Gratis returbane - Free-return trajectory
I orbitalmekanik er en fri-retur-bane en bane for et rumfartøj, der rejser væk fra et primærlegeme (for eksempel jorden ), hvor tyngdekraften på grund af et sekundært legeme (for eksempel månen ) får rumfartøjet til at vende tilbage til det primære legeme krop uden fremdrift (deraf udtrykket fri ).
Mange gratis returbaner er designet til at krydse atmosfæren; der findes imidlertid periodiske versioner, som passerer månen og jorden ved konstant periapsis , som er blevet foreslået for cyklister .
Jorden – Månen
Det første rumfartøj, der brugte en fri-retur-bane, var den sovjetiske Luna 3- mission i oktober 1959. Den brugte Månens tyngdekraft til at sende den tilbage mod Jorden, så de fotografier, den havde taget af den anden side af Månen, kunne downloades af radio.
Symmetriske fri-retur-baner blev undersøgt af Arthur Schwaniger fra NASA i 1963 med henvisning til Earth-Moon-systemet. Han studerede tilfælde, hvor banen på et tidspunkt krydser linjen, der går gennem midten af Jorden og Månens centrum i en ret vinkel, og også tilfælde, hvor banen krydser i en ret vinkel det plan, der indeholder denne linje og vinkelret til planet i Månens bane. I begge scenarier kan vi skelne mellem:
- En cirkulær fri returbane omkring Månen. Rumfartøjet passerer bag Månen. Den bevæger sig der i en retning modsat Månens, eller i det mindste langsommere end Månen i samme retning. Hvis fartøjets bane begynder i en normal (vest til øst) retning nær Jorden, så laver den en figur 8 omkring Jorden og Månen, når den tegnes i et koordinatsystem, der roterer, mens Månen går rundt om Jorden.
- En cislunar fri returbane. Rumfartøjet går ud over Månens bane, vender tilbage til inde i Månens bane, bevæger sig foran Månen, mens det af Månens tyngdekraft omdirigeres til en vej væk fra Jorden til ud over Månens bane igen og trækkes tilbage til Jorden ved Jordens tyngdekraft. (Der er ingen reel forskel mellem disse baner og lignende, der aldrig går ud over Månens bane, men sidstnævnte kommer måske ikke meget tæt på Månen, så betragtes ikke som relevante.)
I både det cirkulære tilfælde og cislunar-sagen kan fartøjet generelt bevæge sig fra vest til øst rundt om Jorden (co-rotational) eller fra øst til vest (modrotation).
For baner i planet på Månens bane med lille periselenumradius (tæt tilgang til Månen) er flyvetiden for en cislunar fri-retur-bane længere end for den cirkulære fri-retur-bane med samme periselenum-radius. Flyvetiden for en cislunar fri-retur-bane falder med stigende periselenumradius, mens flyvetiden for en cirkulær fri-retur-bane stiger med periselenum-radius.
Hastigheden ved en perigee på 6555 km fra Jordens centrum for baner, der passerer mellem 2000 og 20 000 km fra Månen, er mellem 10,84 og 10,92 km/s, uanset om banen er cislunar eller circumlunar eller om den er co-rotational eller modrotation.
Ved hjælp af den forenklede model, hvor Månens bane rundt om Jorden er cirkulær, fandt Schwaniger, at der eksisterer en fri-retur-bane i planet for Månens bane, som er periodisk. Efter at have vendt tilbage til lav højde over Jorden (perigee radius er en parameter, typisk 6555 km) ville rumfartøjet starte forfra på den samme bane. Denne periodiske bane er modrotation (den går fra øst til vest, når den er nær Jorden). Den har en periode på omkring 650 timer (sammenlign med en siderisk måned, som er 655,7 timer eller 27,3 dage). I betragtning af banen i en inertiel (ikke-roterende) referenceramme forekommer perigeen direkte under Månen, når Månen er på den ene side af Jorden. Hastighed ved perigee er omkring 10,91 km/s. Efter 3 dage når den Månens bane, men nu mere eller mindre på den modsatte side af Jorden fra Månen. Efter et par dage mere når håndværket sin (første) apogee og begynder at falde tilbage mod Jorden, men da det nærmer sig Månens bane, ankommer Månen, og der er en tyngdekraftsinteraktion. Fartøjet passerer på den nærmeste side af Månen i en radius på 2150 km (410 km over overfladen) og kastes tilbage udad, hvor det når en anden apogee. Den falder derefter tilbage mod Jorden, går rundt til den anden side og går gennem en anden perige tæt på, hvor den første perigee havde fundet sted. På dette tidspunkt har månen bevæget sig næsten en halv bane og er igen direkte over fartøjet ved perigee. Andre cislunar -baner ligner hinanden, men ender ikke i samme situation som i begyndelsen, så kan ikke gentages.
Der vil naturligvis være lignende baner med perioder på cirka to sideriske måneder, tre sideriske måneder og så videre. I hvert tilfælde vil de to apogier være længere og længere væk fra Jorden. Disse blev ikke overvejet af Schwaniger.
