<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?><!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing DTD v3.0 20080202//EN" "http://dtd.nlm.nih.gov/publishing/3.0/journalpublishing3.dtd">
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    am
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   <journal-title-group>
    <journal-title>
     Applied Mathematics
    </journal-title>
   </journal-title-group>
   <issn pub-type="epub">
    2152-7385
   </issn>
   <issn publication-format="print">
    2152-7393
   </issn>
   <publisher>
    <publisher-name>
     Scientific Research Publishing
    </publisher-name>
   </publisher>
  </journal-meta>
  <article-meta>
   <article-id pub-id-type="doi">
    10.4236/am.2025.167028
   </article-id>
   <article-id pub-id-type="publisher-id">
    am-143978
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    <subj-group subj-group-type="heading">
     <subject>
      Articles
     </subject>
    </subj-group>
    <subj-group subj-group-type="Discipline-v2">
     <subject>
      Physics 
     </subject>
     <subject>
       Mathematics
     </subject>
    </subj-group>
   </article-categories>
   <title-group>
    Introduction to Interplanetary Travel
    <br>—Pocket Edition</br>
   </title-group>
   <contrib-group>
    <contrib contrib-type="author" xlink:type="simple">
     <name name-style="western">
      <surname>
       Jan
      </surname>
      <given-names>
       Vrbik
      </given-names>
     </name>
    </contrib>
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    <addr-line>
     aMathematics Department, Brock University, St. Catharines, Canada
    </addr-line> 
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     14
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     07
    </month>
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     2025
    </year>
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   <volume>
    16
   </volume> 
   <issue>
    07
   </issue>
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    503
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    517
   </lpage>
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     <day>
      28,
     </day>
     <month>
      May
     </month>
     <year>
      2025
     </year>
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    <date date-type="published">
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      11,
     </day>
     <month>
      May
     </month>
     <year>
      2025
     </year> 
    </date> 
    <date date-type="accepted">
     <day>
      11,
     </day>
     <month>
      July
     </month>
     <year>
      2025
     </year> 
    </date>
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    <copyright-statement>
     © Copyright 2014 by authors and Scientific Research Publishing Inc. 
    </copyright-statement>
    <copyright-year>
     2014
    </copyright-year>
    <license>
     <license-p>
      This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
     </license-p>
    </license>
   </permissions>
   <abstract>
    The main part of space travel within our Solar system consists of following an orbit determined, to a good approximation, by Sun’s gravity only. In this article, we introduce a new technique for dealing with the resulting Keplerian motion, both elliptical and hyperbolic. This new method provides a simple way to establish parameters of the ensuing trajectory and compute the location and velocity of a spacecraft at any future time. Another essential feature of such travel, when visiting several planets in a single mission, is the utilization of each planet’s gravity to increase and re-direct a spacecraft’s velocity to enable it to reach the next, more distant planet. We derive and demonstrate all the relevant formulas required to understand the basic principles of designing such an interplanetary journey.
   </abstract>
   <kwd-group> 
    <kwd>
     Keplerian Orbits
    </kwd> 
    <kwd>
      KS Regularization
    </kwd> 
    <kwd>
      Transfer Orbits
    </kwd> 
    <kwd>
      Flyby Maneuver
    </kwd>
   </kwd-group>
  </article-meta>
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 <body>
  <sec id="s1">
   <title>1. Introduction</title>
   <p>In this article, we concentrate on a single major component of space travel, namely utilizing Sun’s gravitational field to effortlessly coast from one planet to another. Nevertheless, for readers’ orientation, we first mention the remaining essentials (and some less important ingredients) of planetary missions.</p>
   <p>Propulsion. Travelling on Earth, we are used to fuel usage being proportional to distance traveled. Things work very differently in space, where fuel is burnt and the ensuing gases are ejected only when a change in velocity is required. Each time this happens, the mass of the rocket decreases according to the following formula <xref ref-type="bibr" rid="scirp.143978-1">
     [1]
    </xref>:</p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mrow> 
       <mo>
         | 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mtext>
          Δ 
        </mtext> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           v 
         </mi> 
        </mstyle> 
       </mrow> 
       <mo>
         | 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         v 
       </mi> 
       <mi>
         g 
       </mi> 
      </msub> 
      <mi>
        ln 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mfrac> 
         <mrow> 
          <msub> 
           <mi>
             m 
           </mi> 
           <mi>
             a 
           </mi> 
          </msub> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <msub> 
           <mi>
             m 
           </mi> 
           <mi>
             b 
           </mi> 
          </msub> 
         </mrow> 
        </mfrac> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math></p>
   <p>where 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mtext>
        Δ 
      </mtext> 
      <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mi>
         v 
       </mi> 
      </mstyle> 
     </mrow> 
    </math> is the velocity change, 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         v 
       </mi> 
       <mi>
         g 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> is the escaping gases’ nozzle speed, and 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
       <mi>
         b 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> and 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
       <mi>
         a 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> denote the mass of the rocket before and after the completion of such a maneuver (the mass loss is due to the corresponding fuel expenditure). This implies that, for example, if a rocket goes through three velocity changes which reduce its mass by 15, 25, and 20 percent respectively, its final mass will be 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mn>
        0.85 
      </mn> 
      <mo>
        × 
      </mo> 
      <mn>
        0.75 
      </mn> 
      <mo>
        × 
      </mo> 
      <mn>
        0.80 
      </mn> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        0.51 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math> of the original one. Note that a typical value of 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         v 
       </mi> 
       <mi>
         g 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> is 4.5 km/sec, while Earth’s escape</p>
   <p>velocity <xref ref-type="bibr" rid="scirp.143978-2">
     [2]
    </xref> is 11.2 km/sec; this means that 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           m 
         </mi> 
         <mi>
           a 
         </mi> 
        </msub> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           m 
         </mi> 
         <mi>
           b 
         </mi> 
        </msub> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mtext>
        exp 
      </mtext> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mfrac> 
         <mrow> 
          <mn>
            11.2 
          </mn> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <mn>
            4.5 
          </mn> 
         </mrow> 
        </mfrac> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        ≃ 
      </mo> 
      <mn>
        12 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math>, i.e., a rocket consumes (optimistically) over 91% of its original mass just to leave Earth.</p>
   <p>There are several ways of minimizing fuel consumption: 1) by using the highest possible value of 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         v 
       </mi> 
       <mi>
         g 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> with maximum thrust, 2) discarding empty fuel tanks, usually in stages, 3) imparting velocity changes in the direction of current velocity (whether to increase or decrease its magnitude), 4) designing and following an optimum trajectory to reach the mission’s target. The first point results in minimizing the duration of each engine activation, allowing us to consider it (and the corresponding velocity change) to be practically instantaneous.</p>
   <p>Navigation. It is essential to monitor the rocket’s position and velocity throughout its travel. This is done by measuring distances to selected objects by establishing the time it takes for a signal (travelling at the speed of light) to be reflected back. Similarly, velocities in the line-of-sight are established by the Doppler effect observed in the same signal; velocities perpendicular to it may require triangulation (measuring distances and their change in time, to several objects). The rocket’s attitude is established relative to the celestial sphere, changed by engine-induced rotation, and maintained with the help of a set of gyroscopes. A change in velocity is gauged by an accelerometer and imparted by firing the rocket’s engines, in a specific direction and for a given time interval. All such maneuvers are executed by mission control and onboard computers.</p>
   <p>Miscellaneous. There is a multitude of other factors affecting a rocket’s motion beyond the Sun’s gravity and occasional engine-induced velocity changes. Their list includes planets’ gravitational forces, atmospheric drag, Earth’s rotation and oblateness, Solar radiation pressure, etc. Worth mentioning (but not utilized by us) are parking orbits <xref ref-type="bibr" rid="scirp.143978-3">
     [3]
    </xref>, which allow a rocket to orbit a planet before it is propelled back into interplanetary space.</p>
   <p>We now proceed to study a rocket’s motion under the influence of the Sun’s gravity, while discarding all the other (usually minute) forces acting on it. Throughout the article, we use a technique of patched conics <xref ref-type="bibr" rid="scirp.143978-4">
     [4]
    </xref> which assumes that, to a good approximation, a trajectory of a rocket can be built by considering only the predominant gravitational field (be it the Sun’s or of a nearby planet) acting on it at the moment. This breaks it into individual stretches (or patches) of (different) conic shapes; these are then stitched together to create the resulting complete path.</p>
  </sec><sec id="s2">
   <title>
    <xref ref-type="bibr" rid="scirp.143978-"></xref>2. Linearized Kepler Problem</title>
   <p>Our first objective is to formulate and solve the equation of motion of a rocket orbiting a massive primary by utilizing the Kustaanheimo-Stiefel transformation <xref ref-type="bibr" rid="scirp.143978-5">
     [5]
    </xref>. Since the resulting motion is planar, to describe it we introduce an inertial plane whose points are identified by their 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       x 
     </mi> 
    </math> and 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       y 
     </mi> 
    </math> coordinates combined into a single complex number 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        x 
      </mi> 
      <mo>
        + 
      </mo> 
      <mtext>
        i 
      </mtext> 
      <mi>
        y 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math>; we also assume that the primary is placed at its origin. Note that locations and velocities are then also represented by complex numbers, and their lengths (i.e., distances and speeds) by the respective magnitudes. Also note that multiplying a complex number by 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mtext>
        exp 
      </mtext> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mtext>
          i 
        </mtext> 
        <mi>
          ψ 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> rotates (counter-clockwise) the corresponding vector by angle 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       ψ 
     </mi> 
    </math> around the origin.</p>
   <p>We now need to solve the following second-order differential equation <xref ref-type="bibr" rid="scirp.143978-5">
     [5]
    </xref> for a two-coordinate vector (represented by a complex number) of the rocket’s location (denoted by 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
      <mi>
        r 
      </mi> 
     </mstyle> 
    </math> and implicitly considered a function of time 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       t 
     </mi> 
    </math>)</p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mover accent="true"> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
        <mo>
          ¨ 
        </mo> 
       </mover> 
      </mstyle> 
      <mo>
        + 
      </mo> 
      <mi>
        μ 
      </mi> 
      <mfrac> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mrow> 
        <msup> 
         <mi>
           r 
         </mi> 
         <mn>
           3 
         </mn> 
        </msup> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        0 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math>(1)</p>
   <p>where the two dots imply double differentiation with respect to 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       t 
     </mi> 
    </math>, 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       r 
     </mi> 
    </math> is the magnitude of 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
      <mi>
        r 
      </mi> 
     </mstyle> 
    </math>, and 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       μ 
     </mi> 
    </math> is the gravitational constant multiplied by the primary’s mass (its gravitational mass).</p>
   <p>To find a solution to (1), we introduce a new (complex) dependent variable 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi mathvariant="double-struck">
       U 
     </mi> 
    </math> and a new independent variable 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       s 
     </mi> 
    </math> called modified time (a dimensionless scalar) <xref ref-type="bibr" rid="scirp.143978-6">
     [6]
    </xref>, related to the old variables in the following manner</p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
      </mstyle> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msup> 
       <mi mathvariant="double-struck">
         U 
       </mi> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msup> 
     </mrow> 
    </math>(2)</p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <mtext>
          d 
        </mtext> 
        <mi>
          t 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mtext>
          d 
        </mtext> 
        <mi>
          s 
        </mi> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        2 
      </mn> 
      <mi>
        r 
      </mi> 
      <msqrt> 
       <mrow> 
        <mfrac> 
         <mi>
           a 
         </mi> 
         <mi>
           μ 
         </mi> 
        </mfrac> 
       </mrow> 
      </msqrt> 
     </mrow> 
    </math>(3)</p>
   <p>where 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        a 
      </mi> 
      <mo>
        &gt; 
      </mo> 
      <mn>
        0 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math> is a real and at this point arbitrary constant, having the dimension of length.</p>
   <p>It is easy to see that</p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        r 
      </mi> 
      <mo>
        : 
      </mo> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mrow> 
       <mo>
         | 
       </mo> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mo>
         | 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mi mathvariant="double-struck">
        U 
      </mi> 
      <mover accent="true"> 
       <mi mathvariant="double-struck">
         U 
       </mi> 
       <mo>
         ¯ 
       </mo> 
      </mover> 
     </mrow> 
    </math>(4)</p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mi>
         v 
       </mi> 
      </mstyle> 
      <mo>
        : 
      </mo> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mover accent="true"> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
        <mo>
          ˙ 
        </mo> 
       </mover> 
      </mstyle> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
        <mi mathvariant="double-struck">
          U 
        </mi> 
        <msup> 
         <mi mathvariant="double-struck">
           U 
         </mi> 
         <mo>
           ′ 
         </mo> 
        </msup> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
        <msqrt> 
         <mrow> 
          <mfrac> 
           <mi>
             a 
           </mi> 
           <mi>
             μ 
           </mi> 
          </mfrac> 
         </mrow> 
        </msqrt> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <mi mathvariant="double-struck">
          U 
        </mi> 
        <msup> 
         <mi mathvariant="double-struck">
           U 
         </mi> 
         <mo>
           ′ 
         </mo> 
        </msup> 
       </mrow> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
      </mfrac> 
      <msqrt> 
       <mrow> 
        <mfrac> 
         <mi>
           μ 
         </mi> 
         <mi>
           a 
         </mi> 
        </mfrac> 
       </mrow> 
      </msqrt> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <msup> 
        <mi mathvariant="double-struck">
          U 
        </mi> 
        <mo>
          ′ 
        </mo> 
       </msup> 
       <mover accent="true"> 
        <mi mathvariant="double-struck">
          U 
        </mi> 
        <mo>
          ¯ 
        </mo> 
       </mover> 
      </mfrac> 
      <msqrt> 
       <mrow> 
        <mfrac> 
         <mi>
           μ 
         </mi> 
         <mi>
           a 
         </mi> 
        </mfrac> 
       </mrow> 
      </msqrt> 
     </mrow> 
    </math></p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable> 
      <mtr> 
       <mtd> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mover accent="true"> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
          <mo>
            ¨ 
          </mo> 
         </mover> 
        </mstyle> 
        <mo>
          = 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <msup> 
             <mrow> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ( 
               </mo> 
               <msup> 
                <mi mathvariant="double-struck">
                  U 
                </mi> 
                <mo>
                  ′ 
                </mo> 
               </msup> 
               <mo>
                 ) 
               </mo> 
              </mrow> 
             </mrow> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
            <mo>
              + 
            </mo> 
            <mi mathvariant="double-struck">
              U 
            </mi> 
            <msup> 
             <mi mathvariant="double-struck">
               U 
             </mi> 
             <mo>
               ″ 
             </mo> 
            </msup> 
           </mrow> 
           <mi>
             r 
           </mi> 
          </mfrac> 
          <mo>
            − 
          </mo> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <mi mathvariant="double-struck">
              U 
            </mi> 
            <msup> 
             <mi mathvariant="double-struck">
               U 
             </mi> 
             <mo>
               ′ 
             </mo> 
            </msup> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mi mathvariant="double-struck">
                U 
              </mi> 
              <msup> 
               <mover accent="true"> 
                <mi mathvariant="double-struck">
                  U 
                </mi> 
                <mo>
                  ¯ 
                </mo> 
               </mover> 
               <mo>
                 ′ 
               </mo> 
              </msup> 
              <mo>
                + 
              </mo> 
              <msup> 
               <mi mathvariant="double-struck">
                 U 
               </mi> 
               <mo>
                 ′ 
               </mo> 
              </msup> 
              <mover accent="true"> 
               <mi mathvariant="double-struck">
                 U 
               </mi> 
               <mo>
                 ¯ 
               </mo> 
              </mover> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <msup> 
             <mi>
               r 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
