Transfert à faible énergie

Un transfert à faible énergie, ou une trajectoire à faible énergie, est un moyen pour un véhicule spatial de changer d'orbite en utilisant significativement moins de carburant qu'un transfert traditionnel^[1]^,^[2]. Ces transferts fonctionnent dans le système Terre-Lune ainsi que dans d'autres systèmes tel qu'entre les lunes de Jupiter. Ces trajectoires ont pour inconvénient de prendre plus de temps que les transferts qui utilisent plus d'énergie (plus de carburant), par exemple les transferts de Hohmann.

Les transferts à faible énergie sont aussi connus comme trajectoires à la limite faible de stabilité (en) et incluent les trajectoires de capture balistique.

Les transferts à faible énergie suivent des trajets spéciaux dans l'espace, le réseau de transport interplanétaire. On peut traverser des longues distances avec un petit Delta-v en suivant ces trajets.

Exemples de missions

Ces missions ont utilisé, ou utilisent, de transferts à faible énergie :

Hiten de la JAXA
SMART-1 de l'ESA
Genesis de la NASA^[3].
GRAIL de la NASA^[4]^,^[5].
Danuri de la KARI^[6]
BepiColombo de l'ESA/JAXA^[7]
CAPSTONE de la NASA
Hakuto-R Mission 1 d'ispace
SLIM de la JAXA

Ces projets de missions pourraient utiliser des transferts à faible énergie :

European Student Moon Orbiter (ESMO)
Mars Direct

Histoire

Les transferts à faible énergie ont été montré pour la première fois en 1991 par la sonde japonaise Hiten, qui était conçue pour passer près de la Lune sans y entrer en orbite. Le petit satellite Hagoromo fut détaché de Hiten lors du premier passage et est peut-être entré en orbite autour de la Lune avec succès, mais a souffert d'une défaillance de communication.

Lorsque Edward Belbruno (en) et James Miller du Jet Propulsion Laboratory apprirent la défaillance, ils aidèrent à sauver la mission en développant une trajectoire de capture balistique qui permit à Hiten elle-même d'entrer en orbite autour de la Lune. Cette trajectoire développée pour Hiten utilise la théorie de limite faible de stabilité et avait seulement besoin d'une petite perturbation dans l'orbite de passage elliptique, suffisamment petite pour les propulseurs du véhicule spatial^[1]. Cette route aboutit à ce que la sonde entra temporairement en orbite autour de la lune avec un bilan des modifications du vecteur vitesse de zéro, mais en prenant cinq mois au lieu des trois jours usuels avec le transfert de Hohmann^[8].

Économies de bilan des modifications du vecteur vitesse

Pour aller d'orbite terrestre basse en orbite lunaire, on économise 25% au bilan des modifications du vecteur vitesse comparé à la manœuvre rétrograde traditionnelle de l'injection trans-lunaire. Cela permet de doubler la charge utile^[9].

Robert Farquhar a décrit une route de 9 jours d'orbite terrestre basse à une capture lunaire qui a besoin de 3.5 km/s.^[10] La route de Belbruno d'orbite terrestre basse a besoin de 3.1 km/s pour l'injection trans-lunaire, une économie de delta-v de 0.4 km/s. Par contre, cette dernière n'a pas besoin de manœuvres importantes une fois que le véhicule spatial a quitté l'orbite terrestre. Ceci peut-être avantageux d'un point de vue opérationnel si l'étage supérieur a un nombre d'allumages limités^[11].

L'économie pour un rendez-vous avec les lunes de Mars et de 12% pour Phobos et de 20% pour Deimos. Seul un rendez-vous est pris pour cible parce que les pseudo-orbites stables autour des lunes de Mars ne passent que peu de temps à moins de 10 km de la surface^[12].

Références

↑ ^{a et b} Edward Belbruno, Capture Dynamics and Chaotic Motions in Celestial Mechanics: With Applications to the Construction of Low Energy Transfers, Princeton University Press, 2004, 224 p. (ISBN 978-0-691-09480-9, lire en ligne)
↑ Edward Belbruno, Fly Me to the Moon: An Insider's Guide to the New Science of Space Travel, Princeton University Press, 2007, 176 (ISBN 978-0-691-12822-1, lire en ligne )
↑ Interplanetary Superhighway Makes Space Travel Simpler // 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"
↑ « GRAIL Design at MIT Website » (consulté le 22 janvier 2012)
↑ « Spaceflight101 GRAIL Mission Design » [archive du 19 juillet 2012] (consulté le 22 janvier 2012)
↑ (en) « Danuri all set for Korea's first moon exploration », sur www.kari.re.kr, 6 juin 2022 (consulté le 30 juillet 2022)
↑ (en) « BepiColombo overview », sur www.esa.int (consulté le 3 décembre 2019)
↑ Adam Frank, « Gravity's Rim », Discover,‎ septembre 1994 (lire en ligne)
↑ Edward A. Belbruno et John P. Carrico, « Calculation of Weak Stability Boundary Ballistic Lunar Transfer Trajectories », AIAA/AAS Astrodynamics Specialist Conference, 2000
↑ Robert Farquhar, « THE UTILIZATION OF HALO ORBITS IN ADVANCED LUNAR OPERATIONS », sur www.lpi.usra.edu, 1971 (consulté le 2 août 2020)
↑ Jeffrey Parker et Rodney Anderson, Low-Energy Lunar Trajectory Design, 25 juin 2014, 24 p. (ISBN 9781118855317, lire en ligne)
↑ A. L. Genova, S. V. Weston et L. J. Simurda, « Human & robotic mission applications of low-energy transfers to Phobos & Deimos » [archive du 25 avril 2012], 2011

(en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Low-energy transfer » (voir la liste des auteurs).