36
В.В.Сидоренко (ИПМ им. М.В.Келдыша РАН) А.В.Артемьев , А.И.Нейштадт, Л.М.Зеленый (ИКИ РАН) Квазиспутниковые орбиты: свойства и возможные применения в астродинамике Таруса, 2014 Семинар «Механика, управление и информатика», посвященный 100-летию со дня рождения П.Е. Эльясберга

В.В.Сидоренко ( ИПМ им. М.В.Келдыша РАН) А.В.Артемьев , А.И.Нейштадт , Л.М.Зеленый (ИКИ РАН)

  • Upload
    dympna

  • View
    74

  • Download
    0

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Семинар «Механика, управление и информатика», посвященный 100-летию со дня рождения П.Е. Эльясберга. Квазиспутниковые орбиты: свойства и возможные применения в астродинамике. В.В.Сидоренко ( ИПМ им. М.В.Келдыша РАН) А.В.Артемьев , А.И.Нейштадт , Л.М.Зеленый (ИКИ РАН). Таруса, 2014. - PowerPoint PPT Presentation

Citation preview

Page 1: В.В.Сидоренко  ( ИПМ им. М.В.Келдыша РАН) А.В.Артемьев ,  А.И.Нейштадт , Л.М.Зеленый (ИКИ РАН)

В.В.Сидоренко (ИПМ им. М.В.Келдыша РАН)А.В.Артемьев , А.И.Нейштадт, Л.М.Зеленый (ИКИ РАН)

Квазиспутниковые орбиты: свойства и возможные применения в астродинамике

Таруса, 2014

Семинар «Механика, управление и информатика», посвященный 100-летию со дня

рождения П.Е. Эльясберга

Page 2: В.В.Сидоренко  ( ИПМ им. М.В.Келдыша РАН) А.В.Артемьев ,  А.И.Нейштадт , Л.М.Зеленый (ИКИ РАН)

Квазиспутниковые орбиты

1:1 mean motion resonance!

Resonance phase = -j l l’ librates around 0 (l and l’ are the mean longitudes of the asteroid and of the planet)

J. Jackson (1913) – the first(?) discussion of QS-orbits

Page 3: В.В.Сидоренко  ( ИПМ им. М.В.Келдыша РАН) А.В.Артемьев ,  А.И.Нейштадт , Л.М.Зеленый (ИКИ РАН)

Phobos – one of the Mars natural

satellites

“Phobos-grunt” spacecraft

Quasi-satellite orbitsA.Yu.Kogan (1988), M.L.Lidov, M.A.Vashkovyak (1994) – the consideration of the QS-orbits in connection with the russian space project “Phobos”

Page 4: В.В.Сидоренко  ( ИПМ им. М.В.Келдыша РАН) А.В.Артемьев ,  А.И.Нейштадт , Л.М.Зеленый (ИКИ РАН)

Namouni(1999) , Namouni et. al (1999), S.Mikkola, K.Innanen (2004),… - the investigations of the secular evolution in the case of the motion in QS-orbit

Quasi-satellite orbits

Real asteroids in QS-orbits:

2002VE68 – Venus QS;

2003YN107, 2004GU9, 2006FV35 – Earth QS;

2001QQ199, 2004AE9 – Jupiter’s QS……………………

Page 5: В.В.Сидоренко  ( ИПМ им. М.В.Келдыша РАН) А.В.Артемьев ,  А.И.Нейштадт , Л.М.Зеленый (ИКИ РАН)

Asteroid 164207 (2004GU9)

No close encounters with Venus or Mars!

Page 6: В.В.Сидоренко  ( ИПМ им. М.В.Келдыша РАН) А.В.Артемьев ,  А.И.Нейштадт , Л.М.Зеленый (ИКИ РАН)

Asteroid 164207 (2004GU9)

Variation of the resonant phase

Trajectory of the asteroid 2004GU9

Page 7: В.В.Сидоренко  ( ИПМ им. М.В.Келдыша РАН) А.В.Артемьев ,  А.И.Нейштадт , Л.М.Зеленый (ИКИ РАН)

Asteroid 164207 (2004GU9 )

The evolution of the orbital elements (CR3BP!)

