¿La órbita lunar más baja posible y alguna nave espacial la ha logrado?

La órbita más baja alcanzada probablemente sería PFS-2 , un pequeño satélite desplegado desde el módulo de servicio del Apolo 16. Estaba destinado a entrar en una órbita de 55x76 millas (88,5x122 km), pero debido a las variaciones en el campo de gravedad de la Luna , hizo pases de seis millas (9,6 km) o menos antes de estrellarse contra la superficie de la Luna.

Hay muy pocas órbitas bajas estables alrededor de la Luna debido al campo de gravedad extremadamente irregular. La mayoría de los orbitadores lunares permanecen lo suficientemente lejos como para no verse afectados. La trayectoria deliberada más cercana es probablemente Chang'e 2 con un periápside de 15 km (9,3 millas); otros vuelos bajos son el Lunar Reconnaissance Orbiter a 12 millas (20 km) y LADEE (20 km x 60 km, 12 mi x 37 mi).

"La órbita lunar más baja posible..."

Como se señaló en los comentarios y en las respuestas a las preguntas vinculadas

• ¿Son las órbitas lunares polares bajas en general relativamente estables?
• Presupuesto delta-V de mantenimiento de la estación de la órbita lunar
• ¿Cuál es el piso para órbitas lunares retrógradas estables?
• Además de Luna, ¿qué cuerpos celestes exhiben una gravedad grumosa?

las órbitas muy cercanas alrededor de cualquier cuerpo con un campo de gravedad imperfecto y grumoso evolucionarán con el tiempo y eventualmente pueden cruzarse con la superficie del cuerpo.

La "gravedad grumosa" se convirtió por primera vez en algo cuando se acuñó el término mascon o concentración de masa para explicar los perturbadores que conducen a una órbita lunar baja que evoluciona para intersectar la superficie (es decir, algo se estrelló contra la Luna antes de lo esperado).

• Presupuesto delta-V de mantenimiento de la estación de la órbita lunar

De Apolo_16; Subsatélite lunar PFS-2 :

El subsatélite de partículas y campos del Apolo 16 (PFS-2) fue un pequeño satélite lanzado a la órbita lunar desde el módulo de servicio. Su principal objetivo era medir las partículas cargadas y los campos magnéticos alrededor de la Luna mientras la Luna orbitaba la Tierra, de forma similar a su nave hermana, la PFS-1, lanzada ocho meses antes por el Apolo 15. "Las órbitas bajas de ambos subsatélites debían ser similares elipses, que van desde 55 a 76 millas (89 a 122 kilómetros) sobre la superficie lunar.

"La órbita de PFS-2 cambió rápidamente de forma y distancia de la Luna. En 2-1/2 semanas, el satélite descendió en picado a una espeluznante distancia de 6 millas (9,7 km) de la superficie lunar en su aproximación más cercana. A medida que la órbita siguió cambiando, PFS-2 retrocedió de nuevo, hasta que pareció estar a una distancia segura de 30 millas. Pero no por mucho tiempo: inexorablemente, la órbita del subsatélite lo llevó de regreso a la Luna. Y el 29 de mayo de 1972, solo 35 días y 425 orbita después de su liberación"—PFS-2 se estrelló contra la superficie lunar.

fuente "Esta figura muestra la topografía (arriba) y la correspondiente señal de gravedad (abajo) de Mare Smythii en la Luna. Ilustra muy bien el término 'mascon'".

Así que topográficamente esto parece un cráter, es decir, falta masa, pero gravitacionalmente parece un exceso de masa o concentración de masa . Cada vez que una nave espacial pasa cerca de un mascon, su órbita se verá perturbada de alguna manera complicada.

Para órbitas muy bajas, es casi seguro que será necesario tener algo de propulsión disponible para realizar maniobras regulares de mantenimiento de la estación (pequeños impulsos de propulsión o fuerzas continuas) para contrarrestar los efectos de los muchos mascons.

