Характеристики резонансных орбит солнечных парусов вблизи точки l2 в системе Земля-Луна

Авторы

Юй В. ^*, Старинова О. Л.^**

Самарский национальный исследовательский университет им. академика С.П. Королева, Московское шоссе, 34, Самара, 443086, Россия

*e-mail: yussau@foxmail.com
**e-mail: solleo@mail.ru

Аннотация

В рамках будущих проектов по исследованию и освоению Луны, спутники-ретрансляторы для связи между Землей и Луной, особенно обратной стороной и полярными регионами Луны, где планируют построить постоянные базы, вызывают значительный интерес. Резонансные орбиты, сформированные с применением солнечных парусов, имеют регулируемые формы и положения орбит при фиксированных периодах обращения и могут лучше соответствовать требованиям для размещения определенных спутников-ретрансляторов по сравнению с естественными периодическими орбитами. В данной статье разработана методика определения резонансных орбит около точки либрации L2 в системе Земля-Луна на основе круговой ограниченной модели динамики трех тел с использованием метода множественной стрельбы. Кроме того, рассмотрены изменение резонансных орбит под влиянием изменений начального положения Солнца, величины номинального ускорения от светового давления и углов установки солнечного паруса. В результате исследования получены новые типы периодических орбит для размещения спутников-ретрансляторов в системе Земля-Луна, и зависимости изменения резонансных орбит от проектных параметров и параметров управления космических аппаратов с солнечным парусом.

Ключевые слова:

резонансная орбита, солнечный парус, точка либрации L2, система Земля-Луна, метод множественной стрельбы, начальное положение Солнца, величина номинального ускорения от светового давления, углы установки солнечного паруса

Библиографический список

1. Heidmann J. A proposal for a radio frequency interference-free dedicated lunar far side crater for high sensitivity radioastronomy: programmatic issues // Acta Astronautica. 2000. Vol. 46. No. 8, pp. 555–558. DOI: 10.1016/S0094-5765(00)00002-3
2. Li S., Lucey P.G., Milliken R.E. et al. Direct evidence of surface exposed water ice in the lunar polar regions // Proceedings of the National Academy of Sciences. 2018. Vol. 115. No. 36, pp. 8907–8912. DOI: 10.1073/pnas.1802345115
3. Breakwell J.V., Brown J.V. The ‘Halo’ family of 3-dimensional periodic orbits in the Earth-Moon restricted 3-body problem // Celestial Mechanics. 1979. Vol. 20. No. 4, pp. 389-404. DOI: 10.1007/BF01230405
4. Grebow D. Generating periodic orbits in the circular restricted three-body problem with applications to lunar south pole coverage, MSAA Thesis, West Lafayette, School of Aeronautics and Astronautics, Purdue University, 2006, 165 p.
5. Kim M., Hall C.D. Lyapunov and halo orbits about L2 // AAS/AIAA Astrodynamics Specialist Conference (30 July – 02 August 2001; Quebec City, Canada). Vol. 109, pp. 349-366.
6. Richardson D.L. Halo orbit formulation for the ISEE-3 mission // Journal of Guidance, Control, and Dynamics. 1980. Vol. 3. No. 6, pp. 543-548. DOI: 10.2514/3.56033
7. Serban R., Koon W.S., Lo M.W. et al. Halo orbit mission correction maneuvers using optimal control // Automatica. 2002. Vol. 38. No. 4, pp. 571-583. DOI: 10.1016/S0005-1098(01)00279-5
8. Gao S., Zhou W.Y., Zhang L. et al. Trajectory design and flight results for Chang’e 4-relay satellite // Scientia Sinica Technologica. 2019. Vol. 49. No. 2, pp. 156–165. DOI: 10.1360/N092018-00393
9. Jianfeng D., Xie L.I., Cuilan L.I., Zhaokui W. Orbit determination and analysis of Chang'E-4 relay satellite on mission orbit // Journal of Deep Space Exploration. 2019. Vol. 6. No. 3, pp. 247–253.
10. Lihua Z., Liang X., Ji S. One Year On-orbit Operation of Queqiao Lunar Relay Communications Satellite // Aerospace China. 2019. Vol. 3.
11. Поляхова Е.Н. Космический полет с солнечным парусом /Под ред. В.А. Егорова. – 2-е изд., доп. – М.: URSS, 2010. – 302 с.
12. Garwin R.L. Solar Sailing: A Practical Method of Propulsion within the Solar System // Jet Propulsion. 1958. Vol. 28. No. 3, pp. 188-190.
13. Kirpichnikov S.N., Kirpichnikova E.S., Polyakhova E.N., Shmyrov A.S. Planar heliocentric roto-translatory motion of a spacecraft with a solar sail of complex shape // Celestial Mechanics and Dynamical Astronomy. 1995. No. 63, pp. 255-269.
14. Spieth D., Zubrin R. Ultra-Thin Solar Sails for Interstellar Travel. Phase I Final Report. NASA Institute for Advanced Concepts, 1999, 32 p.
15. Tsuda Y., Mori O., Funase R. et al. Achievement of IKAROS—Japanese deep space solar sail demonstration mission // Acta Astronautica. 2013. Vol. 82. No. 2, pp. 183–188. DOI: 10.1016/j.actaastro.2012.03.032
16. Spencer D.A., Betts B., Bellardo J.M. et al. The LightSail 2 solar sailing technology demonstration // Advances in Space Research. 2020. Vol. 67. No. 9, pp. 2878-2889. DOI: 10.1016/j.asr.2020.06.029
17. Gong S., Li J. Solar sail heliocentric elliptic displaced orbits // Journal of Guidance, Control, and Dynamics. 2014. Vol. 37. No. 6, pp. 2021-2026. DOI: 10.2514/1.G000660
18. Bookless J., McInnes C. Control of Lagrange point orbits using solar sail propulsion, Acta Astronautica, 2008, vol. 62, no. 2-3, pp. 159-176.
19. Heiligers J., Hiddink S., Noomen R., McInnes C.R. Solar sail Lyapunov and Halo orbits in the Earth–Moon three-body problem // Acta Astronautica. 2015. Vol. 116, pp. 25-35. DOI: 10.1016/j.actaastro.2015.05.034
20. Richardson D.L. A note on a Lagrangian formulation for motion about the collinear points // Celestial Mechanics. 1980. Vol. 22. No. 3, pp. 231-236. DOI: 10.1007/BF01229509
21. Howell K.C. Families of orbits in the vicinity of the collinear libration points // AIAA/AAS Astrodynamics Specialist Conference and Exhibit (10-12 August 1998; Boston, MA, USA). DOI: 10.2514/6.1998-4465
22. Bock H.G., Plitt K.J. A multiple shooting algorithm for direct solution of optimal control problems // IFAC Proceedings Volumes. 1984. Vol. 17. No. 2, pp. 1603-1608. DOI: 10.1016/S1474-6670(17)61205-9
23. Gómez G., Masdemont J.J., Mondelo J.M. Libration point orbits: a survey from the dynamical point of view // Libration point orbits and applications. 2003, pp. 311-372. DOI: 10.1142/9789812704849_0016