¿Comprendemos suficientemente la mecánica del mantenimiento de la posición del punto de Lagrange para el encuentro y el montaje de EML2?

He estado viendo algunos videos grabados de la conferencia Humans2Mars del 22 al 24 de abril de 2014 (los videos y las transmisiones en vivo, cuando están disponibles, se encuentran en el canal del Instituto Nacional Aeroespacial en Livestream ), en particular el de Mike Raftery (Boeing; Director , ISS Utilization and Exploration) sobre un concepto de misión tripulada a Marte que fue preparado por Boeing y Energia, comenzando aproximadamente 15 minutos después de este video . Esta diapositiva me llamó la atención:

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Como puede ver, dos etapas de la misión requieren un ensamblaje orbital en el punto de Lagrange Tierra-Luna L 2 (EML2), pero se supone que todos los componentes deben girar en espiral a EML2 de antemano.

Ahora, lo sabemos ( con algo de prueba y error , intento fallido de encuentro de Gemini 4 con la etapa superior del vehículo de lanzamiento Titan II gastado , y luego el primer encuentro exitoso de Gemini 6 con Gemini 7 , y luego el primer acoplamiento de Gemini 8 con el vehículo de destino Agena no tripulado) que la dinámica del encuentro en órbita y el acoplamiento no son precisamente intuitivas. No puede simplemente aplicar empuje en el vector de velocidad para alcanzar su vehículo objetivo, porque eso agregará energía a su órbita y terminará aumentando su altitud y con ella la distancia al objetivo. Y también sabemos que el mantenimiento de la posición en los puntos de Lagrange no se parece en nada a orbitar alrededor de un cuerpo masivo y el halo o las órbitas de Lissajous son el enfoque habitual para mantener la posición de uno en relación con los puntos L. Así que aquí está mi pregunta:

Dado que el mantenimiento de la posición del punto de Lagrange requiere un enfoque completamente diferente para mantener la actitud que cuando se está en órbita alrededor de los cuerpos principales, ¿comprendemos suficientemente la mecánica de vuelo del encuentro y el ensamblaje / acoplamiento de EML2? ¿Ya hemos hecho algo parecido, ejecutado extensas simulaciones de física o se requerirán misiones de prueba de concepto antes de arriesgar miles de millones de dólares en hardware en una misión tripulada a Marte y hacerlo primero tan pronto como sea necesario, si es que realmente requería EML2? ¿asamblea?

Respuestas (1)

Estoy interesado en cualquier consideración sobre el acoplamiento EML2 que sea diferente al acoplamiento orbital.

Algunos aspectos del acoplamiento de EML2 serán mucho más fáciles. Algunos serán un poco más difíciles. Algunas, tendremos que repensarlas por completo.

En el lado positivo, la región EML2 está mucho más cerca del espacio plano que la órbita terrestre baja. El acoplamiento será mucho más intuitivo. Esa molesta mecánica orbital que hace que el acoplamiento en LEO no sea intuitivo no es un problema. En el lado negativo, esta planitud gravitacional significa que la NASA no podrá aprovechar la mecánica orbital. Habrá que inventar nuevas técnicas de encuentro de campo lejano.

Sospecho que el encuentro y acoplamiento de EML2 será más fácil que el encuentro y acoplamiento de LEO si todo sale según lo planeado . Pero, ¿y si las cosas van mal? La NASA y otros aprovechan la mecánica orbital para el encuentro y acoplamiento LEO cuando las cosas van mal.

Por ejemplo, suponga que el HTV, Dragon o Cygnus se aproxima a la ISS en la barra r, y suponga que a los astronautas o al control de la misión no les gusta lo que están viendo. La solución más simple es decirle al vehículo que juegue 'zarigüeya'. Este es un aborto pasivo. La mecánica orbital lleva naturalmente el vehículo hacia abajo y frente a la ISS. La ISS tiene un período de 24 horas (obligado por el IDD de vehículos visitantes de la ISS ) antes de que la ISS tenga que preocuparse de que el vehículo con mal comportamiento colisione con la ISS. El aborto pasivo no funcionará para el encuentro y el acoplamiento de EML2. La cancelación activa siempre será necesaria y eso afectará el diseño de redundancia del vehículo activo.