Denne form for bane kan naturligvis forekomme ved lignende tre-kropsproblemer ; dette problem er et eksempel på et cirkulært begrænset tre-kropsproblem .
Selvom der ikke anvendes en fremdrift i en ægte fri-retur-bane, kan der i praksis være små midtvejskorrektioner eller andre manøvrer .
En fri returbane kan være den indledende bane for at muliggøre en sikker retur i tilfælde af systemfejl; dette blev anvendt i Apollo 8 , Apollo 10 og Apollo 11 månemissioner. I et sådant tilfælde er en gratis tilbagevenden til en passende genindtræningssituation mere nyttig end at vende tilbage til nær Jorden, men så har den alligevel brug for fremdrift for at forhindre at bevæge sig væk fra den igen. Da alt gik godt, behøvede disse Apollo -missioner ikke at drage fordel af gratis retur og indsættes i kredsløb ved ankomsten til Månen. Den atmosfæriske indgangsgrænseflade hastighed ved tilbagekomst fra Månen er cirka 36.500 ft / s (11,1 km / s; 40.100 km / t, 24.900 mph) henviser mere almindelige rumfartøjer tilbagevenden hastighed fra lav-kredsløb om Jorden (LEO) er ca. 7,8 km / s (28.000 km/t; 17.000 mph).
På grund af måneslandingsrestriktionerne, der skyldes at begrænse lanceringen til et gratis retur, der fløj af Månen , brugte efterfølgende Apollo-missioner, startende med Apollo 12 og inklusive den skæbnesvangre Apollo 13 , en hybridbane, der startede til en meget elliptisk Jordens kredsløb, der faldt til kort for Månen med effektivt et gratis retur til den atmosfæriske indgangskorridor. De udførte derefter en midtvejsmanøvre for at skifte til en trans-månens bane, der ikke var et gratis afkast. Dette bevarede sikkerhedsegenskaberne ved at være på fri retur ved lancering og afveg kun fra gratis retur, når systemerne var tjekket ud og månemodulet var forankret med kommandomodulet, hvilket giver mulighed for backup-manøvre. Faktisk, inden for få timer efter ulykken, brugte Apollo 13 månemodulet til at manøvrere fra sin planlagte bane til en cirkulær fri-retur-bane. Apollo 13 var den eneste Apollo-mission, der rent faktisk vendte om Månen i en fri-retur-bane (dog to timer efter faren blev fremdriften anvendt for at fremskynde tilbagevenden til Jorden med 10 timer og flytte landingsstedet fra Det Indiske Ocean til Stillehavet).
Jorden – Mars
En omløbsbane uden retur til Mars er også mulig. Som med Månen, overvejes denne mulighed mest for besætningsbesøg. Robert Zubrin diskuterer i sin bog The Case for Mars forskellige baner til Mars for sit missionsdesign Mars Direct . Den Hohmann-bane kan gøres frit-return. Det tager 250 dage (0,68 år) i transit til Mars, og i tilfælde af fri returstil afbrydes uden brug af fremdrift på Mars, 1,5 år for at komme tilbage til Jorden, med et samlet delta-v- krav på 3,34 km/s. Zubrin går ind for en lidt hurtigere overførsel, der kun tager 180 dage til Mars, men 2 år tilbage til Jorden i tilfælde af en abort. Denne rute kommer også på bekostning af et højere delta-v på 5,08 km/s. Zubrin skriver, at hurtigere ruter har en betydeligt højere delta-v-omkostning og gratis returvarighed (f.eks. Overførsel til Mars på 130 dage tager 7,93 km/s delta-v og 4 år med gratis retur), og derfor går han ind for 180 -dag overførsel. Et gratis retur er også en del af forskellige andre missionsdesign, såsom Mars Semi-Direct og Inspiration Mars .
Der eksisterer også muligheden for to eller tre års gratis retur, der ikke er afhængige af Mars tyngdekraft, men blot er overførselsbaner med perioder på henholdsvis 2 eller 1,5 år. Et to-årigt gratis retur betyder fra Jorden til Mars (afbrudt der) og derefter tilbage til Jorden alt om 2 år. Indgangskorridoren (rækkevidde af tilladte sti-vinkler) til landing på Mars er begrænset, og erfaring har vist, at vejvinklen er svær at rette (f.eks. +/- 0,5 grader). Dette begrænser indgangen til atmosfæren til mindre end 9 km/s. På denne antagelse er en toårig tilbagevenden ikke mulig i nogle år, og i nogle år kan et delta-v- spark på 0,6 til 2,7 km/s på Mars være nødvendigt for at komme tilbage til Jorden.
NASA offentliggjorde Design Reference Architecture 5.0 for Mars i 2009, hvor man talte for en 174-dages overførsel til Mars, som ligger tæt på Zubrin's foreslåede bane. Det angiver et delta-v-krav på cirka 4 km/s for trans-Mars-indsprøjtningen, men nævner ikke varigheden af et gratis tilbagevenden til Jorden.