Wie erreichen Raumfahrzeuge Lagrange-Punkte?

Wie erreichen Raumfahrzeuge Lagrange-Punkte?

Das Wichtigste zuerst: Raumschiffe fliegen nicht zu den verschiedenen Lagrange-Sehenswürdigkeiten. Sie gehen stattdessen in Pseudo-Umlaufbahnen um diese Lagrange-Punkte.

Wie erreichen Raumfahrzeuge Lagrange-Punkte?

Entweder effizient, aber langsam tanken, oder mit roher Gewalt.

Betrachten Sie die Earth-Moon Near Rectilinear Halo Orbits (NRHOs), die in letzter Zeit für die NASA von großem Interesse sind. Es gibt Wege, die ein Raumschiff mit eher geringem Treibmittelaufwand zu einem NRHO bringen können. Leider kann es lange dauern (mehrere Wochen bis Monate), solchen Trajektorien zu folgen. Diese langen Pfade könnten verwendet werden, um automatisierte Fahrzeuge an NRHO zu liefern.

Aber diese lange Transferzeit ist nicht gut, wenn die Besatzung an Bord des Fahrzeugs ist. Da ist rohe Gewalt gefragt.

Soweit ich weiß, müsste das Raumschiff langsamer werden, um einen Lagrange-Punkt zu erreichen.

Wenn es von der Erde gestartet wird, muss es kein Treibmittel verwenden, um langsamer zu werden. Die NASA erklärt dies in ihrem Artikel über das James-Webb-Weltraumteleskop , das den Punkt Erde-Mond L2 umkreisen wird.

Es wird ungefähr 30 Tage dauern, bis Webb den Beginn seiner Umlaufbahn bei L2 erreicht, aber es wird weniger als einen Tag dauern, um weit von der Erde und einen Großteil des Weges dorthin zu gelangen. Webb in seine Umlaufbahn um L2 zu bringen, ist, als würde man die Spitze eines Hügels erreichen, indem man ein Fahrrad nur ganz am Anfang des Aufstiegs kräftig in die Pedale tritt und genug Energie und Geschwindigkeit erzeugt, um den größten Teil des Weges den Hügel hinaufzurollen, um auf a zu verlangsamen anhalten und kaum oben ankommen.

Nachdem sie von der ersten Stufe einer Ariane V in eine erdnahe Umlaufbahn gebracht wurde, wird die zweite Stufe „kräftig in die Pedale treten“, um den JWST „bergauf“ in Richtung L2 zu schicken. Nur 30 Minuten nach dem Start wird sich JWST von der zweiten Stufe trennen und, abgesehen von kleinen Kurskorrekturen in der Mitte, für die nächsten 30 Tage im Leerlauf bleiben, bis es in eine Umlaufbahn um L2 in einer Entfernung von 1.400.000 km gleitet. Es gibt eine schöne Animation des Fluges . Nach 1 Tag ist er 200.000 km von der Erde entfernt. Tag 3: 400.000 km am Mond vorbei. Tag 5, 600.000 km. Am Tag 6 wird es die Halbzeitmarke passieren, 24 Tage bleiben noch.

L2 ist metastabil und JWST muss etwas Treibstoff verwenden, um seine Umlaufbahn aufrechtzuerhalten. Sobald sein Treibstoff in (hoffentlich) 10 Jahren erschöpft ist, wird er von L2 weg in seine eigene Umlaufbahn um die Sonne driften.

Können Raumfahrzeuge, die nahe gelegene Lagrange-Punkte passieren, innerhalb des Punktes erfasst werden?

Ja, insbesondere die stabilen L4- und L5-Punkte. So bekommen wir Trojaner-Asteroiden . Obwohl es ein Widerspruch ist, "innerhalb eines Punktes" zu sein. Stattdessen umkreisen sie den Punkt in einer Art Kidneybohnenform.

Wenn sich ein Körper von der genauen Lagrange-Position wegbewegt, krümmt die Coriolis-Beschleunigung die Flugbahn in einen Pfad um den Punkt herum (und nicht von ihm weg).

Ergänzende Antwort auf die Antwort von @Schwern

Das GIF unten zeigt SOHO, wie es in seine Halo-Umlaufbahn um Sonne-Erde L1 fliegt. JWST wird etwas tun, das ähnlich aussieht, aber in Richtung Sonne-Erde L2.

Warum passt die Flugbahn gut in die Halobahn?

Das ist wirklich interessant. Wenn Sie das Raumschiff zuerst in seine Halo-Umlaufbahn bringen, aber nur ein kleines bisschen zu nahe an der Erde, sagen wir ein paar Kilometer im Vergleich zu einer Umlaufbahn mit einem Durchmesser von 200.000 oder 400.000 km, dann würde es anfangen, in Richtung der Erde zu driften, während es exponentiell umkreist zunehmende Entfernung von seiner idealen Halo-Umlaufbahn. Diese Abweichung würde sich alle paar Wochen verdoppeln (die gesamte Umlaufbahn dauert etwa 6 Monate), so dass sie nach einer Umlaufbahn 10.000 km näher an der Erde wäre, und auf der zweiten Umlaufbahn würde sie sich auf einer Bahn, die genau so aussieht, vollständig vom Halo entfernen Das!

Das Coole ist, dass man sie bei Zweikörper- und bei kreisbeschränkten Dreikörperaufgaben zeitlich gleich gut rückwärts und vorwärts laufen lassen kann.

Wenn Sie also ein Raumschiff auf eine Flugbahn in der Nähe der Erde bringen, die dieser Fluchtbahn entspricht, wird es natürlich diesem Weg folgen und zum Halo wandern und schön an Ort und Stelle fallen. Nach ein oder zwei Umlaufbahnen schmiegt er sich an seinen Halo und braucht nur kleine Stationshaltungsmanöver, um dort zu bleiben.

Darüber sprechen die NASA-Leute in den Blockzitaten in der anderen Antwort.

Die folgenden Elemente stammen aus dieser Antwort .

Dies sind geplottete Daten von Horizons von Sehen so Stationshaltemanöver aus oder sind es nur Datenfehler? (SOHO über Horizons) mit einem Skript wie diesem: https://pastebin.com/7XULFDea geschrieben, als ich gerade anfing, Python zu lernen. Standbilder, die mit ImageJ zu einem GIF kombiniert werden. Daten von https://ssd.jpl.nasa.gov/horizons kleine schwarze Punkte sind 1-Tages-Intervalle, roter Punkt ist Sonne-Erde L1 und blauer Fleck repräsentiert die verschiedenen Orte, an denen sich die Erde relativ zu L1 befindet.