Page 8: В.В.Сидоренко  ( ИПМ им. М.В.Келдыша РАН) А.В.Артемьев ,  А.И.Нейштадт , Л.М.Зеленый (ИКИ РАН)

Model: nonplanar circular restricted three-body problem “Sun-Planet-

Asteroid”

1Planet

Planet Sun

m

m m

- small parameter of the problem

Page 9: В.В.Сидоренко  ( ИПМ им. М.В.Келдыша РАН) А.В.Артемьев ,  А.И.Нейштадт , Л.М.Зеленый (ИКИ РАН)

Orbital elements

l - mean longitude

Page 10: В.В.Сидоренко  ( ИПМ им. М.В.Келдыша РАН) А.В.Артемьев ,  А.И.Нейштадт , Л.М.Зеленый (ИКИ РАН)

Time scales at the resonanceT1 - orbital motions periods

T2 - timescale of rotations/oscillations of the resonant

argument (some combination of asteroid and planet mean longitudes)

T3 - secular evolution of asteroid’s eccentricity e,

inclination i, argument of prihelion ω and ascending node longitude Ω .

T1 << T2 << T3

Strategy: double averaging of the motion equations

Nonplanar circular restricted three-body problem “Sun-Planet-

Asteroid”

Page 11: В.В.Сидоренко  ( ИПМ им. М.В.Келдыша РАН) А.В.Артемьев ,  А.И.Нейштадт , Л.М.Зеленый (ИКИ РАН)

Initial variables (Delaunay coordinates):

Nonplanar circular restricted three-body problem “Sun-Planet-

Asteroid”

2(1 ) , 1 , cos

, ,

L a G L e H G i

l g h

First transformation:

( , , , , , ) ( , , , , , )g hL G H l g h P P P g h

where

, 1, 1

( ), ,

g hP L P G L P H L

l g h g g h h

Page 12: В.В.Сидоренко  ( ИПМ им. М.В.Келдыша РАН) А.В.Артемьев ,  А.И.Нейштадт , Л.М.Зеленый (ИКИ РАН)

Hamiltonian of the problem:

Nonplanar circular restricted three-body problem “Sun-Planet-

Asteroid”

where the disturbing function is

2

2

(1 )

2 hH P P RP

1( , , , , , ) ( , )g hR P P P g h

r r

r r

Page 13: В.В.Сидоренко  ( ИПМ им. М.В.Келдыша РАН) А.В.Артемьев ,  А.И.Нейштадт , Л.М.Зеленый (ИКИ РАН)

Partition of the variables at 1:1 MMR:

“slow” variables

Nonplanar circular restricted three-body problem “Sun-Planet-

Asteroid”

“semi-fast” variable

, , , , , , ~g hg h

dP dP dP dgP P P g

dt dt dt dt

1/2~d

dt

“fast” variable ~ 1dh

hdt

First averaging – averaging over the fast variable :

h2

0

1

2avrH Hdh

Page 14: В.В.Сидоренко  ( ИПМ им. М.В.Келдыша РАН) А.В.Артемьев ,  А.И.Нейштадт , Л.М.Зеленый (ИКИ РАН)

Resonant approximationScale transformation

0

0

( ) / ,

, 1

L L t

L

Slow-fast system

,

3 ,

dx W dy W

d y d x

d d W

d d

2

0

2

1( , , , ) (1, ( , ), , , ( , ), )

2

1 cos

h g h

h

W x y P R P x y P g x y h dh

P e i

SF-Hamiltonian and symplectic structure

2

1

3( , , , )

2 hH W x y P

d d dy dx

Slow variables

Fast variables

- approximate integral of the problem

- truncated averaged

disturbing function

Page 15: В.В.Сидоренко  ( ИПМ им. М.В.Келдыша РАН) А.В.Артемьев ,  А.И.Нейштадт , Л.М.Зеленый (ИКИ РАН)

Averaging over the fast subsystem solutions on the level Н = ξ

,dx W dy W

d y x

( , , , )

0

1( , , ( , , , , ), ))

( , , , )

,

hT x y P

h hh

V Wx y x y P P d

T x y P

x y

Problem: what solution of the fast subsystem should be used

for averaging ?

