Descubrimiento de carreteras interplanetarias para sondas espaciales

« No hay problemas resueltos, solo hay problemas más o menos resueltos Es una de las citas célebres del matemático y físico francés Henri Poincaré. Él mismo había avanzado considerablemente en cuestiones relacionadas con el llamado problema de los tres cuerpos en mecánica celeste. Bajo este nombre algo esotérico está simplemente el problema de encontrar el comportamiento y las trayectorias de tres cuerpos gravitacionales que se atraen y se dan cuenta. movimientos en respuesta a las leyes de Mecánica de Newton. Tenemos solo soluciones parciales.

Resolver este problema proporciona, por ejemplo, las claves para comprender y predecir los movimientos del Luna alrededor de la Tierra bajo la influencia de su atracción combinada con la Soleil, o incluso los movimientos de los satélites alrededor de la Tierra; también permite comprender las trayectorias de las sondas interplanetarias que salen de la Tierra para explorar el cometas y el asteroides o cuando están, por ejemplo, en orbita alrededor de un planeta gigante para explorar sus lunas.

Muchos cuerpos celestes todavía necesitan ser explorados en el Sistema solar, para comprender mejor su cosmogonía, pero también, algún día, para explorar su recursos minerales o agua para alimentar a las colonias. La mecánica celeste, por tanto, busca caminos que sean más económicos en tiempo y combustible. Durante esta búsqueda, descubrieron notablemente la existencia de lo que llamanRed de transporte interplanetario (ITN) o, en francés, “la red de transporte interplanetario”.

Futura ya había informado de la existencia de esta red en el artículo anterior a continuación. Se basa en la existencia de Puntos de Lagrange asociado con planetas que orbitan alrededor del Sol o lunas que orbitan esos planetas. Podemos describir estas trayectorias observando que se unen para formar superficies que forman tipos de tubos. Matemáticamente, el estudio y formulación rigurosa de estas superficies implica la noción abstracta de “variedad” (múltiple en inglés), de la cual se ha desarrollado una teoría general para hipersuperficies en “n” dimensiones arbitrarias durante más de un siglo.

El descubrimiento de ITN también se basa en poderosos nuevos métodos en mecánica celeste que fueron descubiertos por Henri Poincaré además del trabajo en esta área de Lagrange, Laplace y Gauss. Llevan dentro de sí la famosa teoría del caos para los sistemas dinámicos descrita por ecuaciones diferencial y ya implicaba sutiles nociones de topología y lo que más tarde se denominó geometría simpléctica. Pero estos temas no serán discutidos, ya que nos llevaría mucho más allá de lo necesario señalar la publicación de Nataša Todorović, Di Wu y Aaron J. Rosengren en Avances en la ciencia un nuevo artículo que informa sobre los avances recientes en la exploración de lo que es posible con las carreteras de la red de transporte interplanetario.

La mecánica celeste, además, anuncia que ha descubierto nuevas estructuras geométricas en conexión con las trayectorias del NTI y que involucran lo que ellos llaman arcos de caos en conexión con los conjuntos de trayectorias estables o inestables que forman las superficies, las variedades ya identificadas. al explorar ” problema de tres cuerpos plano, circular y restringido (PCR3BP) ”como se llama en inglés (el problema de los tres cuerpos reducidos, circulares y en un plano).

Estos arcos permiten comprender el comportamiento y las trayectorias de pequeños cuerpos celestes, como los de la familia de los cometas. Júpiter (en inglés JFC, para Cometas de la familia de Júpiter), que se componen de cometas periódicos de corto plazo, o los de la familia centauro, pequeños cuerpos helados que giran alrededor del Sol entre Júpiter y Neptuno.

Es importante señalar que las nuevas rutas pueden llevar cometas y asteroides cerca de Júpiter a la distancia de Neptuno en menos de una década y 100 unidades astronómicas en menos de un siglo; ellos podrían por lo tanto, puede usarse para enviar naves espaciales a los extremos de nuestro Sistema Solar con relativa rapidez, así como para monitorear y comprender los objetos cercanos a la Tierra que pueden colisionar con nuestro planeta.

En video: ¡autopistas para sondas interplanetarias!