        <mo>
          ⋅ 
        </mo> 
        <mfrac> 
         <mrow> 
          <msqrt> 
           <mrow> 
            <mfrac> 
             <mi>
               μ 
             </mi> 
             <mi>
               a 
             </mi> 
            </mfrac> 
           </mrow> 
          </msqrt> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
          <msqrt> 
           <mrow> 
            <mfrac> 
             <mi>
               a 
             </mi> 
             <mi>
               μ 
             </mi> 
            </mfrac> 
           </mrow> 
          </msqrt> 
         </mrow> 
        </mfrac> 
       </mtd> 
      </mtr> 
      <mtr> 
       <mtd> 
        <mo>
          = 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <msup> 
             <mrow> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ( 
               </mo> 
               <msup> 
                <mi mathvariant="double-struck">
                  U 
                </mi> 
                <mo>
                  ′ 
                </mo> 
               </msup> 
               <mo>
                 ) 
               </mo> 
              </mrow> 
             </mrow> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
            <mo>
              + 
            </mo> 
            <mi mathvariant="double-struck">
              U 
            </mi> 
            <msup> 
             <mi mathvariant="double-struck">
               U 
             </mi> 
             <mo>
               ″ 
             </mo> 
            </msup> 
           </mrow> 
           <mi>
             r 
           </mi> 
          </mfrac> 
          <mo>
            − 
          </mo> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
            <msup> 
             <mrow> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ( 
               </mo> 
               <msup> 
                <mi mathvariant="double-struck">
                  U 
                </mi> 
                <mo>
                  ′ 
                </mo> 
               </msup> 
               <mo>
                 ) 
               </mo> 
              </mrow> 
             </mrow> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
            <mo>
              + 
            </mo> 
            <msup> 
             <mi mathvariant="double-struck">
               U 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
            <msup> 
             <mi mathvariant="double-struck">
               U 
             </mi> 
             <mo>
               ′ 
             </mo> 
            </msup> 
            <msup> 
             <mover accent="true"> 
              <mi mathvariant="double-struck">
                U 
              </mi> 
              <mo>
                ¯ 
              </mo> 
             </mover> 
             <mo>
               ′ 
             </mo> 
            </msup> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <msup> 
             <mi>
               r 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
        <mo>
          ⋅ 
        </mo> 
        <mfrac> 
         <mi>
           μ 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
          <mi>
            a 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </mrow> 
        </mfrac> 
       </mtd> 
      </mtr> 
      <mtr> 
       <mtd> 
        <mo>
          = 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <mi mathvariant="double-struck">
              U 
            </mi> 
            <msup> 
             <mi mathvariant="double-struck">
               U 
             </mi> 
             <mo>
               ″ 
             </mo> 
            </msup> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <msup> 
             <mi>
               r 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
          <mo>
            − 
          </mo> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <msup> 
             <mi mathvariant="double-struck">
               U 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
            <msup> 
             <mi mathvariant="double-struck">
               U 
             </mi> 
             <mo>
               ′ 
             </mo> 
            </msup> 
            <msup> 
             <mover accent="true"> 
              <mi mathvariant="double-struck">
                U 
              </mi> 
              <mo>
                ¯ 
              </mo> 
             </mover> 
             <mo>
               ′ 
             </mo> 
            </msup> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <msup> 
             <mi>
               r 
             </mi> 
             <mn>
               3 
             </mn> 
            </msup> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
        <mo>
          ⋅ 
        </mo> 
        <mfrac> 
         <mi>
           μ 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
          <mi>
            a 
          </mi> 
         </mrow> 
        </mfrac> 
       </mtd> 
      </mtr> 
     </mtable> 
    </math></p>
   <p>
    <xref ref-type="bibr" rid="scirp.143978-"></xref>where 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mo>
       ' 
     </mo> 
    </math> indicates differentiation with respect to 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       s 
     </mi> 
    </math>, and a bar denotes complex conjugation (these two operations commute). The second line further implies that</p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msup> 
       <mi>
         v 
       </mi> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msup> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mi>
         μ 
       </mi> 
       <mi>
         a 
       </mi> 
      </mfrac> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <msup> 
         <mi mathvariant="double-struck">
           U 
         </mi> 
         <mo>
           ′ 
         </mo> 
        </msup> 
        <msup> 
         <mover accent="true"> 
          <mi mathvariant="double-struck">
            U 
          </mi> 
          <mo>
            ¯ 
          </mo> 
         </mover> 
         <mo>
           ′ 
         </mo> 
        </msup> 
       </mrow> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
      </mfrac> 
     </mrow> 
    </math>(5)</p>
   <p>based on 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msup> 
       <mi>
         v 
       </mi> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msup> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mi>
         v 
       </mi> 
       <mover accent="true"> 
        <mi>
          v 
        </mi> 
        <mo>
          ¯ 
        </mo> 
       </mover> 
      </mstyle> 
     </mrow> 
    </math>, where 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        v 
      </mi> 
      <mo>
        : 
      </mo> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mrow> 
       <mo>
         | 
       </mo> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          v 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mo>
         | 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> (our notation for magnitude).</p>
   <p>Adding 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        μ 
      </mi> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <msup> 
         <mi mathvariant="double-struck">
           U 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msup> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <msup> 
         <mi>
           r 
         </mi> 
         <mn>
           3 
         </mn> 
        </msup> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
     </mrow> 
    </math> to 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
      <mover accent="true"> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
       <mo>
         ¨ 
       </mo> 
      </mover> 
     </mstyle> 
    </math>, multiplying each term by 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
        <mi>
          a 
        </mi> 
        <msup> 
         <mi>
           r 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msup> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mi>
          μ 
        </mi> 
        <mi mathvariant="double-struck">
          U 
        </mi> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
     </mrow> 
    </math> and making the resulting sum equal to zero is then equivalent to (1); the new equation thus reads</p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msup> 
       <mi mathvariant="double-struck">
         U 
       </mi> 
       <mo>
         ″ 
       </mo> 
      </msup> 
      <mo>
        − 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <msup> 
         <mi mathvariant="double-struck">
           U 
         </mi> 
         <mo>
           ′ 
         </mo> 
        </msup> 
        <msup> 
         <mover accent="true"> 
          <mi mathvariant="double-struck">
            U 
          </mi> 
          <mo>
            ¯ 
          </mo> 
         </mover> 
         <mo>
           ′ 
         </mo> 
        </msup> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
        <mi>
          a 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
      </mfrac> 
      <mo>
        ⋅ 
      </mo> 
      <mi mathvariant="double-struck">
        U 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        0 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math>(6)</p>
   <p>It is easy to show that 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <msup> 
         <mi mathvariant="double-struck">
           U 
         </mi> 
         <mo>
           ′ 
         </mo> 
        </msup> 
        <msup> 
         <mover accent="true"> 
          <mi mathvariant="double-struck">
            U 
          </mi> 
          <mo>
            ¯ 
          </mo> 
         </mover> 
         <mo>
           ′ 
         </mo> 
        </msup> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
        <mi>
          a 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
      </mfrac> 
     </mrow> 
    </math> is a constant of motion <xref ref-type="bibr" rid="scirp.143978-7">
     [7]
    </xref>, since its (modified-time) derivative is</p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable columnalign="left"> 
      <mtr> 
       <mtd> 
        <mfrac> 
         <mrow> 
          <msup> 
           <mi mathvariant="double-struck">
             U 
           </mi> 
           <mo>
             ″ 
           </mo> 
          </msup> 
          <msup> 
           <mover accent="true"> 
            <mi mathvariant="double-struck">
              U 
            </mi> 
            <mo>
              ¯ 
            </mo> 
           </mover> 
           <mo>
             ′ 
           </mo> 
          </msup> 
          <mo>
            + 
          </mo> 
          <msup> 
           <mi mathvariant="double-struck">
             U 
           </mi> 
           <mo>
             ′ 
           </mo> 
          </msup> 
          <msup> 
           <mover accent="true"> 
            <mi mathvariant="double-struck">
              U 
            </mi> 
            <mo>
              ¯ 
            </mo> 
           </mover> 
           <mo>
             ″ 
           </mo> 
          </msup> 
         </mrow> 
         <mi>
           r 
         </mi> 
        </mfrac> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
        <mfrac> 
         <mrow> 
          <msup> 
           <mi mathvariant="double-struck">
             U 
           </mi> 
           <mo>
             ′ 
           </mo> 
          </msup> 
          <msup> 
           <mover accent="true"> 
            <mi mathvariant="double-struck">
              U 
            </mi> 
            <mo>
              ¯ 
            </mo> 
           </mover> 
           <mo>
             ′ 
           </mo> 
          </msup> 
          <mo>
            − 
          </mo> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
          <mi>
            a 
          </mi> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <msup> 
           <mi>
             r 
           </mi> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msup> 
         </mrow> 
        </mfrac> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mi mathvariant="double-struck">
            U 
          </mi> 
          <msup> 
           <mover accent="true"> 
            <mi mathvariant="double-struck">
              U 
            </mi> 
            <mo>
              ¯ 
            </mo> 
           </mover> 
           <mo>
             ′ 
           </mo> 
          </msup> 
          <mo>
            + 
          </mo> 
          <msup> 
           <mi mathvariant="double-struck">
             U 
           </mi> 
           <mo>
             ′ 
           </mo> 
          </msup> 
          <mover accent="true"> 
           <mi mathvariant="double-struck">
             U 
           </mi> 
           <mo>
             ¯ 
           </mo> 
          </mover> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mtd> 
      </mtr> 
      <mtr> 
       <mtd> 
        <mo>
          = 
        </mo> 
        <mfrac> 
         <mrow> 
          <msup> 
           <mi mathvariant="double-struck">
             U 
           </mi> 
           <mo>
             ′ 
           </mo> 
          </msup> 
          <msup> 
           <mover accent="true"> 
            <mi mathvariant="double-struck">
              U 
            </mi> 
            <mo>
              ¯ 
            </mo> 
           </mover> 
           <mo>
             ′ 
           </mo> 
          </msup> 
          <mo>
            − 
          </mo> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
          <mi>
            a 
          </mi> 
         </mrow> 
         <mi>
           r 
         </mi> 
        </mfrac> 
        <mo>
          ⋅ 
        </mo> 
        <mfrac> 
         <mrow> 
          <mi mathvariant="double-struck">
            U 
          </mi> 
          <msup> 
           <mover accent="true"> 
            <mi mathvariant="double-struck">
              U 
            </mi> 
            <mo>
              ¯ 
            </mo> 
           </mover> 
           <mo>
             ′ 
           </mo> 
          </msup> 
          <mo>
            + 
          </mo> 
          <msup> 
           <mi mathvariant="double-struck">
             U 
           </mi> 
           <mo>
             ′ 
           </mo> 
          </msup> 
          <mover accent="true"> 
           <mi mathvariant="double-struck">
             U 
           </mi> 
           <mo>
             ¯ 
           </mo> 
          </mover> 
         </mrow> 
         <mi>
           r 
         </mi> 
        </mfrac> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
        <mfrac> 
         <mrow> 
          <msup> 
           <mi mathvariant="double-struck">
             U 
           </mi> 
           <mo>
             ′ 
           </mo> 
          </msup> 
          <msup> 
           <mover accent="true"> 
            <mi mathvariant="double-struck">
              U 
            </mi> 
            <mo>
              ¯ 
            </mo> 
           </mover> 
           <mo>
             ′ 
           </mo> 
          </msup> 
          <mo>
            − 
          </mo> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
          <mi>
            a 
          </mi> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <msup> 
           <mi>
             r 
           </mi> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msup> 
         </mrow> 
        </mfrac> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mi mathvariant="double-struck">
            U 
          </mi> 
          <msup> 
           <mover accent="true"> 
            <mi mathvariant="double-struck">
              U 
            </mi> 
            <mo>
              ¯ 
            </mo> 
           </mover> 
           <mo>
             ′ 
           </mo> 
          </msup> 
          <mo>
            + 
          </mo> 
          <msup> 
           <mi mathvariant="double-struck">
             U 
           </mi> 
           <mo>
             ′ 
           </mo> 
          </msup> 
          <mover accent="true"> 
           <mi mathvariant="double-struck">
             U 
           </mi> 
           <mo>
             ¯ 
           </mo> 
          </mover> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
        <mo>
          = 
        </mo> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
       </mtd> 
      </mtr> 
     </mtable> 
    </math></p>
   <p>after eliminating 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <msup> 
      <mi mathvariant="double-struck">
        U 
      </mi> 
      <mo>
        ″ 
      </mo> 
     </msup> 
    </math> and 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <msup> 
      <mover accent="true"> 
       <mi mathvariant="double-struck">
         U 
       </mi> 
       <mo>
         ¯ 
       </mo> 
      </mover> 
      <mo>
        ″ 
      </mo> 
     </msup> 
    </math> based on (6). Note that, due to (5),</p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <msup> 
         <mi mathvariant="double-struck">
           U 
         </mi> 
         <mo>
           ′ 
         </mo> 
        </msup> 
        <msup> 
         <mover accent="true"> 
          <mi mathvariant="double-struck">
            U 
          </mi> 
          <mo>
            ¯ 
          </mo> 
         </mover> 
         <mo>
           ′ 
         </mo> 
        </msup> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
        <mi>
          a 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
      </mfrac> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
        <mi>
          a 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mi>
         μ 
       </mi> 
      </mfrac> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mfrac> 
         <mrow> 
          <msup> 
           <mi>
             v 
           </mi> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msup> 
         </mrow> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </mfrac> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
        <mfrac> 
         <mi>
           μ 
         </mi> 
         <mi>
           r 
         </mi> 
        </mfrac> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>(7)</p>
   <p>where the expression in parentheses is the total (kinetic and gravitational) energy of the rocket, denoted 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       E 
     </mi> 
    </math> (thus, also a constant of motion). Incidentally, solving 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        E 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        0 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math> yields the following formula for the primary’s escape velocity (to leave its gravitational field, starting at its surface):</p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         V 
       </mi> 
       <mi>
         e 
       </mi> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msqrt> 
       <mrow> 
        <mfrac> 
         <mrow> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
          <mi>
            μ 
          </mi> 
         </mrow> 
         <mi>
           R 
         </mi> 
        </mfrac> 
       </mrow> 
      </msqrt> 
     </mrow> 
    </math>(8)</p>
   <p>where 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       R 
     </mi> 
    </math> is the primary’s radius. Proof: 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       E 
     </mi> 
    </math> becomes zero in the 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        r 
      </mi> 
      <mo>
        → 
      </mo> 
      <mi>
        ∞ 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math> and 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        v 
      </mi> 
      <mo>
        → 
      </mo> 
      <mn>
        0 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math> limit (definition of “escape”); to have the same zero value at the primary’s surface, 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       v 
     </mi> 
    </math> must equal to 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         V 
       </mi> 
       <mi>
         e 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>.</p>
   <p>To find a solution to (6), we need to consider three distinct possibilities, depending on whether the rocket’s initial value of 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       E 
     </mi> 
    </math> is negative (resulting in an elliptical orbit), equals zero (parabolic orbit), or is positive (hyperbolic orbit).</p>
   <sec id="s2_1">
    <title>
     <xref ref-type="bibr" rid="scirp.143978-"></xref>2.1. Elliptical Case</title>
    <p>Assuming that (7) is negative, we can simplify the solution to (6) by choosing 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        a 
      </mi> 
     </math> so that 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <msup> 
          <mi mathvariant="double-struck">
            U 
          </mi> 
          <mo>
            ′ 
          </mo> 
         </msup> 
         <msup> 
          <mover accent="true"> 
           <mi mathvariant="double-struck">
             U 
           </mi> 
