Diseño de una órbita de transferencia elíptica

Cómo calcular el tiempo de vuelo

Es fácil si conoces el parámetro gravitacional$\mu\equiv GM$, el semieje mayor$a$, la excentricidad$e$, la anomalía verdadera inicial$\theta_0$, y la verdadera anomalía final$\theta_1$(o de manera equivalente, el cambio en la anomalía verdadera$\Delta \theta \equiv \theta_1 - \theta_0$).

Paso 1: Calcule las anomalías excéntricas iniciales y finales a partir de la excentricidad y las anomalías verdaderas iniciales y finales mediante

$$\tan \frac E2 = \sqrt{\frac{1-e}{1+e}} \tan\frac\theta2$$ Paso 2: Calcule las anomalías medias iniciales y finales a partir de la excentricidad y las anomalías excéntricas iniciales y finales a través de la ecuación de Kepler. $$M = E - e\sin E$$ Paso 3: Calcule el cambio en la anomalía media a través de $$\Delta M = M_2 - M_1$$ Paso 4: Calcule el movimiento medio a partir del parámetro gravitacional y la longitud del semieje mayor a través de $$n = \sqrt{\frac \mu {a^3}}$$ Paso 5: Calcular el tiempo de vuelo a partir del movimiento medio y el cambio en la anomalía media mediante $$\Delta t = \frac {\Delta M} n$$

Cómo diseñar una órbita de transferencia

Esto es considerablemente más desafiante. Aquí el objetivo es encontrar la órbita de transferencia dada la posición inicial y final del objeto. Este es el problema de Lambert. Las ecuaciones subyacentes son trascendentales; no hay una buena solución de forma cerrada. En su lugar, debe hacer una conjetura y luego refinar iterativamente la conjetura. Hay varias formas de resolver iterativamente el problema de Lambert.

editar: hay más sobre las matemáticas para las órbitas hiperbólicas en la otra respuesta de @DavidHammon .

Agregaré a la respuesta clara de @DavidHammon al incluir los equivalentes parabólicos e hiperbólicos solo para tener todo en un solo lugar. Transcribí de esta práctica tabla y agregué formas alternativas para$E$y$F$de Wikipedia. Hice algunas comprobaciones puntuales con integración numérica solo para asegurarme de que los resultados coincidieran.

Elipse, Círculo$(0 \le \epsilon < 1)$:

$$\tan \frac E2 = \sqrt{\frac{1-e}{1+e}} \tan\frac\theta2$$ $$\text{or}$$ $$\cos E = \frac{e+\cos\theta}{1+e\cos\theta} \tan\frac\theta2,$$ $$M = E - e\sin E,$$ $$\Delta M = M_2 - M_1,$$ $$\Delta t = \sqrt{\frac{a^3}{\mu}} \Delta M,$$

hipérbola ($\epsilon > 1)$:

$$\tanh \frac F2 = \sqrt{\frac{e-1}{e+1}} \tan\frac\theta2$$ $$\text{or}$$ $$\cosh F = \frac{e+\cos\theta}{1+e\cos\theta} \tan\frac\theta2,$$ $$M = e\sinh F-F,$$ $$\Delta M = M_2 - M_1,$$ $$\Delta t = \sqrt{\frac{(-a)^3}{\mu}} \Delta M,$$

parábola ($\epsilon = 1)$:

$$D = \tan\frac\theta2,$$ $$M = D + \frac{D^3}{3},$$ $$\Delta M = M_2 - M_1,$$ $$\Delta t = \sqrt{\frac{q^3}{\mu}} \Delta M,$$

---

Para obtener el eje semi-mayor$a$o para conseguir$q$, use lo siguiente (no se preocupe de que$a$es negativo para la hipérbola):

Elipse, hipérbola:

$$a=\frac{r_{peri}}{1-e}$$

Elipse:

$$a=\frac{r_{peri}+r_{apo}}{2}$$

Circulo:

$$a=r$$

Parábola:

$$q=r_{peri}$$

Una consulta rápida con$\mu=1$y$r_{peri}=1$:

 e      theta      a     v_peri    E/D/F       M         t
1.5   90.000000  -2.0   1.581139  55.14281  40.94513  2.021271
1.0   90.000000   n/a   1.414214  57.29578  76.39437  1.885618
0.5   90.000000   2.0   1.224745  60.00000  35.19020  1.737177
0.0   90.000000   1.0   1.000000  90.00000  90.00000  1.570796