QS-orbit or HS-orbit?

The accuracy of )(O over time intervals /1~

Page 16: В.В.Сидоренко  ( ИПМ им. М.В.Келдыша РАН) А.В.Артемьев ,  А.И.Нейштадт , Л.М.Зеленый (ИКИ РАН)

Secular effects: examples

Nonplanar circular restricted three-body problem “Sun-Planet-

Asteroid”

Parameters: 2, 1 coshP e i

Page 17: В.В.Сидоренко  ( ИПМ им. М.В.Келдыша РАН) А.В.Артемьев ,  А.И.Нейштадт , Л.М.Зеленый (ИКИ РАН)

Scaling

A – the motion in QS-orbit is perpetualB – the abundances of the perpetual and temporary QS-motions are more or less

comparable C- the motion in QS-orbit is mainly temporary

21 hP

2 2

If <<1 then

~ i e

Page 18: В.В.Сидоренко  ( ИПМ им. М.В.Келдыша РАН) А.В.Артемьев ,  А.И.Нейштадт , Л.М.Зеленый (ИКИ РАН)

Asteroid 164207 (2004GU9)

Variation of the resonant phase

Current and W

Page 19: В.В.Сидоренко  ( ИПМ им. М.В.Келдыша РАН) А.В.Артемьев ,  А.И.Нейштадт , Л.М.Зеленый (ИКИ РАН)

Asteroid 164207 (2004GU9)

Page 20: В.В.Сидоренко  ( ИПМ им. М.В.Келдыша РАН) А.В.Артемьев ,  А.И.Нейштадт , Л.М.Зеленый (ИКИ РАН)

Distant retrograde orbits in the Earth+Moon system

• Preliminary investigation under the scope of CR3BP

• Numerical investigation of SC dynamics in QS-orbit, taking into account the perturbation due to the solar gravity field

Main problem

The Moon’s Hill sphere has a radius of 60,000 km (1/6th of the distance between the Earth and Moon). So the QS-orbits outside Hill sphere are large enough and experience substantial perturbations from the Sun.

Page 21: В.В.Сидоренко  ( ИПМ им. М.В.Келдыша РАН) А.В.Артемьев ,  А.И.Нейштадт , Л.М.Зеленый (ИКИ РАН)

3 31 2

( ) ( 1 )2 (1 )

x xx y x

r r

3 31 2

12y x y y

r r

Preliminary investigation under the scope of planar CR3BP

Motion equations:

Synodic (rotating)reference frame

2 2 2 2

1 2

12JC x y x y

r r

Jacobi integral

Page 22: В.В.Сидоренко  ( ИПМ им. М.В.Келдыша РАН) А.В.Артемьев ,  А.И.Нейштадт , Л.М.Зеленый (ИКИ РАН)

Distant retrograde periodic orbits (family f)

Page 23: В.В.Сидоренко  ( ИПМ им. М.В.Келдыша РАН) А.В.Артемьев ,  А.И.Нейштадт , Л.М.Зеленый (ИКИ РАН)

Distant retrograde periodic orbits (family f)

Stability indexes

Sufficient stability condition (under the linear approximation):

1 21 1, 1 1a a

Page 24: В.В.Сидоренко  ( ИПМ им. М.В.Келдыша РАН) А.В.Артемьев ,  А.И.Нейштадт , Л.М.Зеленый (ИКИ РАН)

Direct periodic orbits (family h1)

Page 25: В.В.Сидоренко  ( ИПМ им. М.В.Келдыша РАН) А.В.Артемьев ,  А.И.Нейштадт , Л.М.Зеленый (ИКИ РАН)