Artículo de Laurent Sacco publicado en 17 de septiembre de 2009

Entre los planetas del sistema solar, la mecánica celeste desenterró, entre los puntos de Lagrange, caminos reales que podrían beneficiar a la nave espacial. Instaladas en regiones tubulares, estas carreteras prolongan el recorrido, pero permiten enormes ahorros de combustible.

A pesar de las extraordinarias misiones de sondeo interplanetario, apenas estamos comenzando a explorar el sistema solar. Las lunas de Júpiter, las conocidas Io y Europa, o los muchos otros pequeños cuerpos helados en órbita, merecen mucha más exploración.

Desafortunadamente, una sonda diseñada para sobrevolar los sesenta cuerpos que orbitan alrededor de Júpiter tendría que tener enormes reservas de combustible, esenciales para realizar cambios en la órbita. A priori, tal misión es imposible, pero basado en un descubrimiento en la mecánica celeste que data de la década de 1980, y con la ayuda de computadoras modernas, recientemente nos dimos cuenta de que al menos parte de esa misión de exploración era factible.

Para comprender completamente esta oportunidad, debemos volver a la noción deórbita de transferencia Hohmann, que se muestra en la siguiente ilustración.

Campos de gravitación generados por un sistema de N-cuerpos son bastante complejos y, además, cambian con los movimientos de los planetas. No parece posible crear dispositivos antigravedad, y viajar en línea recta o casi en línea desde la Tierra hasta un cuerpo celeste en el sistema solar consume tanto combustible que resulta poco práctico o muy caro con las tecnologías actuales. propulsión. Afortunadamente, basta con aprovechar las leyes de la mecánica celeste …

Sabemos que las órbitas son más o menos elipses excéntrico. Para cambiar de uno a otro, por ejemplo de una órbita alrededor de la Tierra a la Luna, es necesario arrancar los motores de un cohete en un punto de la órbita durante un tiempo determinado para situarse en una órbita de transferencia, también elíptica, tangente a la órbita que queremos alcanzar. Una vez en este punto, otro encendido de los motores por un breve duración garantiza el paso a la órbita final.

Estos dos encendidos obviamente consumen combustible y cuantas más órbitas haya, mayor será la cantidad de combustible a transportar. Como el combustible en sí es parte del pasta para ser transferido, la cantidad necesaria aumenta mucho más rápido que linealmente dependiendo de la masa total del cohete. Esta es también la razón por la que las sondas interplanetarias utilizan el mecanismo de cabestrillo gravitacional para pasar de una órbita a otra.

Sin embargo, si sabemos cómo hacer esto tomando prestadas ciertas órbitas formando tubos Encuadernador Puntos de Lagrange sistemas planetarios, en particular, los sistemas lunares alrededor de un planeta gigante, no hay necesidad de consumir combustible o casi durante una transferencia en órbita.

Recordemos cuáles son los puntos de Lagrange del sistema Tierra-Luna. Estos son puntos particulares donde los campos gravitacionales de estos dos estrellas, combinado con Fuerza de Coriolis del repositorio en movimiento con los dos cuerpos que parten del centro de masa del sistema, asumen valores notables. En estos puntos, un satélite puede permanecer en equilibrio, aunque algunas de estas posiciones son de hecho inestables.

El milagro es que la combinación de fuerzas anteriores también crea órbitas de transferencia entre la Tierra y la Luna que solo requieren un motor de encendido. Cuando una nave espacial realiza una de estas trayectorias, formando una familia distribuida en un tubo, su movimiento se convierte en el de una caída libre entre la órbita de salida de la Tierra y la llegada con captura alrededor de la Luna.

Durante algún tiempo, la mecánica celeste ha estado explorando trayectorias similares en todo el sistema solar. La misión Génesis que era recolectar y traer partículas de la Tierra viento solar operaba esta carretera interplanetaria. ¡Este truco redujo la cantidad de combustible necesaria en un factor de 10!

Uno de los expertos en estos las carreteras interplanetarias se llaman Shane D. Ross y enseña el Instituto Politécnico de Virginia en los Estados Unidos. Con colegas alemanes, acaba de publicar un artículo técnico sobre estas carreteras interplanetarias del sistema solar. También hay un sitio web con varias páginas de información semitécnica, enlazadas al final de este artículo.