Órbita TESS y resonancia lunar

Se puede leer una excelente revisión de todas las consideraciones y el trabajo que se ha realizado para diseñar la órbita de TESS en la preimpresión de ArXiv A High Earth, Lunar Resonant Orbit for Lower Cost Space Science Missions y me basaré principalmente en esto, y el excelente Vídeo de YouTube Satélite de sondeo de exoplanetas en tránsito (TESS) .

El desarrollo de la notable órbita de TESS y los científicos que trabajaron en este proyecto también se analizan en el artículo de la NASA de 2013 New Explorer Mission Chooses the 'Just-Right' Orbit :

Al investigador principal, George Ricker, le gusta llamarla la "órbita Ricitos de oro": no está demasiado cerca de la Tierra y su Luna, ni demasiado lejos. De hecho, es justo.

arriba: los ingenieros de Goddard Chad Mendelsohn, Trevor Williams y Don Dichmann ayudaron a formular la órbita nunca antes utilizada de la próxima misión Explorer de la NASA. Recortado. Créditos: NASA Goddard/Pat Izzo. Desde aquí _

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Del artículo de ArXiv:

Las perturbaciones orbitales del achatamiento de la Tierra, el Sol y la Luna podrían, en principio, hacer que la órbita de la misión sea inestable, lo que llevaría a una violación de las restricciones de la misión. El perigeo de la órbita de la misión puede caer por debajo del cinturón GEO después de unos años, o la inclinación puede caer lo suficientemente bajo como para crear eclipses que terminen la misión. La estabilidad a largo plazo de la órbita de la misión depende de sus elementos orbitales iniciales, que a su vez son impulsados ​​por la órbita de transferencia.

La órbita de la misión TESS P/2-HEO debe cumplir dos requisitos para garantizar una misión factible: 1) todos los eclipses deben durar menos de 6 horas y 2) el perigeo debe permanecer entre 7 y 22 RE durante los 4 años de la misión.

Los requisitos del diseño de la órbita de TESS incluyen:

1. Órbita estable durante años o, preferiblemente, décadas, por lo que la nave espacial no requiere grandes cantidades de costos, peso y complejidad de propulsión en órbita. Mira cuánto ha durado el Hubble; le gustaría una órbita que tenga el potencial de ser útil durante décadas.
2. Evitar eclipses de sol de periodos prolongados que podrían conducir a la pérdida de energía con una vida útil limitada de la batería.
3. El periápside terrestre lo suficientemente cerrado para permitir interrupciones razonablemente cortas e infrecuentes de la observación para grandes volúmenes de transferencia de datos utilizando una antena de tamaño y potencia modestos; menos de 6 horas con periapsis entre 7 y 22 radios terrestres a lo largo de los 4 años de misión.
4. Evite los escenarios de "No se puede llegar allí desde aquí" (de Bert y yo , también aquí y aquí ). En otras palabras, debe haber una forma práctica de alcanzar esta órbita utilizando un vehículo de lanzamiento razonable y asequible y una maniobra de giro lunar.

La órbita final de TESS ha cumplido todas estas condiciones siguiendo el procedimiento descrito en la preimpresión de ArXiv.

Si se hubiera elegido 0 grados en lugar de 90 grados, la órbita se habría perturbado rápidamente más allá de la utilidad, ya que la distancia de máxima aproximación entre TESS y la Luna sería pequeña, produciendo un "tirón" fuerte, asimétrico y resonante.

La pequeña distancia del acercamiento más cercano de TESS a la trayectoria orbital de la Luna y, por lo tanto, la necesidad de la fase de 90 grados se entiende fácilmente. Para una transmisión de datos eficiente y rápida a la Tierra, el periápside debe ser muy pequeño, digamos 10 radios terrestres o aproximadamente 0,2 veces el semieje mayor de la Luna. Una órbita con 0,5 del período de la Luna tendría un semieje mayor de 0,5^(2/3) o aproximadamente 0,63 veces el semieje mayor de la Luna. Apoapsis es el doble del semieje mayor menos el periapsis, o 2 veces 0,63 menos 0,2 o 1,06 veces la distancia media de la Luna a la Tierra.

Incluso con esta órbita cuidadosamente diseñada, puede ver que la casi cancelación de la perturbación gravitatoria de la Luna en promedio todavía da como resultado una danza a largo plazo de la órbita que se muestra aquí en un marco sinódico que gira con el período de la Luna.

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abajo: Recortado del video Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) en 06:46. Un giro lunar, seguido de una "maniobra de ajuste del período en PLEP" en el periapsis finaliza la órbita de TESS con la forma e inclinación adecuadas, además de ponerla en fase para que la posición de la Luna esté a 90 grados a cada lado en el apoapsis.

abajo: Recortado del video Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) en 06:57. La posición de la Luna estará a 90 grados a cada lado en el apoapsis, aquí se muestra en un lado, la Luna estaría cerca de la parte superior de la imagen después de un período completo de 13,7 días de la órbita de TESS. Si la órbita resonante tuviera una fase de 0 grados, la corta distancia del acercamiento más cercano desestabilizaría rápidamente la órbita de TESS.

Sí, P/2 significa la mitad del período lunar y P/3 significa un tercio. Hay una discusión sobre la nueva órbita del IBEX P/3, incluida una imagen genial, aquí .

Los 90 grados es un requisito porque se mantiene alejado de la Luna.

Considere la órbita de la luna como un círculo etiquetado como un reloj. La luna va de 12 a 3 a 6 a 9 a 12 en un período. En medio periodo, aproximadamente 14 días, pasa de 12 a 6.

Comience con la Luna en 12 y TESS a 90 grados de distancia en 3. Un cuarto de período (la mitad de la órbita de TESS), TESS está en el centro y la Luna está en 3. Otro, TESS está en 3 y la Luna se ha movido a 6. Nunca se acercan el uno al otro.

Si estuvieran 180 grados en una órbita, media órbita lunar más tarde (una órbita TESS completa más tarde), estarían en el mismo lugar. No es bueno.