           <mo>
             ¯ 
           </mo> 
          </mover> 
          <mo>
            ′ 
          </mo> 
         </msup> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <mi>
           a 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
       </mfrac> 
      </mrow> 
     </math> is equal to −1, i.e.,</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         a 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msup> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mfrac> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <msubsup> 
              <mi>
                v 
              </mi> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msubsup> 
            </mrow> 
            <mi>
              μ 
            </mi> 
           </mfrac> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </mrow> 
       </msup> 
      </mrow> 
     </math>(9)</p>
    <p>where 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          v 
        </mi> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> and 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> are the initial values of 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        v 
      </mi> 
     </math> and 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        r 
      </mi> 
     </math>, respectively.</p>
    <p>The general solution to 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msup> 
        <mi mathvariant="double-struck">
          U 
        </mi> 
        <mo>
          ″ 
        </mo> 
       </msup> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <mi mathvariant="double-struck">
         U 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math> is then given by</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi mathvariant="double-struck">
         U 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mi mathvariant="double-struck">
         A 
       </mi> 
       <mi>
         exp 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mtext>
           i 
         </mtext> 
         <mi>
           s 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mi mathvariant="double-struck">
         B 
       </mi> 
       <mi>
         exp 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mtext>
           i 
         </mtext> 
         <mi>
           s 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>(10)</p>
    <p>where 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi mathvariant="double-struck">
        A 
      </mi> 
     </math> and 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi mathvariant="double-struck">
        B 
      </mi> 
     </math> are complex numbers. To find their values, we need the rocket’s initial position 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           r 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> and velocity 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           v 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math>. Using zero as the initial value of 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        s 
      </mi> 
     </math>, solving for these coefficients is then quite routine (note that 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           v 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> needs to be multiplied by the initial value of the RHS of (3) to convert it from ordinary velocity 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </mstyle> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <mi>
           t 
         </mi> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
      </mrow> 
     </math> to 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </mstyle> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <mi>
           s 
         </mi> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
       <mi mathvariant="double-struck">
         U 
       </mi> 
       <msup> 
        <mi mathvariant="double-struck">
          U 
        </mi> 
        <mo>
          ′ 
        </mo> 
       </msup> 
      </mrow> 
     </math>). The resulting equations then read</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi mathvariant="double-struck">
         A 
       </mi> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mi mathvariant="double-struck">
         B 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msqrt> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
           <mi>
             r 
           </mi> 
          </mstyle> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
       </msqrt> 
      </mrow> 
     </math>(11)</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi mathvariant="double-struck">
         A 
       </mi> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <mi mathvariant="double-struck">
         B 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold"> 
           <mi>
             v 
           </mi> 
          </mstyle> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
         <mover accent="true"> 
          <mrow> 
           <msqrt> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold"> 
               <mi>
                 r 
               </mi> 
              </mstyle> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msqrt> 
          </mrow> 
          <mo stretchy="true">
            ¯ 
          </mo> 
         </mover> 
        </mrow> 
        <mtext>
          i 
        </mtext> 
       </mfrac> 
       <msqrt> 
        <mrow> 
         <mfrac> 
          <mi>
            a 
          </mi> 
          <mi>
            μ 
          </mi> 
         </mfrac> 
        </mrow> 
       </msqrt> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mtext>
         i 
       </mtext> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold"> 
           <mi>
             v 
           </mi> 
          </mstyle> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            v 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <mover accent="true"> 
        <mrow> 
         <msqrt> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold"> 
             <mi>
               r 
             </mi> 
            </mstyle> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </msqrt> 
        </mrow> 
        <mo stretchy="true">
          ¯ 
        </mo> 
       </mover> 
       <msqrt> 
        <mrow> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
           <mi>
             a 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </mrow> 
       </msqrt> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>where we have replaced 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msqrt> 
        <mrow> 
         <mfrac> 
          <mi>
            a 
          </mi> 
          <mi>
            μ 
          </mi> 
         </mfrac> 
        </mrow> 
       </msqrt> 
      </mrow> 
     </math> in (3) by 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mfrac> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            v 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <msqrt> 
        <mrow> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
           <mi>
             a 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </mrow> 
       </msqrt> 
      </mrow> 
     </math>, utilizing (7) being equal to −1.</p>
    <p>The last two equations are easily solved for 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi mathvariant="double-struck">
        A 
      </mi> 
     </math> and 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi mathvariant="double-struck">
        B 
      </mi> 
     </math>; note that we can choose either sign of 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msqrt> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
           <mi>
             r 
           </mi> 
          </mstyle> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
       </msqrt> 
      </mrow> 
     </math>. Using (2) and the first two lines of (4), we can then compute the location and velocity of the rocket at any future value of 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        s 
      </mi> 
     </math>; to convert 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        s 
      </mi> 
     </math> into actual time 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        t 
      </mi> 
     </math>, we use</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         t 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
       <msqrt> 
        <mrow> 
         <mfrac> 
          <mi>
            a 
          </mi> 
          <mi>
            μ 
          </mi> 
         </mfrac> 
        </mrow> 
       </msqrt> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           a 
         </mi> 
         <mi>
           s 
         </mi> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mtext>
           Im 
         </mtext> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi mathvariant="double-struck">
             A 
           </mi> 
           <mover accent="true"> 
            <mi mathvariant="double-struck">
              B 
            </mi> 
            <mo>
              ¯ 
            </mo> 
           </mover> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mtext>
               exp 
             </mtext> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mn>
                 2 
               </mn> 
               <mtext>
                 i 
               </mtext> 
               <mi>
                 s 
               </mi> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>(12)</p>
    <p>assuming 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          t 
        </mi> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>.</p>
    <p>The technique is sufficient for the purpose of this article.</p>
    <p>Orbital elements (optional) Nevertheless, to prove that the resulting trajectory is an ellipse <xref ref-type="bibr" rid="scirp.143978-8">
      [8]
     </xref>, and to make contact with the usual description of this kind of motion, we express 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi mathvariant="double-struck">
        A 
      </mi> 
     </math> in its polar form of 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         A 
       </mi> 
       <mi>
         exp 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mtext>
           i 
         </mtext> 
         <mi>
           α 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>, and 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi mathvariant="double-struck">
        B 
      </mi> 
     </math> similarly as 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         B 
       </mi> 
       <mi>
         exp 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mtext>
           i 
         </mtext> 
         <mi>
           β 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>, so that (10) now reads</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mi mathvariant="double-struck">
           U 
         </mi> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mi>
           A 
         </mi> 
         <mi>
           exp 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mtext>
             i 
           </mtext> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               s 
             </mi> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mi>
               α 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mi>
           B 
         </mi> 
         <mi>
           exp 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mtext>
             i 
           </mtext> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               s 
             </mi> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mi>
               β 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mi>
           exp 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mtext>
             i 
           </mtext> 
           <mfrac> 
            <mi>
              ψ 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </mfrac> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             A 
           </mi> 
           <mi>
             exp 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mtext>
               i 
             </mtext> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mi>
                 s 
               </mi> 
               <mo>
                 − 
               </mo> 
               <msub> 
                <mi>
                  s 
                </mi> 
                <mi>
                  p 
                </mi> 
               </msub> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mi>
             B 
           </mi> 
           <mi>
             exp 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mtext>
               i 
             </mtext> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mi>
                 s 
               </mi> 
               <mo>
                 − 
               </mo> 
               <msub> 
                <mi>
                  s 
                </mi> 
                <mi>
                  p 
                </mi> 
               </msub> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mtd> 
       </mtr> 
      </mtable> 
     </math></p>
    <p>where 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          s 
        </mi> 
        <mi>
          p 
        </mi> 
       </msub> 
       <mo>
         : 
       </mo> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <mi>
           α 
         </mi> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mi>
           β 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </mfrac> 
      </mrow> 
     </math> is the value of 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        s 
      </mi> 
     </math> at the trajectory’s pericenter <xref ref-type="bibr" rid="scirp.143978-1">
      [1]
     </xref>, and 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         ψ 
       </mi> 
       <mo>
         : 
       </mo> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mi>
         β 
       </mi> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mi>
         α 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math>.</p>
    <p>Note that 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <msup> 
          <mi mathvariant="double-struck">
            U 
          </mi> 
          <mo>
            ′ 
          </mo> 
         </msup> 
         <msup> 
          <mover accent="true"> 
           <mi mathvariant="double-struck">
             U 
           </mi> 
           <mo>
             ¯ 
           </mo> 
          </mover> 
          <mo>
            ′ 
          </mo> 
         </msup> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <mi>
           a 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
       </mfrac> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math> then yields</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <mi>
           a 
         </mi> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <msup> 
          <mi>
            A 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msup> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <msup> 
          <mi>
            B 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msup> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <mi>
           A 
         </mi> 
         <mi>
           B 
         </mi> 
         <mi>
           cos 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               s 
             </mi> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                s 
              </mi> 
              <mi>
                p 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <msup> 
          <mi>
            A 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msup> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <msup> 
          <mi>
            B 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msup> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <mi>
           A 
         </mi> 
         <mi>
           B 
         </mi> 
         <mi>
           cos 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               s 
             </mi> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                s 
              </mi> 
              <mi>
                p 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              A 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <msup> 
            <mi>
              B 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mtd> 
       </mtr> 
      </mtable> 
     </math></p>
    <p>implying that 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         a 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msup> 
        <mi>
          A 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msup> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <msup> 
        <mi>
          B 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msup> 
      </mrow> 
     </math>.</p>
    <p>For the rocket’s location at any future value of 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        s 
      </mi> 
     </math>, we get</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mi>
           exp 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mtext>
             i 
           </mtext> 
           <mi>
             ψ 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              A 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
           <mi>
             exp 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
             <mtext>
               i 
             </mtext> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mi>
                 s 
               </mi> 
               <mo>
                 − 
               </mo> 
               <msub> 
                <mi>
                  s 
                </mi> 
                <mi>
                  p 
                </mi> 
               </msub> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <msup> 
            <mi>
              B 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
           <mi>
             exp 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
             <mtext>
               i 
             </mtext> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mi>
                 s 
               </mi> 
               <mo>
                 − 
               </mo> 
               <msub> 
                <mi>
                  s 
                </mi> 
                <mi>
                  p 
                </mi> 
               </msub> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
           <mi>
             A 
           </mi> 
           <mi>
             B 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mi>
           exp 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mtext>
             i 
           </mtext> 
           <mi>
             ψ 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              A 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <msup> 
            <mi>
              B 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             cos 
           </mi> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               s 
             </mi> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                s 
              </mi> 
              <mi>
                p 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <mtext>
             i 
           </mtext> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mi>
                A 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <msup> 
              <mi>
                B 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mi>
                A 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
             <mo>
               + 
             </mo> 
             <msup> 
              <mi>
                B 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
           <mi>
             sin 
           </mi> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               s 
             </mi> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                s 
              </mi> 
              <mi>
                p 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
             <mi>
               A 
             </mi> 
             <mi>
               B 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mi>
                A 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
             <mo>
               + 
             </mo> 
             <msup> 
              <mi>
                B 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mtd> 
       </mtr> 
      </mtable> 
     </math>(13)</p>
    <p>This confirms that the actual path is an ellipse with the length of its semi-major axis <xref ref-type="bibr" rid="scirp.143978-1">
      [1]
     </xref> equal to 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         a 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msup> 
        <mi>
          A 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msup> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <msup> 
        <mi>
          B 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msup> 
      </mrow> 
     </math>, its eccentricity equal to 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         ε 