Si quieres probarlo en Python:

def deriv(X, t):
    x, v = X.reshape(2, -1)
    acc  = -mu * x * ((x**2).sum())**-1.5
    return np.hstack((v, acc))

def get_D(theta, e):
    if e == 1.0:
        D    = np.tan(0.5*theta)
    else:
        D    = np.nan
    return D

def get_E(theta, e):
    if e < 1.0:
        term = np.sqrt((1.-e)/(1.+e)) * np.tan(0.5*theta)
        E    = 2.*np.arctan(term)
    else:
        E    = np.nan
    return E

def get_E_alt(theta, e):
    if e < 1.0:
        term = (e + np.cos(theta)) / (1. + e*np.cos(theta))
        E    = np.arccos(term)
    else:
        E    = np.nan
    return E

def get_F(theta, e):
    if e > 1.0:
        term = np.sqrt((e-1.)/(e+1.)) * np.tan(0.5*theta)
        F    = 2.*np.arctanh(term)
    else:
        F    = np.nan
    return F

def get_F_alt(theta, e):
    if e > 1.0:
        term = (e + np.cos(theta)) / (1. + e*np.cos(theta))
        F    = np.arccosh(term)
    else:
        F    = np.nan
    return F

def get_M_from_E(E, e):
    if e < 1.0:
        M = E - e*np.sin(E)
    else: 
        M = np.nan
    return M

def get_M_from_F(F, e):
    if e > 1.0:
        M = e*np.sinh(F) - F
    else: 
        M = np.nan
    return M

def get_M_from_D(D, e):
    if e == 1.0:
        M = D + D**3/3.
    else: 
        M = np.nan
    return M

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from scipy.integrate import odeint as ODEint

# http://www.bogan.ca/orbits/kepler/orbteqtn.html

quarterpi, halfpi, pi, twopi = [f*np.pi for f in [0.25, 0.5, 1, 2]]
rads, degs = pi/180, 180/pi

mu = 1.0

th0, th1 = 0.0, halfpi
print "th0, th1 (degs): ", degs*th0, degs*th1

eccs = [1.5, 1.0, 0.5, 0.0]

for e in eccs:

    print "e: ", e

    rp =  1.0  # periapsis

    if e < 1.0:
        print "     is ellipse!"

        ra = rp * (1+e)/(1-e)
        print "rp, ra: ", rp, ra

        a0 = 0.5*(rp + ra)
        v0 = np.sqrt(mu * (2./rp - 1./a0))
        print "a0, v0: ", a0, v0

        E0,  E1  = [get_E(th, e) for th in [th0, th1]]
        M0,  M1  = [get_M_from_E(E, e)  for E  in [E0,  E1 ]]
        print "E0, E1 (degs): ", degs*E0, degs*E1
        print "M0, M1 (degs): ", degs*M0, degs*M1

        print "E0, E1: ", E0, E1
        print "M0, M1: ", M0, M1

        dt = np.sqrt(a0**3/mu) * (M1-M0)

        print "dt (sec): ", dt

    elif e > 1.0:
        print "     is hyperbola!"

        ra = rp * (1+e)/(1-e)
        print "rp, ra: ", rp, ra

        a0 = 0.5*(rp + ra)
        v0 = np.sqrt(mu * (2./rp - 1./a0))
        print "a0, v0: ", a0, v0

        F0,  F1  = [get_F(th, e) for th in [th0, th1]]
        M0,  M1  = [get_M_from_F(F, e)  for F  in [F0,  F1 ]]
        print "F0, F1 (degs): ", degs*F0, degs*F1
        print "M0, M1 (degs): ", degs*M0, degs*M1

        print "F0, F1: ", F0, F1
        print "M0, M1: ", M0, M1

        dt = np.sqrt((-a0)**3/mu) * (M1-M0)

        print "dt (sec): ", dt

    elif e == 1.0:
        print "     is parabola!"

        print "rp: ", rp

        v0 = np.sqrt(mu * (2./rp))
        print "v0: ", v0

        D0,  D1  = [get_D(th, e) for th in [th0, th1]]
        M0,  M1  = [get_M_from_D(D, e)  for D  in [D0,  D1 ]]
        print "D0, D1 (degs): ", degs*D0, degs*D1
        print "M0, M1 (degs): ", degs*M0, degs*M1

        print "D0, D1: ", D0, D1
        print "M0, M1: ", M0, M1

        q = rp

        dt = np.sqrt(2.*q**3/mu) * (M1-M0)

        print "dt (sec): ", dt

    time = np.array([0, dt])
    X0   = np.array([rp, 0, 0, v0])

    answer, info = ODEint(deriv, X0, time, atol=1E-13, rtol=1E-13, full_output=True)

    x, y, vx, vy = answer.T
    theta = np.arctan2(y, x)

    print degs*theta[0], degs*theta[-1], " should be ", degs*th0, degs*th1