TESS-Umlaufbahn und Mondresonanz

Eine hervorragende Übersicht über alle Überlegungen und Arbeiten, die in die Gestaltung der TESS-Umlaufbahn eingeflossen sind, kann im ArXiv-Preprint A High Earth, Lunar Resonant Orbit for Low Cost Space Science Missions nachgelesen werden, und ich werde hauptsächlich daraus und aus der Exzellenz schöpfen YouTube-Video Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) .

Die Entwicklung der bemerkenswerten Umlaufbahn von TESS und Wissenschaftler, die an diesem Projekt gearbeitet haben, werden auch im NASA-Artikel New Explorer Mission Chooses the 'Just-Right' Orbit 2013 diskutiert :

Principal Investigator George Ricker nennt es gerne die „Goldilocks-Umlaufbahn“ – es ist nicht zu nah an der Erde und ihrem Mond, und es ist nicht zu weit. Eigentlich ist es genau richtig.

oben: Die Goddard-Ingenieure Chad Mendelsohn, Trevor Williams und Don Dichmann halfen bei der Formulierung der nie zuvor genutzten Umlaufbahn der nächsten Explorer-Mission der NASA. Abgeschnitten. Bildnachweis: NASA Goddard/Pat Izzo. Von hier .

Aus dem ArXiv-Papier:

Orbitalstörungen durch die Abplattung der Erde, der Sonne und des Mondes könnten im Prinzip die Umlaufbahn der Mission instabil machen und zu einer Verletzung der Missionsbeschränkungen führen. Das Perigäum der Missionsumlaufbahn kann nach einigen Jahren unter den GEO-Gürtel fallen, oder die Neigung kann so weit abfallen, dass es zu Missionsbeendigungsfinsternissen kommt. Die langfristige Stabilität der Missionsbahn hängt von ihren anfänglichen Bahnelementen ab, die wiederum von der Transferbahn angetrieben werden.

Die Umlaufbahn der TESS P/2-HEO-Mission muss zwei Anforderungen erfüllen, um eine durchführbare Mission zu gewährleisten: 1) alle Finsternisse müssen weniger als 6 Stunden andauern, und 2) das Perigäum muss während der 4-jährigen Mission zwischen 7 und 22 RE bleiben.

Zu den Anforderungen des Umlaufbahndesigns von TESS gehören:

1. Stabile Umlaufbahn über Jahre oder vorzugsweise Jahrzehnte, sodass das Raumfahrzeug keine großen Antriebskosten, Gewicht und Komplexität auf der Umlaufbahn erfordert. Schauen Sie, wie lange Hubble gedauert hat; Sie möchten eine Umlaufbahn, die das Potenzial hat, jahrzehntelang nützlich zu sein.
2. Vermeiden von Sonnenfinsternissen über einen längeren Zeitraum, die zu Stromverlusten mit begrenzter Batterielebensdauer führen könnten.
3. Ausreichend nahe Erdperiapsis, um relativ kurze und seltene Unterbrechungen der Beobachtung für große Datenübertragungsmengen mit einer bescheidenen Antennengröße und -leistung zu ermöglichen; weniger als 6 Stunden mit Periapsis zwischen 7 und 22 Erdradien während der 4-jährigen Mission.
4. Vermeide "Von hier aus kommst du nicht weiter"-Szenarien (von Bert und mir , auch hier und hier ). Mit anderen Worten, es muss eine praktische Möglichkeit geben, diese Umlaufbahn mit einer vernünftigen, erschwinglichen Trägerrakete und einem Vorbeiflugmanöver am Mond zu erreichen.

Alle diese Bedingungen wurden von der endgültigen Umlaufbahn von TESS gemäß dem im ArXiv-Preprint beschriebenen Verfahren erfüllt.

Wäre 0 Grad statt 90 Grad gewählt worden, wäre die Umlaufbahn schnell unbrauchbar gestört worden, da der Abstand der engsten Annäherung zwischen TESS und dem Mond gering wäre und ein starkes, asymmetrisches und resonantes "Ziehen" erzeugt hätte.

Der geringe Abstand der engsten Annäherung von TESS an die Umlaufbahn des Mondes und damit die Notwendigkeit der 90-Grad-Phaseneinstellung ist leicht verständlich. Für eine effiziente und schnelle Datenübertragung zur Erde muss die Periapsis sehr klein sein, sagen wir 10 Erdradien oder etwa das 0,2-fache der großen Halbachse des Mondes. Eine Umlaufbahn mit 0,5 der Mondperiode hätte eine große Halbachse von 0,5 ^ (2/3) oder etwa das 0,63-fache der großen Halbachse des Mondes. Apoapsis ist das Doppelte der großen Halbachse minus Periapsis oder 2 mal 0,63 minus 0,2 oder 1,06 mal die durchschnittliche Entfernung des Mondes von der Erde.

Selbst bei dieser sorgfältig konstruierten Umlaufbahn können Sie sehen, dass die nahezu vollständige Aufhebung der Gravitationsstörung des Mondes im Durchschnitt immer noch zu einem ziemlich langfristigen Tanz der Umlaufbahn führt, der hier in einem synodischen Rahmen gezeigt wird, der sich mit der Mondperiode dreht.

unten: Ausschnitt aus dem Video Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) bei 06:46. Ein Mond-Swing-by, gefolgt von einem "Periodenanpassungsmanöver bei PLEP" bei der Periapsis, schließt die Umlaufbahn von TESS mit der richtigen Form und Neigung ab und stellt sie so ein, dass die Position des Mondes bei der Apoapsis 90 Grad zu beiden Seiten beträgt.

unten: Ausschnitt aus dem Video Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) bei 06:57. Die Position des Mondes wird bei Apoapsis bei 90 Grad zu beiden Seiten sein, hier auf einer Seite gezeigt, der Mond wäre nach einer vollen Periode von 13,7 Tagen der Umlaufbahn von TESS nahe dem oberen Rand des Bildes. Wenn die resonante Umlaufbahn auf 0 Grad eingestellt wäre, würde die kurze Entfernung der engsten Annäherung die Umlaufbahn von TESS schnell destabilisieren.

Ja, P/2 bedeutet die halbe Mondperiode und P/3 bedeutet ein Drittel. Hier gibt es eine Diskussion über den neuen IBEX P/3-Orbit, einschließlich eines coolen Bildes .

Die 90 Grad sind eine Voraussetzung, weil sie sich vom Mond fernhalten.

Betrachten Sie die Umlaufbahn des Mondes als einen Kreis, der als Uhr bezeichnet wird. Der Mond geht von 12 bis 3 bis 6 bis 9 bis 12 in einer Periode. In einer halben Periode, ungefähr 14 Tage, geht es von 12 auf 6.

Beginnen Sie mit dem Mond bei 12 und TESS 90 Grad entfernt bei 3. Eine Viertelperiode (die Hälfte der Umlaufbahn von TESS) befindet sich TESS in der Mitte und der Mond bei 3. Eine andere, TESS ist bei 3 draußen und der Mond hat sich weiterbewegt bis 6. Sie kommen einander nie nahe.

Wenn sie auf einer Umlaufbahn um 180 Grad versetzt wären, wären sie eine halbe Mondumlaufbahn später (eine volle TESS-Umlaufbahn später) an derselben Stelle. Nicht gut.