       </mi> 
       <mo>
         : 
       </mo> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <mi>
           A 
         </mi> 
         <mi>
           B 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <msup> 
          <mi>
            A 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msup> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <msup> 
          <mi>
            B 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msup> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
      </mrow> 
     </math> and one (the rightmost) of its foci at the origin (where the primary’s center is) further rotated (around the origin) by angle 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        ψ 
      </mi> 
     </math>; these are the usual orbital elements.</p>
    <p>Proof: ignoring the 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mtext>
         exp 
       </mtext> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mtext>
           i 
         </mtext> 
         <mi>
           ψ 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> rotation, the magnitude of the remaining expression (i.e., distance to the origin) is 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msup> 
          <mi>
            A 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msup> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <msup> 
          <mi>
            B 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msup> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mi>
           A 
         </mi> 
         <mi>
           B 
         </mi> 
         <mi>
           cos 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             s 
           </mi> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              s 
            </mi> 
            <mi>
              p 
            </mi> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>, while the distance to the second focus (located at 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mn>
         4 
       </mn> 
       <mi>
         A 
       </mi> 
       <mi>
         B 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math>) is 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msup> 
          <mi>
            A 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msup> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <msup> 
          <mi>
            B 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msup> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mi>
           A 
         </mi> 
         <mi>
           B 
         </mi> 
         <mi>
           cos 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             s 
           </mi> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              s 
            </mi> 
            <mi>
              p 
            </mi> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>; the sum of the two distances is 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msup> 
          <mi>
            A 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msup> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <msup> 
          <mi>
            B 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msup> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>, which is the usual way of describing an ellipse.</p>
    <p>We can also compute the velocity of the rocket at the modified time 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        s 
      </mi> 
     </math> by</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          v 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mtext>
         i 
       </mtext> 
       <msqrt> 
        <mrow> 
         <mfrac> 
          <mi>
            μ 
          </mi> 
          <mi>
            a 
          </mi> 
         </mfrac> 
        </mrow> 
       </msqrt> 
       <mi>
         exp 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           i 
         </mi> 
         <mi>
           ψ 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <msup> 
          <mi>
            A 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msup> 
         <mi>
           exp 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
           <mtext>
             i 
           </mtext> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               s 
             </mi> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                s 
              </mi> 
              <mi>
                p 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <msup> 
          <mi>
            B 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msup> 
         <mi>
           exp 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
           <mtext>
             i 
           </mtext> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               s 
             </mi> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                s 
              </mi> 
              <mi>
                p 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <msup> 
          <mi>
            A 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msup> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <msup> 
          <mi>
            B 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msup> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <mi>
           A 
         </mi> 
         <mi>
           B 
         </mi> 
         <mi>
           cos 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             s 
           </mi> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              s 
            </mi> 
            <mi>
              p 
            </mi> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>To convert 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        s 
      </mi> 
     </math> to actual time 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        t 
      </mi> 
     </math>, we integrate (3), getting</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mi>
           t 
         </mi> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <msqrt> 
          <mrow> 
           <mfrac> 
            <mi>
              a 
            </mi> 
            <mi>
              μ 
            </mi> 
           </mfrac> 
          </mrow> 
         </msqrt> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <mo>
             ∫ 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <msup> 
               <mi>
                 A 
               </mi> 
               <mn>
                 2 
               </mn> 
              </msup> 
              <mo>
                + 
              </mo> 
              <msup> 
               <mi>
                 B 
               </mi> 
               <mn>
                 2 
               </mn> 
              </msup> 
              <mo>
                − 
              </mo> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
              <mi>
                A 
              </mi> 
              <mi>
                B 
              </mi> 
              <mi>
                cos 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ( 
               </mo> 
               <mrow> 
                <mi>
                  s 
                </mi> 
                <mo>
                  − 
                </mo> 
                <msub> 
                 <mi>
                   s 
                 </mi> 
                 <mi>
                   o 
                 </mi> 
                </msub> 
               </mrow> 
               <mo>
                 ) 
               </mo> 
              </mrow> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              s 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <msqrt> 
          <mrow> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mi>
                a 
              </mi> 
              <mn>
                3 
              </mn> 
             </msup> 
            </mrow> 
            <mi>
              μ 
            </mi> 
           </mfrac> 
          </mrow> 
         </msqrt> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
           <mi>
             s 
           </mi> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mi>
             ε 
           </mi> 
           <mi>
             sin 
           </mi> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               s 
             </mi> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                s 
              </mi> 
              <mi>
                p 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mi>
             ε 
           </mi> 
           <mi>
             sin 
           </mi> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
           <msub> 
            <mi>
              s 
            </mi> 
            <mi>
              p 
            </mi> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mtd> 
       </mtr> 
      </mtable> 
     </math></p>
    <p>assuming the initial value of 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        t 
      </mi> 
     </math> is also set to zero.</p>
    <p>Note that when 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        s 
      </mi> 
     </math> advances by π, the rocket returns to its original location; this implies that 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         T 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
       <mi>
         π 
       </mi> 
       <msqrt> 
        <mrow> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              a 
            </mi> 
            <mn>
              3 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
          <mi>
            μ 
          </mi> 
         </mfrac> 
        </mrow> 
       </msqrt> 
      </mrow> 
     </math> is the time it takes the rocket to complete a full orbit.</p>
    <p>Also note that, when 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         B 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>, the motion is circular, when 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         A 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mi>
         B 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math>, it becomes rectilinear (running directly towards or away from the Sun), and when 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         B 
       </mi> 
       <mo>
         &gt; 
       </mo> 
       <mi>
         A 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math>, the rocket then orbits the primary in the retrograde (clockwise) direction.</p>
   </sec>
   <sec id="s2_2">
    <title>
     <xref ref-type="bibr" rid="scirp.143978-"></xref>2.2. Parabolic Case</title>
    <p>When (7) is equal to zero, the value of 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        a 
      </mi> 
     </math> no longer affects the equation; we make it equal to 1/2 to simplify the solution. Solving 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msup> 
        <mi mathvariant="double-struck">
          U 
        </mi> 
        <mo>
          ″ 
        </mo> 
       </msup> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math> results in</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi mathvariant="double-struck">
         U 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mi mathvariant="double-struck">
         A 
       </mi> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <mi mathvariant="double-struck">
         B 
       </mi> 
       <mi>
         s 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>Starting at a specific initial location 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           r 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> requires that 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi mathvariant="double-struck">
         A 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mo>
         : 
       </mo> 
       <mi>
         A 
       </mi> 
       <mi>
         exp 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mtext>
           i 
         </mtext> 
         <mi>
           α 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msqrt> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
           <mi>
             r 
           </mi> 
          </mstyle> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
       </msqrt> 
      </mrow> 
     </math>; to make the initial velocity equal to 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           v 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math>, we also need</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <mi mathvariant="double-struck">
           U 
         </mi> 
         <msup> 
          <mi mathvariant="double-struck">
            U 
          </mi> 
          <mo>
            ′ 
          </mo> 
         </msup> 
        </mrow> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
       </mfrac> 
       <msqrt> 
        <mrow> 
         <mfrac> 
          <mi>
            μ 
          </mi> 
          <mi>
            a 
          </mi> 
         </mfrac> 
        </mrow> 
       </msqrt> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mi mathvariant="double-struck">
          B 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mi>
           A 
         </mi> 
         <mi>
           exp 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mtext>
             i 
           </mtext> 
           <mi>
             α 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <msqrt> 
        <mrow> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <mi>
           μ 
         </mi> 
        </mrow> 
       </msqrt> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           v 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>Since (7) is equal to 0, the magnitude of 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           v 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> must equal to 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         A 
       </mi> 
       <msqrt> 
        <mrow> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <mi>
           μ 
         </mi> 
        </mrow> 
       </msqrt> 
      </mrow> 
     </math>, implying that 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          | 
        </mo> 
        <mi mathvariant="double-struck">
          B 
        </mi> 
        <mo>
          | 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>. By choosing 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi mathvariant="double-struck">
         B 
       </mi> 
       <mo>
         : 
       </mo> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mtext>
         i 
       </mtext> 
       <mi>
         exp 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mtext>
           i 
         </mtext> 
         <mi>
           β 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>, the previous equation can be easily solved for 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        β 
      </mi> 
     </math>.</p>
    <p>Orbital elements (optional) The solution can be expressed in the following form</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi mathvariant="double-struck">
         U 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mtext>
         exp 
       </mtext> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mtext>
           i 
         </mtext> 
         <mi>
           β 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           A 
         </mi> 
         <mi>
           cos 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             α 
           </mi> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <mi>
             β 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mtext>
           i 
         </mtext> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             s 
           </mi> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              s 
            </mi> 
            <mi>
              v 
            </mi> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>where 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          s 
        </mi> 
        <mi>
          v 
        </mi> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mi>
         A 
       </mi> 
       <mi>
         sin 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           α 
         </mi> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mi>
           β 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> is the value of 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        s 
      </mi> 
     </math> at the closest (to primary) approach (i.e., the path’s vertex).</p>
    <p>The resulting trajectory is then</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mi>
         exp 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <mtext>
           i 
         </mtext> 
         <mi>
           β 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msup> 
          <mi>
            A 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msup> 
         <msup> 
          <mrow> 
           <mi>
             cos 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msup> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             α 
           </mi> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <mi>
             β 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <mi>
           A 
         </mi> 
         <mtext>
           i 
         </mtext> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             s 
           </mi> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              s 
            </mi> 
            <mi>
              v 
            </mi> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mi>
           cos 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             α 
           </mi> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <mi>
             β 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <msup> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               s 
             </mi> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                s 
              </mi> 
              <mi>
                v 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msup> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>which is a parabola <xref ref-type="bibr" rid="scirp.143978-9">
      [9]
     </xref> with its focus at the origin and its vertex at 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msup> 
        <mi>
          A 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msup> 
       <msup> 
        <mrow> 
         <mi>
           sin 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msup> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           α 
         </mi> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mi>
           β 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>, further rotated by 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
       <mi>
         β 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math>. To prove this, we show that the distance to the origin, namely</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msup> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             s 
           </mi> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              s 
            </mi> 
            <mi>
              v 
            </mi> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msup> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <msup> 
        <mi>
          A 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msup> 
       <msup> 
        <mrow> 
         <mi>
           cos 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msup> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           α 
         </mi> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mi>
           β 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>is the same as the pre-rotation distance from 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
      </mstyle> 
     </math> to the directrix, namely a vertical line with its 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        x 
      </mi> 
     </math> coordinate equal to 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
       <msup> 
        <mi>
          A 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msup> 
       <msup> 
        <mrow> 
         <mi>
           cos 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msup> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           α 
         </mi> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mi>
           β 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>, as can be easily verified.</p>
    <p>This time</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         t 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msqrt> 
        <mrow> 
         <mfrac> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
          <mi>
            μ 
          </mi> 
         </mfrac> 
        </mrow> 
       </msqrt> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              s 
            </mi> 
            <mn>
              3 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
          <mn>
            3 
          </mn> 
         </mfrac> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            s 
