Transferència de baixa energia

Un exemple d'una transferència de baixa energia cap a la Lluna

  GRAIL-A

  Lluna

  Terra

En astrodinàmica, una transferència de baixa energia, o trajectòria de baixa energia, és una ruta en l'espai que permet a una nau espacial canviar d'òrbita utilitzant molt poc combustible.[1][2] Aquestes rutes existeixen en diversos sistemes (per exemple, Terra - Lluna o entre les llunes de Júpiter). Aquestes transferències tenen per inconvenient un augment en la durada del vol, superior al de transferències d'alta energia, com les transferències d'òrbita de Hohmann.

Les transferències de baixa energia també s'anomenen trajectòries de límit d'estabilitat dèbil, o trajectòries de captura balística. Les rutes de baixa energia existents a l'espai componen la Xarxa de Transport Interplanetari. Seguint aquestes rutes, una nau espacial pot viatjar grans distàncies utilitzant poc combustible, o delta-v.

Missions

Entre les missions que han fet ús d'aquest tipus de transferències, es troben:

• Hiten, de la JAXA
• SMART-1, de la ESA
• Genesis, de la NASA[3]
• GRAIL, de la NASA[4][5]

Hi ha també missions proposades, com:

• European Student Moon Orbiter (ESMO)
• Mars Direct

Història

Les transferències de baixa energia a la Lluna foren demostrades per primera vegada el 1991 per la nau Japonesa Hiten, missió en què s'havia planejat un swing-by a la Lluna, però no orbitar-la. El sub-satèl·lit Hagoromo que contenia la nau fou llançat en el primer swing-by i podria haver estat inserit en òrbita amb èxit, però sofrí una fallada en les comunicacions.

Edward Belbruno i James Miller del Jet Propulsion Laboratory van dissenyar una trajectòria de captura balística que permetria a Hiten inserir-se a l'òrbita lunar, i ajudaren a salvar la missió. La trajectòria es basava en la teoria de límit d'estabilitat dèbil i requerí només una petita pertorbació durant el swing-by.[1] Aquesta nova ruta permetria inserir la nau temporalment en una òrbita lunar utilitzant zero delta-v, però requerí cinc mesos enlloc dels tres dies que es tarda usualment mitjançant una transferència de Hohmann.[6]

Estalvi de delta-v

En trajectòries des d'òrbites terrestres baixes (LEO) a òrbites lunars, una transferència de baixa energia permet un estalvi de quasi un 25% en la maniobra d'inserció després d'abandonar l'òrbita terrestre, comparat amb la maniobra de propulsió retrògada que s'aplica prop de la Lluna en injeccions translunars tradicionals. Això permet un augment de càrrega útil en la nau.[7]

Robert Farquhar havia descrit una ruta de 9 dies de durada des d'òrbites LEO fins a una captura lunar que necessita una delta-v de 3,5 km/s[8] La ruta dissenyada per Belbruno requereix 3.1 km/s per a la injecció lunar, un estalvi de delta-v de no més de 0,4 km/s. Tot i així, la ruta de Belbruno no requereix un delta-v gran després d'abandonar l'òrbita terrestre, fet que té beneficis operacionals.

En rendezvous amb llunes de Mart, hi ha un estalvi del 12% per a Fobos i un 20% per a Deimos.[9]

Referències

1. Belbruno, Edward. Princeton University Press. Capture Dynamics and Chaotic Motions in Celestial Mechanics: With Applications to the Construction of Low Energy Transfers (en anglès), 2004, p. 224. ISBN 978-0-691-09480-9. 
2. Belbruno, Edward. Fly Me to the Moon: An Insider's Guide to the New Science of Space Travel. Princeton University Press, 2007, p. 176. ISBN 978-0-691-12822-1. 
3. Interplanetary Superhighway Makes Space Travel Simpler Arxivat 2020-05-28 a Wayback Machine. // NASA 07.17.02: "Lo conceived the theory of the Interplanetary Superhighway. Lo and his colleagues have turned the underlying mathematics of the Interplanetary Superhighway into a tool for mission design called "LTool," ... The new LTool was used by JPL engineers to redesign the flight path for the Genesis mission"
4. «GRAIL Design at MIT Website» (en anglès). [Consulta: 22 gener 2012].
5. «Spaceflight101 GRAIL Mission Design» (en anglès). Arxivat de l'original el 2012-07-19. [Consulta: 22 gener 2012].
6. Frank, Adam. «Gravity's Rim» (en anglès), 01-09-1994.
7. Edward A. Belbruno; John P. Carrico. «Calculation of Weak Stability Boundary Ballistic Lunar Transfer Trajectories» (en anglès), 2000.
8. ^[enllaç sense format] http://www.lpi.usra.edu/lunar/documents/NASA%20TN%20D-6365.pdf
9. A. L. Genova; S. V. Weston; L. J. Simurda. «Human & robotic mission applications of low-energy transffers to Phobos & Deimos» (en anglès), 2011. Arxivat de l'original el 25 d’abril 2012. [Consulta: 19 setembre 2016].