Direct periodic orbits (family h2)

Page 26: В.В.Сидоренко  ( ИПМ им. М.В.Келдыша РАН) А.В.Артемьев ,  А.И.Нейштадт , Л.М.Зеленый (ИКИ РАН)

Direct periodic orbits(families h1,h2)

Stability indexes

Sufficient stability condition (under the linear approximation):

1 21 1, 1 1a a

Page 27: В.В.Сидоренко  ( ИПМ им. М.В.Келдыша РАН) А.В.Артемьев ,  А.И.Нейштадт , Л.М.Зеленый (ИКИ РАН)

Numerical integration, taking into account the gravity fields and actual motion of Moon, Earth and Sun (JPL

DE405)

180 days in QS-orbit

The initial distance to the moon - 40% of the distance Earth-MoonThe initial epoch – 01/06/2012

Page 28: В.В.Сидоренко  ( ИПМ им. М.В.Келдыша РАН) А.В.Артемьев ,  А.И.Нейштадт , Л.М.Зеленый (ИКИ РАН)

Numerical integration, taking into account the gravity fields and actual motion of Moon, Earth and Sun (JPL

DE405)

270 days in QS-orbit

The initial distance to the moon - 30% of the distance Earth-MoonThe initial epoch – 01/06/2012

Page 29: В.В.Сидоренко  ( ИПМ им. М.В.Келдыша РАН) А.В.Артемьев ,  А.И.Нейштадт , Л.М.Зеленый (ИКИ РАН)

Numerical integration, taking into account the gravity fields and actual motion of Moon, Earth and Sun (JPL

DE405)

1.5 year in QS-orbit

The initial distance to the moon - 25% of the distance Earth-MoonThe initial epoch – 01/06/2012

Page 30: В.В.Сидоренко  ( ИПМ им. М.В.Келдыша РАН) А.В.Артемьев ,  А.И.Нейштадт , Л.М.Зеленый (ИКИ РАН)

Numerical integration, taking into account the gravity fields and actual motion of Moon, Earth and Sun (JPL

DE405)

First year in QS-orbit

The initial distance to the moon - 25% of the distance Earth-MoonThe initial epoch – 01/06/2012

Page 31: В.В.Сидоренко  ( ИПМ им. М.В.Келдыша РАН) А.В.Артемьев ,  А.И.Нейштадт , Л.М.Зеленый (ИКИ РАН)

Transfer trajectories to DRO

Page 32: В.В.Сидоренко  ( ИПМ им. М.В.Келдыша РАН) А.В.Артемьев ,  А.И.Нейштадт , Л.М.Зеленый (ИКИ РАН)

Transfer trajectories to DRO

Page 33: В.В.Сидоренко  ( ИПМ им. М.В.Келдыша РАН) А.В.Артемьев ,  А.И.Нейштадт , Л.М.Зеленый (ИКИ РАН)

Transfer trajectories to DRO

Stable manifold of Lyapunov orbit as a

transfer orbit?

X.Ming, X.Shijie (2009)

Page 34: В.В.Сидоренко  ( ИПМ им. М.В.Келдыша РАН) А.В.Артемьев ,  А.И.Нейштадт , Л.М.Зеленый (ИКИ РАН)

Применение квазиспутниковых орбит для «хранения» астероидов

Циолковский: Исследование мировых пространств реактивными приборами

(дополнение 1911-1912 гг) эксплуатация ресурсов астероидов

Lewis, 1996

Page 35: В.В.Сидоренко  ( ИПМ им. М.В.Келдыша РАН) А.В.Артемьев ,  А.И.Нейштадт , Л.М.Зеленый (ИКИ РАН)

Перемещение астероидов в окрестность Земли

www.planeatryresources.com

Page 36: В.В.Сидоренко  ( ИПМ им. М.В.Келдыша РАН) А.В.Артемьев ,  А.И.Нейштадт , Л.М.Зеленый (ИКИ РАН)

Спасибо за внимание!