          </mi> 
          <mi>
            v 
          </mi> 
         </msub> 
         <msup> 
          <mi>
            s 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msup> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              A 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
           <msup> 
            <mrow> 
             <mi>
               cos 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               α 
             </mi> 
             <mo>
               + 
             </mo> 
             <mi>
               β 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <msubsup> 
            <mi>
              s 
            </mi> 
            <mi>
              v 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msubsup> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mi>
           s 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>When 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mtext>
         cos 
       </mtext> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           α 
         </mi> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mi>
           β 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         &lt; 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>, the motion is retrograde.</p>
   </sec>
   <sec id="s2_3">
    <title>
     <xref ref-type="bibr" rid="scirp.143978-"></xref>2.3. Hyperbolic Case</title>
    <p>Finally, when (7) is positive, we choose the value of 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        a 
      </mi> 
     </math> so that 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <msup> 
          <mi mathvariant="double-struck">
            U 
          </mi> 
          <mo>
            ′ 
          </mo> 
         </msup> 
         <msup> 
          <mover accent="true"> 
           <mi mathvariant="double-struck">
             U 
           </mi> 
           <mo>
             ¯ 
           </mo> 
          </mover> 
          <mo>
            ′ 
          </mo> 
         </msup> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <mi>
           a 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
       </mfrac> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math> and (6) thus reads 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msup> 
        <mi mathvariant="double-struck">
          U 
        </mi> 
        <mo>
          ″ 
        </mo> 
       </msup> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mi mathvariant="double-struck">
         U 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>; its general solution is</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi mathvariant="double-struck">
         U 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mi mathvariant="double-struck">
         A 
       </mi> 
       <mi>
         exp 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mi>
          s 
        </mi> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <mi mathvariant="double-struck">
         B 
       </mi> 
       <mi>
         exp 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mi>
           s 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>where</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi mathvariant="double-struck">
         A 
       </mi> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <mi mathvariant="double-struck">
         B 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msqrt> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
           <mi>
             r 
           </mi> 
          </mstyle> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
       </msqrt> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi mathvariant="double-struck">
         A 
       </mi> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mi mathvariant="double-struck">
         B 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
           <mi>
             v 
           </mi> 
          </mstyle> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
         <msub> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <msqrt> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
             <mi>
               r 
             </mi> 
            </mstyle> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </msqrt> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <msqrt> 
        <mrow> 
         <mfrac> 
          <mi>
            a 
          </mi> 
          <mi>
            μ 
          </mi> 
         </mfrac> 
        </mrow> 
       </msqrt> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
           <mi>
             v 
           </mi> 
          </mstyle> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            v 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <mover accent="true"> 
        <mrow> 
         <msqrt> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
             <mi>
               r 
             </mi> 
            </mstyle> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </msqrt> 
        </mrow> 
        <mo stretchy="true">
          ¯ 
        </mo> 
       </mover> 
       <msqrt> 
        <mrow> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
           <mi>
             a 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </mrow> 
       </msqrt> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>with</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         a 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mi>
          μ 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <msub> 
          <mi>
            E 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>based on the initial value of (7).</p>
    <p>Using (2) and (4), we can then easily compute the location and velocity of the rocket at any future value of 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         s 
       </mi> 
       <mo>
         ; 
       </mo> 
      </mrow> 
     </math> the following expression converts this value into the corresponding real time 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        t 
      </mi> 
     </math> (assuming that its initial value is also 0)</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         t 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msqrt> 
        <mrow> 
         <mfrac> 
          <mi>
            a 
          </mi> 
          <mi>
            μ 
          </mi> 
         </mfrac> 
        </mrow> 
       </msqrt> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msup> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              | 
            </mo> 
            <mi mathvariant="double-struck">
              A 
            </mi> 
            <mo>
              | 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msup> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             exp 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
             <mi>
               s 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <msup> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              | 
            </mo> 
            <mi mathvariant="double-struck">
              B 
            </mi> 
            <mo>
              | 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msup> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             exp 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
             <mi>
               s 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mover accent="true"> 
            <mi mathvariant="double-struck">
              A 
            </mi> 
            <mo>
              ¯ 
            </mo> 
           </mover> 
           <mi mathvariant="double-struck">
             B 
           </mi> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <mi mathvariant="double-struck">
             A 
           </mi> 
           <mover accent="true"> 
            <mi mathvariant="double-struck">
              B 
            </mi> 
            <mo>
              ¯ 
            </mo> 
           </mover> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mi>
           s 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>Orbital elements (optional) To show that the resulting trajectory is one branch of a hyperbola <xref ref-type="bibr" rid="scirp.143978-10">
      [10]
     </xref>, we introduce 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi mathvariant="double-struck">
         A 
       </mi> 
       <mo>
         : 
       </mo> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mi>
         A 
       </mi> 
       <mi>
         exp 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mtext>
           i 
         </mtext> 
         <mi>
           α 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> and 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi mathvariant="double-struck">
         B 
       </mi> 
       <mo>
         : 
       </mo> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mi>
         B 
       </mi> 
       <mi>
         exp 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mtext>
           i 
         </mtext> 
         <mi>
           β 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>; this enables us to write</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi mathvariant="double-struck">
         U 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msqrt> 
        <mrow> 
         <mi>
           A 
         </mi> 
         <mi>
           B 
         </mi> 
        </mrow> 
       </msqrt> 
       <mi>
         exp 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mtext>
           i 
         </mtext> 
         <mfrac> 
          <mi>
            ψ 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </mfrac> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           exp 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             s 
           </mi> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              s 
            </mi> 
            <mi>
              v 
            </mi> 
           </msub> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <mtext>
             i 
           </mtext> 
           <mfrac> 
            <mi>
              γ 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </mfrac> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mi>
           exp 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mi>
             s 
           </mi> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              s 
            </mi> 
            <mi>
              v 
            </mi> 
           </msub> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mtext>
             i 
           </mtext> 
           <mfrac> 
            <mi>
              γ 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </mfrac> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>(14)</p>
    <p>where 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         γ 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mi>
         α 
       </mi> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <mi>
         β 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math>, 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         ψ 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mi>
         α 
       </mi> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mi>
         β 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math> and 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          s 
        </mi> 
        <mi>
          v 
        </mi> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mtext>
         ln 
       </mtext> 
       <msqrt> 
        <mrow> 
         <mfrac> 
          <mi>
            B 
          </mi> 
          <mi>
            A 
          </mi> 
         </mfrac> 
        </mrow> 
       </msqrt> 
      </mrow> 
     </math> is the value of 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        s 
      </mi> 
     </math> at the hyperbola’s vertex.</p>
    <p>Based on 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <msup> 
          <mi mathvariant="double-struck">
            U 
          </mi> 
          <mo>
            ′ 
          </mo> 
         </msup> 
         <msup> 
          <mover accent="true"> 
           <mi mathvariant="double-struck">
             U 
           </mi> 
           <mo>
             ¯ 
           </mo> 
          </mover> 
          <mo>
            ′ 
          </mo> 
         </msup> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <mi>
           a 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
       </mfrac> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>, we get</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <mi>
           a 
         </mi> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mi>
           A 
         </mi> 
         <mi>
           B 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             exp 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mi>
                 s 
               </mi> 
               <mo>
                 − 
               </mo> 
               <msub> 
                <mi>
                  s 
                </mi> 
                <mi>
                  v 
                </mi> 
               </msub> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <mi>
             exp 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mi>
                 s 
               </mi> 
               <mo>
                 − 
               </mo> 
               <msub> 
                <mi>
                  s 
                </mi> 
                <mi>
                  v 
                </mi> 
               </msub> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
           <mi>
             cos 
           </mi> 
           <mi>
             γ 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mi>
           A 
         </mi> 
         <mi>
           B 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             exp 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mi>
                 s 
               </mi> 
               <mo>
                 − 
               </mo> 
               <msub> 
                <mi>
                  s 
                </mi> 
                <mi>
                  v 
                </mi> 
               </msub> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <mi>
             exp 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mi>
                 s 
               </mi> 
               <mo>
                 − 
               </mo> 
               <msub> 
                <mi>
                  s 
                </mi> 
                <mi>
                  v 
                </mi> 
               </msub> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
           <mi>
             cos 
           </mi> 
           <mi>
             γ 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mn>
           4 
         </mn> 
         <mi>
           A 
         </mi> 
         <mi>
           B 
         </mi> 
         <mi>
           cos 
         </mi> 
         <mi>
           γ 
         </mi> 
        </mtd> 
       </mtr> 
      </mtable> 
     </math></p>
    <p>implying that 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         a 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mi>
         A 
       </mi> 
       <mi>
         B 
       </mi> 
       <mi>
         cos 
       </mi> 
       <mi>
         γ 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math>.</p>
    <p>(14) further implies that</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mi>
         exp 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mtext>
           i 
         </mtext> 
         <mi>
           ψ 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mi>
         A 
       </mi> 
       <mi>
         B 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mi>
           exp 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mtext>
             i 
           </mtext> 
           <mi>
             γ 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <msup> 
          <mtext>
            e 
          </mtext> 
          <mrow> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               s 
             </mi> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                s 
              </mi> 
              <mi>
                v 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </msup> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mi>
           exp 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mtext>
             i 
           </mtext> 
           <mi>
             γ 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <msup> 
          <mtext>
            e 
          </mtext> 
          <mrow> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               s 
             </mi> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                s 
              </mi> 
              <mi>
                v 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </msup> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>which represents the left branch of a hyperbola with its focus at the origin, its vertex at 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
       <mi>
         A 
       </mi> 
       <mi>
         B 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mi>
           cos 
         </mi> 
         <mi>
           γ 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>, its center at 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
       <mi>
         A 
       </mi> 
       <mi>
         B 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math>, and two asymptotes going through the center at angles 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mo>
         ± 
       </mo> 
       <mi>
         γ 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math>, further rotated by 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        ψ 
      </mi> 
     </math>. This can be shown by comparing 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mi>
         A 
       </mi> 
       <mi>
         B 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           exp 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               s 
             </mi> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                s 
              </mi> 
              <mi>
                v 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mi>
           exp 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               s 
             </mi> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                s 
              </mi> 
              <mi>
                v 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <mi>
           cos 
         </mi> 
         <mi>
           γ 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> with the pre-rotational distance of 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
      </mstyle> 
     </math> to the second focus at 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mn>
         4 
       </mn> 
       <mi>
         A 
       </mi> 
       <mi>
         B 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math>, which turns out to be 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         A 
       </mi> 
       <mi>
         B 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           exp 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               s 
             </mi> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                s 
              </mi> 
              <mi>
                v 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mi>
           exp 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               s 
             </mi> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                s 
              </mi> 
              <mi>
                v 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <mi>
           cos 
         </mi> 
         <mi>
           γ 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>; the constant difference, namely 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mn>
         4 
       </mn> 
       <mi>
         A 
       </mi> 
       <mi>
         B 
       </mi> 
       <mi>
         cos 
       </mi> 
       <mi>
         γ 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math>, then yields 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
       <mi>
         a 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math> (where 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        a 
      </mi> 
     </math> now represents the apex-to-center distance). Note that 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mtext>
         cos 
       </mtext> 
       <mi>
         γ 
       </mi> 
       <mo>
         &lt; 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math> as 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        γ 
      </mi> 
     </math> must be within the 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mrow> 
        <mi>
          π 
        </mi> 
        <mo>
          / 
        </mo> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> and 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        π 
      </mi> 