Actualización
Suponga que está en la misma órbita que un vehículo objetivo en la órbita terrestre baja, pero lo sigue un poco. Disparas los propulsores para moverte hacia el objetivo. Por un corto tiempo, la órbita terrestre baja actúa como un espacio plano; te mueves hacia el objetivo. Entonces, ups, la mecánica orbital comienza a asomar su fea cabeza y comienzas a elevarte por encima de ella y a quedarte atrás.

El gradiente de gravedad es mucho menor en las proximidades de EML2 que en la órbita terrestre baja. Este gradiente de gravedad disminuido es una de las formas en que el EML2 se ve "plano". Otra forma en que se ve plano es desde la perspectiva de la aceleración gravitacional. Es pequeño. Finalmente, desde la perspectiva de un marco giratorio Tierra-Luna, el punto EML2 es plano. La región que lo rodea es casi plana.

Lo que esto significa es que una nave espacial tiene mucho tiempo entre realizar una quema impulsiva y ver que la gravedad perturba la respuesta del espacio plano a esa quema impulsiva. El encuentro de campo cercano es "más simple", más intuitivo.

La desventaja es que la cita es "más simple". De hecho, los astronautas de la NASA estaban confundidos por esos comportamientos no intuitivos durante las primeras misiones Gemini, pero eso fue hace cincuenta años. La gente ha aprendido a lidiar con esos comportamientos desde entonces. De hecho, han aprendido a aprovecharlos. Hay muchas maneras de aprovechar un campo de gravedad. Órbitas en fase en lugar de enfoques basados ​​en Lambert. Abortos pasivos en lugar de activos. Aproximación con barra en V de doble frecuencia orbital (TORVA). Tendremos que hacer que el encuentro de campo lejano sea mucho más lento y probablemente tendremos que quemar más combustible para hacer el encuentro en la región EML2.

soy escéptico Si está en una órbita de halo, me parece que acelerar aumentaría el ancho de la órbita de halo y alargaría el período. Si ese es el caso, aún tendría los resultados no intuitivos en los que tiene que acelerar para reducir la velocidad. ¿Y qué tiene que ver un espacio más plano con esto? El espacio es mucho más plano en el barrio de Ceres. Pero incluso en la órbita de Ceres aceleras para reducir la velocidad. Este murmullo... murmullo... ¡Espacio plano! no nos dice absolutamente nada sobre los caminos de halo o lissajous con los que lidiaría en el vecindario de L2. Voto negativo.
@HopDavid - ¿En serio? Haz las matematicas. Los períodos orbitales de esas órbitas de halo y lissajous son de seis meses o más. Incluso un acoplamiento que lleva varios cientos de minutos no es más que una pequeña fracción de ese período orbital. Los efectos orbitales son despreciables.
¿6 meses? ¿En serio? Las órbitas de halo de EML2 descritas por Farquhar duran más como dos semanas. lpi.usra.edu/lunar/documents/NASA%20TN%20D-6365.pdf
Lo siento, estaba pensando en los puntos de Lagrange Tierra-Sol. Mi punto sigue siendo: unos pocos cientos de minutos es una pequeña fracción de dos semanas. Haz las matematicas. El gradiente de gravedad es muy pequeño, mucho más pequeño que la órbita terrestre baja y la órbita lunar baja, que son los únicos lugares donde se han realizado encuentros.
@David Hammen Re: Aborto pasivo de la ISS, usted dijo: "La ISS tiene 24 horas... antes de tener que preocuparse... por la colisión". ¿Quiso decir "un período orbital" en lugar de "24 horas"?
@Woody las 24 horas. Es obligatorio en el Documento de definición de interfaz de vehículos visitantes de la ISS.
¿Comprendemos suficientemente la mecánica del mantenimiento de la posición del punto de Lagrange para el encuentro y el montaje de EML2?
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