Como se señaló en varias respuestas, cuanto más bajo sea, mayores serán los efectos. Puede pensar en un mascon como un pequeño objeto gravitacional separado además del campo gravitatorio promedio de la Luna, y el$a \sim Gm/r^2$entonces la ley se aplicaría también a la aceleración que produce donde$r$es ahora la distancia entre la nave espacial y la mascon del subsuelo.

Entonces, cuanto más bajo quieras ir, probablemente más fuerte sea el sistema de propulsión que necesitarás para mantenerte en posición.

Puede haber alguna altitud en la que la propulsión pasiva, como una vela solar o eléctrica/magnética que refleja la luz del sol o partículas cargadas de viento solar, podría funcionar para una nave de masa muy baja, pero por debajo de ella necesitaría un suministro de propulsor y algún tipo de propulsor para acelerarlo

Y eso significa que eventualmente te quedarás sin propulsor y luego te estrellarás.

• ¿Cuánto delta v se requiere para mantener estable una estación orbital lunar baja?

El segundo efecto es, por supuesto, que la superficie de la Luna no es una esfera perfecta. La Topografía de la Luna de Wikipedia nos dice que además de los pocos kilómetros de rugosidad de la superficie:

que las elevaciones son en promedio alrededor de 1,9 km más altas en el lado lejano que en el lado cercano.

y eso se relaciona con las preguntas

• ¿Qué lado de la Luna mira hacia la Tierra, el lado pesado o el lado más liviano?
• ¿Podría una nave espacial hacer dos órbitas estables alrededor de Mercurio a una altitud de tres millas?

1879, fuente

Sin embargo, dado que la gravedad grumosa de la Luna está extremadamente bien mapeada y entendida, y tenemos computadoras, puede haber ciertas órbitas congeladas específicas , incluso a altitudes muy bajas, que minimizan la cantidad de mantenimiento de la estación necesaria, o en cierta altitud incluso permiten una órbita bastante larga. sin ningún.

• Mecánica Orbital con Numerit; Diseño de órbita congelada
• Órbitas congeladas sobre la luna
• Órbitas lunares extrañas

Esta respuesta debe leerse por completo y consultar todas sus fuentes. Brevemente parafraseado:

LRO se insertó en una órbita polar congelada para su puesta en servicio, lo que no requirió mantenimiento de la estación. (Órbita polar de 31,5 km x 199 km con periapsis sobre el Polo Sur, "congelada" = línea de ábsides y excentricidad permanecen fijas.

Luego pasó a una órbita polar circular de 50 km (+/- 20 km) para una misión científica que requería una maniobra de mantenimiento de la estación una vez al mes, con un presupuesto de unos 150 m/s para el año.

se movió nuevamente a una órbita polar congelada después de la misión, donde no se requirió mantenimiento de posición.

"... y alguna nave espacial lo ha logrado?"

Creo que otros respondedores pueden abordar esto con más detalle histórico ¹ que yo, por lo que me ceñiré a su experiencia, pero parece que la órbita congelada del LRO es probablemente el mejor ejemplo representativo de lo que se ha logrado hasta la fecha.

¡Eso no significa en absoluto que algo más cercano e inteligente no sea posible!

pero necesitarás

• un mapa detallado de la gravedad lunar
• un mapa topográfico lunar detallado
• una computadora, algo de tiempo y algo de interés

arriba: fuente del modelo de gravedad lunar 2011 , abajo: fuente de topografía lunar ampliada 20x , haga clic en las imágenes para verlas en tamaño completo.

¹ ¿Podría haber sido “minuciosa” una palabra si no hubiera estado ahí la minuciosidad?

Tal vez, dependiendo de su definición de "órbita".

La órbita más baja posible alrededor de la Luna es una órbita altamente elíptica donde el cuerpo en órbita apenas evita rozar la superficie en su punto más bajo. Esto significaría que los módulos de aterrizaje de Apolo, durante su descenso a la superficie lunar, habrían estado en esa órbita, ya que el proceso de aterrizaje involucraría la quema de cohetes para ajustar su órbita a una que les permitiera aterrizar en la superficie lunar.