     </math> range; the lower limit results in only a small deviation from the rocket’s original direction, while, at the upper limit, its direction is nearly reversed. When 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         π 
       </mi> 
       <mo>
         &lt; 
       </mo> 
       <mi>
         γ 
       </mi> 
       <mo>
         &lt; 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mn>
           3 
         </mn> 
         <mi>
           π 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          / 
        </mo> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>, the motion becomes retrograde (note that 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        γ 
      </mi> 
     </math> is measured from the 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <mi>
         x 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math> axis).</p>
   </sec>
  </sec><sec id="s3">
   <title>
    <xref ref-type="bibr" rid="scirp.143978-"></xref>3. Transfer Orbits</title>
   <p>Let us consider two planets, each moving in a circular orbit around a central Sun of gravitational mass 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        μ 
      </mi> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
     </mrow> 
    </math> both of their orbits being in the same plane (this simplification is sufficient to demonstrate the main features of space travel). We want to study the motion of a rocket sent from the mother planet (Earth) to land on the target planet (we will use Mars as its generic name). Leaving Earth requires attaining the corresponding escape velocity (a major part of fuel consumption) to enable the rocket to break free from (and further ignore) Earth’s gravity, but not gain any additional speed; after that, the rocket needs an extra (practically instantaneous) velocity boost to put it in a transfer orbit <xref ref-type="bibr" rid="scirp.143978-1">
     [1]
    </xref>, capable of reaching the target orbit of Mars. Once done, the rocket keeps on coasting under the influence of the Sun’s gravity until it crosses Mars’ orbit. It then needs to modify its velocity again to match Mars’ velocity at the point of this encounter (assuming that leaving Earth has been carefully synchronized with the motion of Mars to achieve such a rendezvous). Once the velocities match, the rocket can execute a landing maneuver, with a fuel cost given by Mars’ escape velocity. Knowing that total fuel consumption is determined by the sum of all required velocity changes enables us to compare different transfer orbits in terms of their fuel efficiency; this is done in a subsequent example.</p>
   <sec id="s3_1">
    <title>
     <xref ref-type="bibr" rid="scirp.143978-"></xref>3.1. Elliptical Case</title>
    <p>It can be shown that, to maximize an increase in total energy and thus enable it to reach higher planetary orbits, the extra velocity imparted to the rocket upon leaving Earth must be in the direction of the Earth’s own motion; the resulting orbit is called tangential. Denoting the total (Earth-inherited plus the extra boost) speed by 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        V 
      </mi> 
     </math>, the radius of Earth’s orbit by 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          a 
        </mi> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> and the radius of the target orbit by 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          a 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> (do not forget: both are assumed to be circular), our first task is to establish when and at what point will the rocket reach the target orbit.</p>
    <p>Placing the Sun at the origin of our coordinates and orienting the 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        x 
      </mi> 
     </math> axis so that the rocket’s initial location is 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          a 
        </mi> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> (real and positive), and its initial velocity 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           v 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> equals 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mtext>
         i 
       </mtext> 
       <mi>
         V 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math> (thus tangential to Earth’s orbit), we can routinely compute the transfer orbit’s 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        a 
      </mi> 
     </math> value, based on (9), by</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         a 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msup> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mfrac> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                a 
              </mi> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mi>
                V 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
            </mrow> 
            <mi>
              μ 
            </mi> 
           </mfrac> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </mrow> 
       </msup> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>and construct the corresponding solution 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi mathvariant="double-struck">
        U 
      </mi> 
     </math>. In this section, we assume that 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         V 
       </mi> 
       <mo>
         &lt; 
       </mo> 
       <msqrt> 
        <mrow> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
           <mi>
             μ 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              a 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
        </mrow> 
       </msqrt> 
      </mrow> 
     </math>, making the orbit elliptical; for larger velocities, the transfer orbit becomes hyperbolic (to be dealt with next). We also need to verify that 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         a 
       </mi> 
       <mo>
         ≥ 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            a 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            a 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </mfrac> 
      </mrow> 
     </math>, otherwise, the resulting trajectory never reaches the target orbit.</p>
    <p>Deriving the next set of formulas is quite routine; we skip the details.</p>
    <p>First, we get</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi mathvariant="double-struck">
         U 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msqrt> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            a 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
       </msqrt> 
       <mi>
         cos 
       </mi> 
       <mi>
         s 
       </mi> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <mtext>
         i 
       </mtext> 
       <msqrt> 
        <mrow> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <mi>
           a 
         </mi> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            a 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
       </msqrt> 
       <mi>
         sin 
       </mi> 
       <mi>
         s 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>implying that the rocket’s distance from the Sun is</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mi>
         a 
       </mi> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           a 
         </mi> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            a 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mi>
         cos 
       </mi> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
       <mi>
         s 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>The target orbit is reached as soon as 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        r 
      </mi> 
     </math> becomes equal to 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          a 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math>, yielding the following solution for the corresponding value of 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        s 
      </mi> 
     </math> (denoted 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          s 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math>)</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         cos 
       </mi> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
       <msub> 
        <mi>
          s 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <mi>
           a 
         </mi> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            a 
          </mi> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mi>
           a 
         </mi> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            a 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>We already know that this solution exists only when 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         a 
       </mi> 
       <mo>
         ≥ 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            a 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            a 
          </mi> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </mfrac> 
      </mrow> 
     </math>; in the case of exact equality, the solution yields 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
       <msub> 
        <mi>
          s 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mi>
         π 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math> and the target orbit is also reached tangentially (the corresponding transfer orbit is then called cotangential). For this orbit, the initial value 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        V 
      </mi> 
     </math> needs to be equal to</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msqrt> 
        <mrow> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
           <msub> 
            <mi>
              a 
            </mi> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
           </msub> 
           <mi>
             μ 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              a 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                a 
              </mi> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
             </msub> 
             <mo>
               + 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                a 
              </mi> 
              <mn>
                1 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
        </mrow> 
       </msqrt> 
      </mrow> 
     </math>(15)</p>
    <p>while the target orbit is approached with the final speed of</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msqrt> 
        <mrow> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
           <msub> 
            <mi>
              a 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
           <mi>
             μ 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              a 
            </mi> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                a 
              </mi> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
             </msub> 
             <mo>
               + 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                a 
              </mi> 
              <mn>
                1 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
        </mrow> 
       </msqrt> 
      </mrow> 
     </math>(16)</p>
    <p>We now return to a general solution: the location of where the transfer and target orbits intersect is clearly at distance 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          a 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> from the Sun; we thus need only the corresponding polar-coordinate angle (denoted 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        θ 
      </mi> 
     </math>). It is found based on the real component of 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msup> 
        <mi mathvariant="double-struck">
          U 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msup> 
      </mrow> 
     </math> evaluated at 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         s 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          s 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math>, which turns out to be</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          a 
        </mi> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            a 
          </mi> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </msub> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            a 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mi>
           a 
         </mi> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            a 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <mi>
         a 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>The last expression, divided by 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          a 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> provides the value of 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         cos 
       </mi> 
       <mi>
         θ 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math>, and consequently of 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        θ 
      </mi> 
     </math>.</p>
    <p>To establish the rocket’s velocity at this point, we evaluate</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          v 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msqrt> 
        <mrow> 
         <mfrac> 
          <mi>
            μ 
          </mi> 
          <mi>
            a 
          </mi> 
         </mfrac> 
        </mrow> 
       </msqrt> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <mi mathvariant="double-struck">
           U 
         </mi> 
         <msup> 
          <mi mathvariant="double-struck">
            U 
          </mi> 
          <mo>
            ′ 
          </mo> 
         </msup> 
        </mrow> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
       </mfrac> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>at modified time 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          s 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math>, thus getting</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           v 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         : 
       </mo> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msqrt> 
        <mrow> 
         <mfrac> 
          <mi>
            μ 
          </mi> 
          <mi>
            a 
          </mi> 
         </mfrac> 
        </mrow> 
       </msqrt> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mi>
            a 
          </mi> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              a 
            </mi> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
         <mi>
           sin 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <msub> 
          <mi>
            s 
          </mi> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </msub> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mtext>
           i 
         </mtext> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <msqrt> 
            <mrow> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mn>
                 2 
               </mn> 
               <mi>
                 a 
               </mi> 
               <mo>
                 − 
               </mo> 
               <msub> 
                <mi>
                  a 
                </mi> 
                <mn>
                  0 
                </mn> 
               </msub> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                a 
              </mi> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msqrt> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              a 
            </mi> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
         <mi>
           cos 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <msub> 
          <mi>
            s 
          </mi> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>And finally, the real time of the same event (setting the initial value of time to 0) is given by</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         t 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msqrt> 
        <mrow> 
         <mfrac> 
          <mi>
            a 
          </mi> 
          <mi>
            μ 
          </mi> 
         </mfrac> 
        </mrow> 
       </msqrt> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <mi>
           a 
         </mi> 
         <msub> 
          <mi>
            s 
          </mi> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </msub> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             a 
           </mi> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              a 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mi>
           sin 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <msub> 
          <mi>
            s 
          </mi> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>Note that the velocity of the target planet (to be encountered at that location) is</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           v 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         : 
       </mo> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mtext>
         i 
       </mtext> 
       <msqrt> 
        <mrow> 
         <mfrac> 
          <mi>
            μ 
          </mi> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              a 
            </mi> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
        </mrow> 
       </msqrt> 
       <mi>
         exp 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mtext>
           i 
         </mtext> 
         <mi>
           θ 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>As mentioned already, the rocket now needs to use its engines to reduce the difference between the last two velocities to zero before it can land safely on the target planet.</p>
    <p>Example The value of Sun’s gravitational mass 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        μ 
      </mi> 
     </math> is, to a sufficient approximation, equal to 1.33 × 10<sup>20</sup> meter<sup>3</sup>/second<sup>2</sup>; to simplify our notation, we make 10<sup>10</sup> meters our unit of distance, and 10<sup>6</sup> seconds (about 11.6 days) our unit of time, implying that 10 km/sec is our velocity unit.</p>
    <p>Let us now explore transfer orbits taking a rocket from Earth to Mars; the Sun’s 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        μ 
      </mi> 
     </math> then equals 133 units, and the distance of Earth (Mars) from the Sun is 15 (22.5) units (the final reminder: both orbits are assumed to be circular and in the same plane). The two escape velocities (to leave Earth and to land on Mars; both are major contributors to fuel consumption) are 1.12 and 0.50 units, respectively (same for all transfer orbits). For simplicity (and maximum efficiency), we keep the initial velocity 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           v 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> (after adding an extra boost 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mtext>
         Δ 
       </mtext> 
       <msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           v 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> to its Earth-inherited value) tangential to the Earth’s orbit.</p>
    <p>In the following table, we vary the 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        a 
      </mi> 
     </math> value of the (always elliptic, by our choice) transfer orbit, from the smallest (cotangential), up to its 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         a 
       </mi> 
       <mo>
         → 
       </mo> 
       <mi>
         ∞ 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math> limit (effectively parabolic), while quoting the corresponding magnitude of the change in velocity needed at each end of the journey (after escaping Earth’s gravity and before landing on Mars), the total travel time 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        t 
      </mi> 
     </math>, and the location of the actual arrival (in terms of 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        θ 
      </mi> 
     </math>).</p>
    <table class="MsoTableGrid custom-table" border="0" cellspacing="0" cellpadding="0"> 
     <tr> 
      <td class="custom-bottom-td custom-right-td acenter" width="20.10%"><p style="text-align:center"> 
        <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
          <mfrac> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
           <mi>
             a 
           </mi> 
          </mfrac> 
         </mrow> 
        </math></p></td> 
      <td class="custom-bottom-td custom-left-td acenter" width="16.82%"><p style="text-align:center"> 
        <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
          <mfrac> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
           <mrow> 
            <msub> 
             <mi>
               a 
             </mi> 
             <mn>
               0 
             </mn> 
            </msub> 
            <mo>
