La búsqueda de vida extraterrestre y la exploración de “otra Tierra” es un tema eterno para los humanos e inspira a generaciones de científicos planetarios. No solo mejora nuestra comprensión de la formación y evolución de los planetas durante la formación de un sistema estelar, sino que también ayuda a los científicos a investigar las posibles condiciones y criterios de existencia de la vida. En los últimos 30 años, los científicos han descubierto más de 4000 exoplanetas, pero la exploración aún tiene un largo camino por recorrer.
Debido a la gran distancia, la búsqueda de exoplanetas requiere alta sensibilidad y alta resolución. El telescopio basado en el espacio puede eliminar la interferencia de la atmósfera terrestre en las observaciones y se convirtió en una tendencia en la exploración de exoplanetas. Como una configuración de telescopio de próxima generación, se espera que el conjunto de telescopios realice la generación cruzada del sistema de telescopios para que un exoplaneta similar a la Tierra cerca de una estrella anfitriona similar al Sol pueda detectarse y caracterizarse a través de imágenes directas.
En un artículo de investigación publicado recientemente en Space: Science & Technology, Xiangyu Li del Instituto de Tecnología de Beijing se centra en una misión de exploración de exoplanetas basada en el espacio y analiza sus antecedentes científicos, el perfil de la misión, el método de diseño de trayectoria y la técnica de mantenimiento orbital, que despliega varios satélites para formar un sistema de interferómetro de apertura sintética en el espacio para ayudar a descubrir exoplanetas.
El autor primero propuso cuatro demandas de observación del conjunto de telescopios, que son necesarias para buscar y caracterizar exoplanetas habitables en los vecinos de nuestro sistema solar (dentro de 65 años luz).
1. Alta resolución espacial. La distancia angular estrella-planeta es mejor que 0,01 segundos de arco a 65 años luz de distancia del Sol.
2. Alto contraste. El brillo de los planetas y las estrellas difiere en al menos 7 órdenes de magnitud en la banda del infrarrojo medio.
3. Alta sensibilidad. El brillo del planeta en la banda dominante de la señal es inferior a 3 fotones/seg/m2.
4. Amplio rango espectral. Observación indirecta en la banda del infrarrojo cercano de 1 a 5 μm y observación directa en la banda del infrarrojo cercano de 1 a 13 μm.
Posteriormente, se introdujeron los principios del interferómetro de anulación de dos elementos y el interferómetro de anulación de cuatro elementos, respectivamente. Con base en las características de las demandas de observación y el principio de interferometría, se concluyeron los requisitos generales para el sistema de telescopios de matriz para el diseño de la trayectoria.
Luego, se propusieron los métodos para la selección de la órbita de la misión y el diseño de la trayectoria de transferencia. La órbita del halo Sol-Tierra L2 se selecciona como la órbita de la misión debido a dos razones principales. Por un lado, la órbita ideal de la misión debería mantenerse alejada de las interferencias electromagnéticas de la Tierra. Por otro lado, se requiere un entorno dinámico relativamente limpio para reducir la magnitud y la frecuencia del mantenimiento de la órbita. Sobre la base de la órbita periódica seleccionada, las variedades invariantes estables de las órbitas periódicas se utilizaron para encontrar la oportunidad de transferencia de baja energía. La trayectoria de transferencia se diseñó a través de un procedimiento de tres pasos. En primer lugar, basándose en el problema circular restringido de tres cuerpos, se generaron las variedades estables de la órbita de la misión objetivo en diferentes ángulos de fase y se seleccionó la rama que se aproxima a la Tierra. En segundo lugar, el mapa de Poincaré se seleccionó de acuerdo con la restricción del estado del perigeo. En tercer lugar, se eligió la variedad correspondiente que satisfizo la restricción de altura de la órbita de estacionamiento como estimación inicial de la trayectoria de transferencia. Para el mantenimiento de la configuración de la formación alrededor del punto de libración, existía la restricción del límite máximo de error de deriva y se propuso la ley de control basada en el método de orientación tangente para maximizar el tiempo pasado dentro del límite de error entre maniobras.
Finalmente, se implementaron simulaciones numéricas para validar la eficiencia del método propuesto. Dos hallazgos principales fueron dignos de mención. En la fase de transferencia orbital, se encontró que los múltiples perigeos de la variedad reducían el tiempo total de transferencia a un año y medio, y cada transferencia solo necesitaba un incremento de velocidad inferior a 10 m/s para lograr la inserción de la órbita del halo. . En la fase de mantenimiento de la órbita, la nave espacial puede satisfacer las restricciones de estabilidad de la posición relativa a una frecuencia de mantenimiento de una vez cada dos días aproximadamente, con los incrementos de velocidad total de cada nave espacial inferiores a 5 × 10−4 m/s cuando el límite de error es 0,1 m.
