين يدور أحدهما حول الآخر، مثل نظام نجم/كوكب أو كوكب/قمر، توجد خمس نقاط من هذا القبيل، يُشار إليها من L1 إلى L5 . على سبيل المثال، تقع نقطة L1 بين الأرض والقمر على خط مستقيم بينهما، حيث تتوازن قوى الجاذبية بينهما تمامًا مع قوة الطرد المركزي لجسم موضوع في مدار عند تلك النقطة. تتميز هذه النقاط الخمس بمتطلبات دلتا-v منخفضة للغاية ، ويبدو أنها تمثل أقل عمليات نقل الطاقة الممكنة، حتى أقل من مدار هوهمان الانتقالي الشائع الذي هيمن على الملاحة المدارية منذ بداية السفر إلى الفضاء.

على الرغم من توازن القوى عند هذه النقاط، فإن النقاط الثلاث الأولى (الواقعة على الخط الواصل بين كتلة كبيرة معينة، كنجم مثلاً ، وكتلة أصغر تدور حوله، ككوكب مثلاً ) ليست نقاط توازن مستقرة. فإذا ما أُعطيت مركبة فضائية موضوعة عند نقطة لاغرانج الأولى (L1 ) بين الأرض والقمر، ولو دفعة طفيفة ، ابتعدت عن نقطة التوازن، فإن مسارها سينحرف عنها . النظام بأكمله في حالة حركة، لذا لن تصطدم المركبة الفضائية بالقمر، بل ستسلك مساراً متعرجاً في الفضاء. مع ذلك، يوجد مدار شبه مستقر حول كل نقطة من هذه النقاط، يُسمى مدار الهالة . مدارا النقطتين L4 و L5 مستقران ، بينما مدارات الهالة من L1 إلى L3 مستقرة لبضعة أشهر فقط .

إضافةً إلى المدارات حول نقاط لاغرانج، فإن الديناميكيات الغنية التي تنشأ عن قوة الجذب الثقالي لأكثر من كتلة واحدة تُنتج مسارات مثيرة للاهتمام، تُعرف أيضًا باسم عمليات نقل الطاقة المنخفضة . [ 4 ] على سبيل المثال، تسمح بيئة الجاذبية لنظام الشمس والأرض والقمر للمركبات الفضائية بالسفر لمسافات طويلة باستخدام كمية قليلة جدًا من الوقود، وإن كان ذلك عبر مسار ملتوي في كثير من الأحيان.

المهام

أُطلقت المركبة الفضائية ISEE-3 عام 1978 في مهمةٍ للدوران حول إحدى نقاط لاغرانج. [ 14 ] تمكنت المركبة من المناورة في محيط الأرض باستخدام كمية قليلة من الوقود بفضل استغلالها لبيئة الجاذبية الفريدة . بعد إتمام المهمة الأساسية، واصلت ISEE-3 تحقيق أهداف أخرى، من بينها التحليق عبر الذيل المغناطيسي الأرضي والتحليق بالقرب من مذنب. لاحقًا، أُعيد تسمية المهمة إلى مستكشف المذنبات الدولي (ICE).

كانت أول عملية نقل منخفضة الطاقة باستخدام ما سيطلق عليه لاحقًا اسم ITN هي إنقاذ مهمة هيتين القمرية اليابانية في عام 1991. [ 15 ]

ومن الأمثلة الأخرى على استخدام شبكة النقل الذكية مهمة جينيسيس التابعة لناسا في الفترة من 2001 إلى 2003، والتي دارت حول نقطة لاغرانج L1 بين الشمس والأرض لأكثر من عامين لجمع المواد، قبل إعادة توجيهها إلى نقطة لاغرانج L2 ، ثم أعيد توجيهها من هناك عائدة إلى الأرض. [ 1 ]

استخدمت المركبة الفضائية SMART-1 التابعة لوكالة الفضاء الأوروبية في الفترة من 2003 إلى 2006 تقنية نقل طاقة منخفضة أخرى من شبكة النقل الذكية (ITN).

وفي مثال أحدث، استخدمت المركبة الفضائية الصينية Chang'e 2 شبكة النقل بين الكواكب (ITN) للسفر من مدار القمر إلى نقطة L2 بين الأرض والشمس ، ثم للتحليق بالقرب من الكويكب 4179 Toutatis .