              + 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               a 
             </mi> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
            </msub> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
         </mrow> 
        </math></p></td> 
      <td class="custom-bottom-td acenter" width="16.82%"><p style="text-align:center"> 
        <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <mn>
              1.5 
            </mn> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <msub> 
             <mi>
               a 
             </mi> 
             <mn>
               0 
             </mn> 
            </msub> 
            <mo>
              + 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               a 
             </mi> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
            </msub> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
         </mrow> 
        </math></p></td> 
      <td class="custom-bottom-td acenter" width="16.83%"><p style="text-align:center"> 
        <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
          <mfrac> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
           <mrow> 
            <msub> 
             <mi>
               a 
             </mi> 
             <mn>
               0 
             </mn> 
            </msub> 
            <mo>
              + 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               a 
             </mi> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
            </msub> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
         </mrow> 
        </math></p></td> 
      <td class="custom-bottom-td acenter" width="16.83%"><p style="text-align:center"> 
        <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <mn>
              0.5 
            </mn> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <msub> 
             <mi>
               a 
             </mi> 
             <mn>
               0 
             </mn> 
            </msub> 
            <mo>
              + 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               a 
             </mi> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
            </msub> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
         </mrow> 
        </math></p></td> 
      <td class="custom-bottom-td acenter" width="16.83%"><p style="text-align:center"> 
        <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
          <mfrac> 
           <mn>
             0 
           </mn> 
           <mrow> 
            <msub> 
             <mi>
               a 
             </mi> 
             <mn>
               0 
             </mn> 
            </msub> 
            <mo>
              + 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               a 
             </mi> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
            </msub> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
         </mrow> 
        </math></p></td> 
     </tr> 
     <tr> 
      <td class="custom-right-td custom-top-td acenter" width="20.10%"><p style="text-align:center"> 
        <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
          <mrow> 
           <mo>
             | 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mi>
              Δ 
            </mi> 
            <msub> 
             <mi>
               v 
             </mi> 
             <mn>
               0 
             </mn> 
            </msub> 
           </mrow> 
           <mo>
             | 
           </mo> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </math></p></td> 
      <td class="custom-left-td custom-top-td acenter" width="16.82%"><p style="text-align:center">0.284</p></td> 
      <td class="custom-top-td acenter" width="16.82%"><p style="text-align:center">0.546</p></td> 
      <td class="custom-top-td acenter" width="16.83%"><p style="text-align:center">0.789</p></td> 
      <td class="custom-top-td acenter" width="16.83%"><p style="text-align:center">1.02</p></td> 
      <td class="custom-top-td acenter" width="16.83%"><p style="text-align:center">1.23</p></td> 
     </tr> 
     <tr> 
      <td class="custom-right-td acenter" width="20.10%"><p style="text-align:center"> 
        <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
          <mrow> 
           <mo>
             | 
           </mo> 
           <mrow> 
            <msub> 
             <mi>
               v 
             </mi> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
            </msub> 
            <mo>
              − 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               v 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msub> 
           </mrow> 
           <mo>
             | 
           </mo> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </math></p></td> 
      <td class="custom-left-td acenter" width="16.82%"><p style="text-align:center">0.257</p></td> 
      <td class="acenter" width="16.82%"><p style="text-align:center">0.996</p></td> 
      <td class="acenter" width="16.83%"><p style="text-align:center">1.41</p></td> 
      <td class="acenter" width="16.83%"><p style="text-align:center">1.73</p></td> 
      <td class="acenter" width="16.83%"><p style="text-align:center">2.02</p></td> 
     </tr> 
     <tr> 
      <td class="custom-right-td acenter" width="20.10%"><p style="text-align:center">t</p></td> 
      <td class="custom-left-td acenter" width="16.82%"><p style="text-align:center">22.12</p></td> 
      <td class="acenter" width="16.82%"><p style="text-align:center">10.09</p></td> 
      <td class="acenter" width="16.83%"><p style="text-align:center">7.84</p></td> 
      <td class="acenter" width="16.83%"><p style="text-align:center">6.65</p></td> 
      <td class="acenter" width="16.83%"><p style="text-align:center">5.88</p></td> 
     </tr> 
     <tr> 
      <td class="custom-right-td acenter" width="20.10%"><p style="text-align:center">θ</p></td> 
      <td class="custom-left-td acenter" width="16.82%"><p style="text-align:center">180˚</p></td> 
      <td class="acenter" width="16.82%"><p style="text-align:center">100˚</p></td> 
      <td class="acenter" width="16.83%"><p style="text-align:center">84˚</p></td> 
      <td class="acenter" width="16.83%"><p style="text-align:center">76˚</p></td> 
      <td class="acenter" width="16.83%"><p style="text-align:center">71˚</p></td> 
     </tr> 
    </table>
    <p>Due to a substantial increase in fuel consumption (an exponential function of velocity changes), only solutions close to cotangential (the first column) are practical.</p>
   </sec>
   <sec id="s3_2">
    <title>
     <xref ref-type="bibr" rid="scirp.143978-"></xref>3.2. Hyperbolic Case</title>
    <p>Going (more quickly) over the same steps when 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         V 
       </mi> 
       <mo>
         &gt; 
       </mo> 
       <msqrt> 
        <mrow> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
           <mi>
             μ 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              a 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
        </mrow> 
       </msqrt> 
      </mrow> 
     </math>, we get</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         a 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msup> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mi>
                V 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
            </mrow> 
            <mi>
              μ 
            </mi> 
           </mfrac> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mfrac> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                a 
              </mi> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </mrow> 
       </msup> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>where 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        a 
      </mi> 
     </math> is the orbit’s center-to-apex distance, and</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi mathvariant="double-struck">
         U 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msqrt> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            a 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
       </msqrt> 
       <mi>
         cosh 
       </mi> 
       <mi>
         s 
       </mi> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <mtext>
         i 
       </mtext> 
       <msqrt> 
        <mrow> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <mi>
           a 
         </mi> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            a 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
       </msqrt> 
       <mi>
         sinh 
       </mi> 
       <mi>
         s 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>implying</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mi>
         a 
       </mi> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           a 
         </mi> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            a 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mi>
         cosh 
       </mi> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
       <mi>
         s 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>Setting 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          a 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> and solving for 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
       <msub> 
        <mi>
          s 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math>, we get</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         cosh 
       </mi> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
       <msub> 
        <mi>
          s 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <mi>
           a 
         </mi> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            a 
          </mi> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mi>
           a 
         </mi> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            a 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>resulting in an angle 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        θ 
      </mi> 
     </math> of the point of encounter, established from</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mtext>
         cos 
       </mtext> 
       <mi>
         θ 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            a 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            a 
          </mi> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mi>
          a 
        </mi> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            a 
          </mi> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              a 
            </mi> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
           </msub> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              a 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <mi>
             a 
           </mi> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              a 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>and the corresponding rocket’s velocity of</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           v 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msqrt> 
        <mrow> 
         <mfrac> 
          <mi>
            μ 
          </mi> 
          <mi>
            a 
          </mi> 
         </mfrac> 
        </mrow> 
       </msqrt> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mi>
            a 
          </mi> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              a 
            </mi> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
         <mi>
           sinh 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <msub> 
          <mi>
            s 
          </mi> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </msub> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mtext>
           i 
         </mtext> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <msqrt> 
            <mrow> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mn>
                 2 
               </mn> 
               <mi>
                 a 
               </mi> 
               <mo>
                 + 
               </mo> 
               <msub> 
                <mi>
                  a 
                </mi> 
                <mn>
                  0 
                </mn> 
               </msub> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                a 
              </mi> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msqrt> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              a 
            </mi> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
         <mi>
           cosh 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <msub> 
          <mi>
            s 
          </mi> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>The time of the encounter is</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         t 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msqrt> 
        <mrow> 
         <mfrac> 
          <mi>
            a 
          </mi> 
          <mi>
            μ 
          </mi> 
         </mfrac> 
        </mrow> 
       </msqrt> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <mi>
           a 
         </mi> 
         <msub> 
          <mi>
            s 
          </mi> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </msub> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             a 
           </mi> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              a 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mi>
           sinh 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <msub> 
          <mi>
            s 
          </mi> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>while the velocity of the target planet (being in that location at that time) is given by</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           v 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mtext>
         i 
       </mtext> 
       <msqrt> 
        <mrow> 
         <mfrac> 
          <mi>
            μ 
          </mi> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              a 
            </mi> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
        </mrow> 
       </msqrt> 
       <mi>
         exp 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mtext>
           i 
         </mtext> 
         <mi>
           θ 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math></p>
   </sec>
  </sec><sec id="s4">
   <title>
    <xref ref-type="bibr" rid="scirp.143978-"></xref>4. Flyby Orbits</title>
   <p>These are used by a rocket to closely approach a planet (or several planets in succession), utilizing each such visit to increase the rocket’s speed and (equally importantly) to re-direct its trajectory, so that the rocket can not only reach the next, more distant orbit, but also find the corresponding planet in the right location.</p>
   <p>To explore details of each such near encounter, we first realize that, for the duration of the flyby maneuver (as these are called), the planet’s gravitational pull becomes so predominant that even the Sun’s gravity may be ignored. What cannot be ignored is the planet’s own motion around the Sun, which, during the same, relatively brief interval, can be considered uniform <xref ref-type="bibr" rid="scirp.143978-11">
     [11]
    </xref>. We already know how to describe the rocket’s (now always hyperbolic) trajectory in an inertial coordinate frame moving with the planet (located at the origin of this new frame): the rocket’s direction is deflected (left or right) by an angle that can vary from zero to its largest possible value, while its final speed is the same as the initial one. The maximum deflection is established based on the planet’s gravitational mass 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         μ 
       </mi> 
       <mi>
         p 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>, the rocket’s relative (i.e. in the new frame) speed of approach (denoted 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         V 
       </mi> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>) and the planet’s</p>
   <p>radius 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       R 
     </mi> 
    </math>, based on the following argument: clearly, the distance of the hyperbola’s apex from the planet’s center, already shown to be 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
        <mi>
          a 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mi>
          cos 
        </mi> 
        <mi>
          γ 
        </mi> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <mi>
          cos 
        </mi> 
        <mi>
          γ 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>, must be bigger than 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       R 
     </mi> 
    </math>, where</p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        a 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           μ 
         </mi> 
         <mi>
           p 
         </mi> 
        </msub> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <msubsup> 
         <mi>
           V 
         </mi> 
         <mi>
           r 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msubsup> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
     </mrow> 
    </math>(17)</p>
   <p>which results from making (7) equal to 1 and 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       r 
     </mi> 
    </math> equal to 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       ∞ 
     </mi> 
    </math> (visualize the rocket approaching the planet from far away at speed 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         V 
       </mi> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>). This implies that, to get the upper limit (denoted 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         γ 
       </mi> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>) for the 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       γ 
     </mi> 
    </math> value, we must solve</p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mo>
        − 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           μ 
         </mi> 
         <mi>
           p 
         </mi> 
        </msub> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <msubsup> 
         <mi>
           V 
         </mi> 
         <mi>
           r 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msubsup> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mfrac> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
         <mrow> 
          <mi>
            cos 
          </mi> 
          <msub> 
           <mi>
             γ 
           </mi> 
           <mi>
             m 
           </mi> 
          </msub> 
         </mrow> 
        </mfrac> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mi>
        R 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math></p>
   <p>Since the planet’s escape velocity is 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         V 
       </mi> 
       <mi>
         e 
       </mi> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msqrt> 
       <mrow> 
        <mfrac> 
         <mrow> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
          <msub> 
           <mi>
             μ 
           </mi> 
           <mi>
             p 
           </mi> 
          </msub> 
         </mrow> 
         <mi>
           R 
         </mi> 
        </mfrac> 
       </mrow> 
      </msqrt> 
     </mrow> 
    </math> due to (8), the solution can be simplified to</p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        cos 
      </mi> 
      <msub> 
       <mi>
         γ 
       </mi> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mo>
        − 
      </mo> 
      <msup> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
          <mo>
            + 
          </mo> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
            <msubsup> 
             <mi>
               V 
             </mi> 
             <mi>
               r 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msubsup> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <msubsup> 
             <mi>
               V 
             </mi> 
             <mi>
               e 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msubsup> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </mrow> 
      </msup> 
     </mrow> 
    </math>(18)</p>
   <p>while the resulting maximum deflection becomes 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         ϕ 
       </mi> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        2 
      </mn> 
      <msub> 
       <mi>
         γ 
       </mi> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
      </msub> 
      <mo>
        − 
      </mo> 
      <mi>
        π 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math>. Within the permissible range of 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       ϕ 
     </mi> 
    </math> values, specified by 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        ϕ 
      </mi> 
      <mo>
        &lt; 
      </mo> 
      <mrow> 
       <mo>
