Задача выбора высоты орбиты лунной орбитальной станции (ЛОС) является актуальной в настоящее время. Ее решение определяется задачами, для выполнения которых она создается. Так известно, что НАСА рассматривает орбиту для ЛОС ГейтВЕЙ исходя из задачи создания шлюза для межпланетных перелетов (Марс, астероиды и т.п.). Это так называемая орбита NRHO, принадлежащая классу гало орбит вокруг точки Лагранжа L2 системы Земля-Луна.
Мы будем рассматривать задачу выбора высоты орбиты ЛОС, предназначенной для обслуживания на планетной инфраструктуры и проведения транспортных операций Луна-Земля.
Ставится задача выбора высоты орбиты ЛОС при минимальных суммарных энергетических затратах за проведение операций доставки ЛОС на орбиту вокруг Луны, совершение челночных операций «ЛОС – поверхность Луны-ЛОС», отлет с орбиты ЛОС к Земле.
Решение ищется в рамках ограниченной эллиптической задачи трех тел в зависимости о селеноцентрического радиуса орбиты.
Известно, что меньшим энергетическим затратам на перелет низкая околоземная орбита - окололунная орбита (НОО-ОЛО) отвечает высокая ОЛО. Однако учет затрат на челночные операции «ЛОС – поверхность Луны-ЛОС» опровергает этот вывод: меньшим суммарным энергетическим затратам соответствует ОЛО минимальной высоты в том числе с учетом перелета ОЛО-НОО.
Обратимся к численным результатам.
На рис.1 показаны значения характеристической скорости, полученные численным моделированием прямого двух импульсного перелета НОО-ОЛО.
Импульс dV11 (шкала слева) характеризует затраты характеристической скорости (импульса скорости) при отлете с НОО, а импульс dV12(шкала справа) – при формировании ОЛО заданной высоты.
Анализ рис. 1 подтверждает высказанный выше вывод, что суммарные затраты импульса скорости на формирование ОЛО снижаются при выборе более высоких орбит.
Затраты импульса скорости на возврат КА с ОЛО на Землю (dV3) показаны на рис. 2.
Импульс dV3 подтверждает указанную ранее тенденцию о снижении затрат характеристической скорости при повышении высоты ОЛО.
Этот вывод применим для задач облета Луны, для орбитальных обзорных миссий с целью выбора районов прилунения КА, для задач снабжения ЛОС расходными материалами и т.п.
Если же задача состоит в осуществлении посадки КА на поверхность Луны с последующим возвратом на исходную орбиту ЛОС, то необходимо учесть затраты импульса скорости на эти операции, характер которых показан на рис. 3 в зависимости от высоты орбиты ЛОС.
Характер затрат импульсов скорости (dV21– затраты импульса скорости на взлет КА с поверхности Луны на заданную орбиту, dV22- затраты импульса скорости на посадку КА на поверхность Луны с орбиты заданной высоты) в этой задаче имеет обратную тенденцию – затраты возрастают при увеличении высоты орбиты ЛОС.
Чтобы продемонстрировать характер суммарных затрат на всю экспедицию поддержания функционирования ЛОС, предназначенной для обслуживания Лунной н планетной инфраструктуры и проведения транспортных операций Луна-Земля необходимо их суммировать. Однако, было бы неправильно суммировать характеристические скорости, так как они относятся к различным транспортным объектам. Наиболее показательным было бы продемонстрировать суммарные затраты топлива всех тех аппаратов, которые задействованы в выполнении задач по поддержанию функционирования ЛОС.
Для этой цели необходимо определить конкретные транспортные системы, которые могли бы выполнить указанный перечень задач. Это могут быть космические буксиры для доставки грузов на ОЛО, взлетно-посадочные корабли для проведения челночных операций ОЛО-Луна-ОЛО, корабли, осуществляющие возврат и доставку грузов на Землю.
Казалось бы наиболее эффективное решения предложил Илон Маск – использовать для решения этого комплекса задач корабль «Старшип». Однако НАСА планирует использовать «Старшип» не для всего комплекса задач, а только для операций «посадка-взлет». Доставку экспедиционного комплекса планируется осуществить с помощью SLS, а возврат на Землю кораблем «Орион».
Так в чем же проблема КК Старшип»?
Ответ очень простой – проблема КК Старшип» в его одно ступенчатости, которая неизменно влечет низкую отдачу по массе полезного груза.
Запас характеристической скорости КК «Старшип», как показано в статье «Области достижимости космических средств выведения», составляет немного больше 6 км/с, а потребные характеристические скорости в окололунных операциях следующие:
- выведение с НОО спутника Луны (орбита высотою 500 км) 3,785 км/с;
- возврат на Землю ( с орбиты 500 км) 0,725 км/с ( суммарно 4,51 км/с);
- челночные операции ( орбита 500 км) 4,2 км/с (суммарно 8,71км/с).
Как видим, КК «Старшип» может выйти на ОЛО-500, сесть на Луну, но взлететь с нее уже не может.