За последние годы человечество посетило несколько астероидов, сближающихся с Землей (NEAS), включая Рюгу (Hayabusa2) и Дидимос (DART). Однако нам понадобятся более частые полеты, чтобы начать собирать больше полезной информации об этом классе из более чем 37 000 космических объектов. Кубические спутники имеют готовые компоненты и относительно небольшие размеры, что делает их потенциально хорошим кандидатом для такой исследовательской программы.
Но как они смогут достичь этих мест на астероидах, учитывая их относительно ограниченную полезную нагрузку и мощность двигателя? Этому посвящена новая статья Алессандро Кварты из Пизанского университета, опубликованная в журнале Remote Sensing. Он рассматривает потенциальное планирование траектории для CubeSats с учетом одной из нескольких конфигураций ионных двигателей. Он показывает, ко скольким ближайшим спутникам можно получить доступ, просто выйдя на гелиоцентрическую орбиту и ожидая прибытия астероида в рамках его орбиты.
Большинство ближних космических аппаратов имеют эллиптические орбиты, что означает, что за время своего обращения они дважды пройдут мимо опорной орбиты и точки, называемой узловой. Основная идея, лежащая в основе статьи, заключается в том, чтобы попытаться разместить спутник CubeSat в узловой точке NEA, когда он пересекает собственную орбиту спутника CubeSat — по сути, совершая облет без необходимости использовать топливные ресурсы для догона самого астероида.
Чтобы достичь этих узловых точек, CubeSat будет использовать чудо современной технологии — ионный двигатель. В частности, в статье анализируются характеристики тяги радиочастотного ионного двигателя BIT-3 от компании Busek, базирующейся в Массачусетсе. Первоначально это был первый в мире ионный двигатель с сеткой на йодном топливе, выпущенный в 2016 году. Самое главное, что его свойства хорошо известны и описаны в предыдущих статьях, что упрощает его использование в качестве базовой модели.
Одной из переменных, анализируемых в статье, является количество радиочастотных двигателей BIT-3, используемых в системе. Анализ показал, что, хотя три двигателя могли бы быстрее доставить спутник CubeSat к месту встречи, это было сделано за счет увеличения массы, как топлива, так и самих двигателей. В конечном счете, этот компромисс в большей степени уменьшился от добавления третьего двигателя, чем от добавления второго, как и следовало ожидать.
Масса всегда является важным фактором при выполнении космических полетов, и доктор Кварта не оставил без внимания другие части космического аппарата, которые инженеры-двигатели обычно предпочитают игнорировать. Он распределил 4 кг на научную полезную нагрузку, используемую для обнаружения астероида, и около 40% массы CubeSat пришлось на другие системы, включая выработку электроэнергии, обеспечиваемую солнечной батареей HaWK от MMA.
Однако наиболее интересной частью работы является оптимизация траектории. Задачи управления, такие как определение траектории, по которой следует двигаться в заданную точку пространства, могут иметь несколько вариантов решения в зависимости от желаемых результатов и ограничений. Ключом к решению любой задачи управления является корректировка веса различных факторов.
Доктор Кварта использует методику, называемую принципом максимума Понтрягина, чтобы помочь найти решение поставленной им задачи управления, которая заключается в определении "закона оптимального наведения" — по сути, в том, куда направлять двигатели и с какой силой их запускать. Для численного решения задачи он использует другой математический метод, известный как решатель Адамса-Башфорта-Моултона, который предоставляет фактические цифры для решения поставленных им задач.
С помощью этих цифр доктор Кварта решил 180 различных задач оптимального управления вектором тяги, используя 1, 2 или 3 ионных двигателя для гелиоцентрических орбит между ними.85 австралийских долларов и 1,15 австралийского доллара. Из 37 000 известных околоземных объектов 18 644 были идентифицированы как пересекающиеся где-то в пределах этих орбит. В этих ограничениях 1870 имели как "восходящие", так и "нисходящие" точки.
Доктор Кварта решил проанализировать, в частности, проект 1685 Toro, в котором он проанализировал полет с использованием трех ионных двигателей, которому потребовалось бы около 150 дней, или пять месяцев, чтобы достичь точки, где спутник CubeSat мог бы встретиться с ним, при этом расходуя на топливо только около 8% массы спутника CubeSat.
Анализ траекторий часто является незамеченным героем космических миссий, поскольку он не так бросается в глаза, как запуск ускоренного ударного элемента, который разбивает астероид, или сбор образца с поверхности этого астероида. Если все пойдет правильно, сторонний наблюдатель никогда не заметит траекторию полета. Однако это имеет решающее значение для его успеха, и подобный анализ - один из способов сделать шаг вперед в мире космических исследований.
Хотя в настоящее время не запланировано никаких миссий, которые могли бы воспользоваться преимуществами этих планов траекторий, несомненно, когда-нибудь они появятся, и наши знания об астероидах, а следовательно, и о ранней Солнечной системе, станут лучше.