         | 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
        <msub> 
         <mi>
           γ 
         </mi> 
         <mi>
           m 
         </mi> 
        </msub> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
        <mi>
          π 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mo>
         | 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>, we must then find a 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       ϕ 
     </mi> 
    </math> that will facilitate a synchronized encounter with the next planet (see the next example).</p>
   <p>Let us recall that, to achieve a specific value of 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       ϕ 
     </mi> 
    </math>, the rocket must align its direction (before the planet’s gravity takes its effect) with the corresponding asymptote, i.e., a straight line whose closest approach to the planet’s center is given by the following impact parameter.</p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mo>
        − 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           μ 
         </mi> 
         <mi>
           p 
         </mi> 
        </msub> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
        <msubsup> 
         <mi>
           V 
         </mi> 
         <mi>
           r 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msubsup> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mo>
        ⋅ 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <mi>
          sin 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
        <mi>
          γ 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <mi>
          cos 
        </mi> 
        <mi>
          γ 
        </mi> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
     </mrow> 
    </math></p>
   <p>where 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        γ 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <mi>
          ϕ 
        </mi> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <mi>
          π 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </mfrac> 
     </mrow> 
    </math> (this follows from (17) and basic geometry of a hyperbola). Having done that, the planet’s gravity then automatically (without any fuel expenditure) starts bending the rocket’s path to eventually complete the desired hyperbolic maneuver.</p>
   <p>Up to this point, all quantities have been measured relative to the new, moving frame (something quite natural for the rocket to do, as the moving planet becomes its major point of reference, which appears to be stationary). Furthermore, seen as a part of a whole interplanetary journey, the flyby maneuver may be considered to be just an instantaneous change of the rocket’s velocity (both in speed and direction), while ignoring the inner details just described <xref ref-type="bibr" rid="scirp.143978-11">
     [11]
    </xref>. The only formula needed is to find the rocket’s new velocity 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msubsup> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          v 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
       <mtext>
         n 
       </mtext> 
      </msubsup> 
     </mrow> 
    </math> in terms of its old velocity 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          v 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>, the deflection angle 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       ϕ 
     </mi> 
    </math>, and the planet’s velocity 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          v 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> (all expressed in the original heliocentric frame of reference). This is achieved by summarizing what has just been shown to happen in the moving reference frame, namely</p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msubsup> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          v 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
       <mtext>
         n 
       </mtext> 
      </msubsup> 
      <mo>
        − 
      </mo> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          v 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            v 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </msub> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
        <msub> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            v 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msub> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mtext>
        exp 
      </mtext> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mtext>
          i 
        </mtext> 
        <mi>
          ϕ 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>(19)</p>
   <p>where 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          v 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        − 
      </mo> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          v 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> and 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msubsup> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          v 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
       <mtext>
         n 
       </mtext> 
      </msubsup> 
      <mo>
        − 
      </mo> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          v 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> are the rocket’s in and out velocities (both having the same magnitude); 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msubsup> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          v 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
       <mtext>
         n 
       </mtext> 
      </msubsup> 
     </mrow> 
    </math> is then used as the initial velocity of the next leg of the journey.</p>
   <p>Example. This time we consider a rocket launched, using a cotangential transfer orbit, to first visit Jupiter; we then show how to re-direct its motion (using a Jupiter’s flyby) to commence a new transfer orbit, capable of reaching Saturn. We use a frame of reference whose 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mo>
        + 
      </mo> 
      <mi>
        x 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math> axis is in the direction of Jupiter at the rocket’s flyby. We already have a complete solution for the Earth-Jupiter leg of the journey, specifically: we know that the final (upon reaching Jupiter) location of the rocket is 77.8 and the corresponding velocity, based on (16), is 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          v 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        0.74 
      </mn> 
      <mtext>
        i 
      </mtext> 
     </mrow> 
    </math>, while Jupiter’s velocity at the point of this encounter is 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          v 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        1.31 
      </mn> 
      <mtext>
        i 
      </mtext> 
     </mrow> 
    </math>, based on Jupiter’s orbital</p>
   <p>speed of 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msqrt> 
       <mrow> 
        <mfrac> 
         <mrow> 
          <mn>
            133 
          </mn> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <mn>
            77.8 
          </mn> 
         </mrow> 
        </mfrac> 
       </mrow> 
      </msqrt> 
     </mrow> 
    </math>. Substituting the magnitude of the difference, namely 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         V 
       </mi> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        0.57 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math>,</p>
   <p>and Jupiter’s escape velocity of 6 into (18) tells us that the maximum value of 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mrow> 
       <mo>
         | 
       </mo> 
       <mi>
         ϕ 
       </mi> 
       <mo>
         | 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> is 152 degrees. Using several admissible values of 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       ϕ 
     </mi> 
    </math>, we then use (19) to compute the initial velocity 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msubsup> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          v 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
       <mtext>
         n 
       </mtext> 
      </msubsup> 
     </mrow> 
    </math> of the Jupiter-Saturn leg (the initial location stays equal to 77.8), find the corresponding transfer orbit and compute its duration 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       t 
     </mi> 
    </math>, the location 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       θ 
     </mi> 
    </math> of the (potential) encounter with Saturn, and the rocket’s velocity 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msubsup> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          v 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
       <mtext>
         n 
       </mtext> 
      </msubsup> 
     </mrow> 
    </math> at that point.</p>
   <p>We know that, when 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mrow> 
       <mo>
         | 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msubsup> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            v 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
         <mtext>
           n 
         </mtext> 
        </msubsup> 
       </mrow> 
       <mo>
         | 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        &lt; 
      </mo> 
      <msqrt> 
       <mrow> 
        <mfrac> 
         <mrow> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
          <mo>
            ⋅ 
          </mo> 
          <mn>
            133 
          </mn> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <mn>
            77.8 
          </mn> 
         </mrow> 
        </mfrac> 
       </mrow> 
      </msqrt> 
     </mrow> 
    </math> (which, incidentally, happens always to be the case in this example—hyperbolic transfer orbits are impossible), the transfer orbit is elliptical; failing to solve the 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        r 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        143 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math> (the last number being the Sun-to-Saturn distance) equation, which happens when 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mrow> 
       <mo>
         | 
       </mo> 
       <mi>
         ϕ 
       </mi> 
       <mo>
         | 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        &lt; 
      </mo> 
      <msup> 
       <mrow> 
        <mn>
          92 
        </mn> 
       </mrow> 
       <mo>
         ∘ 
       </mo> 
      </msup> 
     </mrow> 
    </math>, indicates that 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mrow> 
       <mo>
         | 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msubsup> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            v 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
         <mtext>
           n 
         </mtext> 
        </msubsup> 
       </mrow> 
       <mo>
         | 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> is insufficient to reach Saturn.</p>
   <table class="MsoTableGrid custom-table" border="0" cellspacing="0" cellpadding="0"> 
    <tr> 
     <td class="custom-bottom-td acenter" width="8.33%"><p style="text-align:center"> 
       <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
          ϕ 
        </mi> 
       </math>=</p></td> 
     <td class="custom-bottom-td acenter" width="11.11%"><p style="text-align:center">−150˚</p></td> 
     <td class="custom-bottom-td acenter" width="11.11%"><p style="text-align:center">−140˚</p></td> 
     <td class="custom-bottom-td acenter" width="11.11%"><p style="text-align:center">−120˚</p></td> 
     <td class="custom-bottom-td acenter" width="11.11%"><p style="text-align:center">−100˚</p></td> 
     <td class="custom-bottom-td acenter" width="7.40%"><p style="text-align:center">…</p></td> 
     <td class="custom-bottom-td acenter" width="9.24%"><p style="text-align:center">100˚</p></td> 
     <td class="custom-bottom-td acenter" width="10.19%"><p style="text-align:center">120˚</p></td> 
     <td class="custom-bottom-td acenter" width="10.19%"><p style="text-align:center">140˚</p></td> 
     <td class="custom-bottom-td acenter" width="10.19%"><p style="text-align:center">150˚</p></td> 
    </tr> 
    <tr> 
     <td class="custom-top-td acenter" width="8.33%"><p style="text-align:center"> 
       <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
         <msubsup> 
          <mi>
            v 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
          <mi>
            n 
          </mi> 
         </msubsup> 
        </mrow> 
       </math></p></td> 
     <td class="custom-top-td acenter" width="11.11%"><p style="text-align:center">−0.29</p><p style="text-align:center">+1.8i</p></td> 
     <td class="custom-top-td acenter" width="11.11%"><p style="text-align:center">−0.37</p><p style="text-align:center">+1.7i</p></td> 
     <td class="custom-top-td acenter" width="11.11%"><p style="text-align:center">−0.49</p><p style="text-align:center">+1.6i</p></td> 
     <td class="custom-top-td acenter" width="11.11%"><p style="text-align:center">−0.56</p><p style="text-align:center">+1.4i</p></td> 
     <td class="custom-top-td acenter" width="7.40%"><p style="text-align:center">…</p></td> 
     <td class="custom-top-td acenter" width="9.24%"><p style="text-align:center">0.56</p><p style="text-align:center">+1.4i</p></td> 
     <td class="custom-top-td acenter" width="10.19%"><p style="text-align:center">0.49</p><p style="text-align:center">+1.6i</p></td> 
     <td class="custom-top-td acenter" width="10.19%"><p style="text-align:center">0.37</p><p style="text-align:center">+1.7i</p></td> 
     <td class="custom-top-td acenter" width="10.19%"><p style="text-align:center">0.29</p><p style="text-align:center">+1.8i</p></td> 
    </tr> 
    <tr> 
     <td class="acenter" width="8.33%"><p style="text-align:center">t</p></td> 
     <td class="acenter" width="11.11%"><p style="text-align:center">115</p></td> 
     <td class="acenter" width="11.11%"><p style="text-align:center">126</p></td> 
     <td class="acenter" width="11.11%"><p style="text-align:center">160</p></td> 
     <td class="acenter" width="11.11%"><p style="text-align:center">224</p></td> 
     <td class="acenter" width="7.40%"><p style="text-align:center">…</p></td> 
     <td class="acenter" width="9.24%"><p style="text-align:center">125</p></td> 
     <td class="acenter" width="10.19%"><p style="text-align:center">96</p></td> 
     <td class="acenter" width="10.19%"><p style="text-align:center">89</p></td> 
     <td class="acenter" width="10.19%"><p style="text-align:center">115</p></td> 
    </tr> 
    <tr> 
     <td class="acenter" width="8.33%"><p style="text-align:center">θ</p></td> 
     <td class="acenter" width="11.11%"><p style="text-align:center">106˚</p></td> 
     <td class="acenter" width="11.11%"><p style="text-align:center">117˚</p></td> 
     <td class="acenter" width="11.11%"><p style="text-align:center">150˚</p></td> 
     <td class="acenter" width="11.11%"><p style="text-align:center">150˚</p></td> 
     <td class="acenter" width="7.40%"><p style="text-align:center">…</p></td> 
     <td class="acenter" width="9.24%"><p style="text-align:center">68˚</p></td> 
     <td class="acenter" width="10.19%"><p style="text-align:center">63˚</p></td> 
     <td class="acenter" width="10.19%"><p style="text-align:center">66˚</p></td> 
     <td class="acenter" width="10.19%"><p style="text-align:center">69˚</p></td> 
    </tr> 
    <tr> 
     <td class="acenter" width="8.33%"><p style="text-align:center"> 
       <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
         <msubsup> 
          <mi>
            v 
          </mi> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
          <mi>
            n 
          </mi> 
         </msubsup> 
        </mrow> 
       </math></p></td> 
     <td class="acenter" width="11.11%"><p style="text-align:center">−1.2</p><p style="text-align:center">+0.59i</p></td> 
     <td class="acenter" width="11.11%"><p style="text-align:center">−1.2</p><p style="text-align:center">+0.32i</p></td> 
     <td class="acenter" width="11.11%"><p style="text-align:center">−1.0</p><p style="text-align:center">−0.40i</p></td> 
     <td class="acenter" width="11.11%"><p style="text-align:center">0.04</p><p style="text-align:center">−0.86i</p></td> 
     <td class="acenter" width="7.40%"><p style="text-align:center">…</p></td> 
     <td class="acenter" width="9.24%"><p style="text-align:center">−0.56</p><p style="text-align:center">+0.65i</p></td> 
     <td class="acenter" width="10.19%"><p style="text-align:center">−0.46</p><p style="text-align:center">+1.0i</p></td> 
     <td class="acenter" width="10.19%"><p style="text-align:center">−0.53</p><p style="text-align:center">+1.2i</p></td> 
     <td class="acenter" width="10.19%"><p style="text-align:center">−0.60</p><p style="text-align:center">+1.2i</p></td> 
    </tr> 
   </table>
   <p>Note that when 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       ϕ 
     </mi> 
    </math> is negative, the rocket’s counter-clockwise motion is deflected to the left (i.e., towards the Sun) by this flyby; the opposite is true when 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       ϕ 
     </mi> 
    </math> is positive.</p>
   <p>The remaining critical task is to determine which of these 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       ϕ 
     </mi> 
    </math> values allows the rocket to meet Saturn (whose motion is known) in the location 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       θ 
     </mi> 
    </math> at time 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       t 
     </mi> 
    </math>. This is achieved by utilizing the well-known solution to Lambert problem <xref ref-type="bibr" rid="scirp.143978-12">
     [12]
    </xref>, or obtained directly from our table (some of its refinement and subsequent interpolation may be required for sufficient accuracy); we will not do it here.</p>
   <p>But, since our table’s range of 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       θ 
     </mi> 
    </math> values (and the corresponding travel times 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       t 
     </mi> 
    </math>) covers only parts of Saturn’s orbit, finding such 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       ϕ 
     </mi> 
    </math> may not always be possible (unless willing to wait for the right moment to start the mission; this may take several years). Nevertheless, not insisting on a cotangential transfer orbit to get from Earth to Jupiter provides the extra flexibility (at moderate fuel cost) to substantially extend the range of achievable 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       θ 
     </mi> 
    </math> and 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       t 
     </mi> 
    </math> values and thus eliminate this problem. That arranging for such consecutive rendezvous of several planets is possible (e.g., after Jupiter and Saturn to continue, in the same flyby manner, to visit Uranus and Neptune) was demonstrated by the journey of Voyager 2 <xref ref-type="bibr" rid="scirp.143978-13">
     [13]
    </xref>.</p>
   <p>Note that when such a mission is properly planned and executed, fuel expenditure is needed only to leave Earth; nevertheless, due to various errors, occasional small corrections to the rocket’s velocity (instantaneously correcting its location is impossible) are always required.</p>
  </sec><sec id="s5">
   <title>
    <xref ref-type="bibr" rid="scirp.143978-"></xref>5. Conclusions</title>
   <p>In this article, we have concentrated on the cruising part of interplanetary travel, ignoring less important forces and consequently, without much emphasis on the high accuracy of the results. This means that to plan an actual mission, the techniques we have used here can help only to create an initial road map, but the final trajectory has to be computed using more sophisticated numerical methods, capable of considering several forces acting on the rocket at the same time, and accommodating orbits’ eccentricities and inclinations.</p>
   <p>In this context, it also needs to be recognized that following an exact schedule is necessarily frustrated by small errors in propulsion and other causes. This implies that the rocket’s location and velocity must be frequently monitored and corrected whenever a deviation from the originally planned trajectory is detected. This necessitates a quick computation and immediate implementation of the required (usually minute) velocity change, as well as the corresponding readjustment of the journey’s schedule. The computation’s accuracy must to be only on par with the expected errors in its execution.</p>
   <p>We acknowledge that to fully understand all components of a successful space mission requires a lot more than what has been covered by this article. Nevertheless, it is hoped that we have been able to elucidate its most important feature, namely, the utilization of classical Keplerian orbits.</p>
  </sec>
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