الكويكبات

يقال إن مسار الكويكب 39P/Oterma من خارج مدار كوكب المشتري، إلى داخله، ثم العودة إلى خارجه، يتبع هذه المسارات منخفضة الطاقة. [ 1 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. روس ، إس . دي . (2006). "شبكة النقل بين الكواكب" (ملف PDF) . مجلة ساينتست الأمريكية . 94 (3): 230-237 . doi : 10.1511/2006.59.994 . مؤرشف (ملف PDF) من النسخة الأصلية بتاريخ 20 أكتوبر 2013. تاريخ الاسترجاع: 27 يونيو 2013 .
  2. ↑ "الطريق السريع بين الكواكب؛ شين روس؛ جامعة فرجينيا للتكنولوجيا" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 15 يونيو 2019. تم الاطلاع عليه بتاريخ 30 ديسمبر 2016 .
  3. ↑ مارسدن، جيه إي؛ روس، إس دي (2006). "أساليب جديدة في الميكانيكا السماوية وتصميم المهمات" . نشرة الجمعية الأمريكية للرياضيات 43 : 43-73 . doi : 10.1090 /S0273-0979-05-01085-2 .
  4. 1 2 كونلي، سي سي (1968). "مدارات العبور منخفضة الطاقة في مسألة الأجسام الثلاثة المقيدة". مجلة SIAM للرياضيات التطبيقية . 16 (4): 732-746 . Bibcode : 1968SJAM...16..732C . doi : 10.1137/0116060 . JSTOR 2099124 . 
  5. ↑ لو، مارتن دبليو وروس، شين دي (2001) بوابة القمر L1: بوابة إلى النجوم وما وراءها مؤرشفة في 2013-01-15 في Wayback Machine ، مؤتمر AIAA للفضاء 2001، البوكيرك، نيو مكسيكو.
  6. ↑ إدوارد أ. بيلبرونو؛ جون ب. كاريكو (2000). "حساب مسارات النقل الباليستية القمرية عند حدود الاستقرار الضعيفة" (ملف PDF) . مؤتمر AIAA/AAS المتخصص في ديناميكا الفضاء. مؤرشف (ملف PDF) من الأصل بتاريخ 20 نوفمبر 2008. تم الاطلاع عليه بتاريخ 29 أغسطس 2017 .
  7. ↑ فرانك، آدم (سبتمبر 1994). "حافة الجاذبية" . ديسكوفر . مؤرشف من الأصل في 22 أكتوبر 2019. تم الاسترجاع في 29 أغسطس 2017 .
  8. ↑ روس، إس دي، و دبليو إس كون، إم دبليو لو، وجي إي مارسدن (2003) تصميم مركبة مدارية متعددة الأقمار. مؤرشف في 2007-01-08 على موقع Wayback Machine . الاجتماع الثالث عشر لميكانيكا رحلات الفضاء التابع للجمعية الفلكية الأمريكية/المعهد الأمريكي للملاحة الجوية والفضائية، بونس، بورتوريكو ، ورقة بحثية رقم AAS 03–143.
  9. ↑Lo, M. W., et al. 2001. Genesis Mission Design, The Journal of the Astronautical Sciences 49:169–184.
  10. ↑Belbruno, E., and B.G. Marsden. 1997. Resonance Hopping in Comets. The Astronomical Journal 113:1433–1444
  11. ↑Koon, Wang Sang; Lo, Martin W.; Marsden, Jerrold E.; Ross, Shane D. (2000). "Heteroclinic connections between periodic orbits and resonance transitions in celestial mechanics"(PDF). Chaos: An Interdisciplinary Journal of Nonlinear Science. 10 (2): 427–469. Bibcode:2000Chaos..10..427K. doi:10.1063/1.166509. PMID 12779398. Archived(PDF) from the original on 2018-07-19. Retrieved 2019-09-23.
  12. ↑Smith, D. L. 2002. Next Exit 0.5 Million KilometersArchived 2003-03-29 at the Wayback Machine. Engineering and Science LXV(4):6–15
  13. ↑Ross, S. D. 2003. Statistical theory of interior–exterior transition and collision probabilities for minor bodies in the solar systemArchived 2007-01-08 at the Wayback Machine, Libration Point Orbits and Applications (Eds. G Gomez, M.W. Lo and J.J. Masdemont), World Scientific, pp. 637–652.
  14. ↑Farquhar, R. W.; Muhonen, D. P.; Newman, C.; Heuberger, H. (1980). "Trajectories and Orbital Maneuvers for the First Libration-Point Satellite". Journal of Guidance and Control. 3 (6): 549–554. Bibcode:1980JGCD....3..549F. doi:10.2514/3.56034.
  15. ↑Belbruno, E. (2004). Capture Dynamics and Chaotic Motions in Celestial Mechanics: With the Construction of Low Energy Transfers. Princeton University Press. ISBN 9780691094809. Archived from the original on 2014-12-02. Retrieved 2006-09-25.

Further reading