|
Новый способ планирования траекторий к астероидам
|
|
|
|
Существуют десятки тысяч околоземных объектов (ООО), представляющих собой одни из самых легкодоступных ресурсов в Солнечной системе. Планирование траекторий для сближения с этими миниатюрными мирами, как известно, является сложной задачей и требует огромных вычислительных мощностей. Но новая статья астродинамика Алессандро Беолчи из Университета науки и технологий Халифы и его соавторов предлагает гораздо менее ресурсоемкий способ поиска этих траекторий, а также, что немаловажно, гораздо менее энергозатратный способ поиска траекторий. Работа опубликована на сервере препринтов arXiv.
|
|
|
|
При построении орбитальных траекторий инженеры НАСА использовали метод, называемый методом «соединенных конических сечений». Эта система в значительной степени опирается на задачу двух тел — математическую модель, которая, по сути, рассматривает только Солнце и космический аппарат, игнорируя гравитационное влияние всех других тел в Солнечной системе.
|
|
|
|
Также предполагается, что изменения скорости космического аппарата будут обеспечиваться короткими, мощными импульсами с помощью химических ракетных двигателей. На протяжении большей части истории освоения космоса этого было достаточно. И хотя эти модели не всегда обеспечивали наиболее эффективный маршрут из точки А в точку Б, они, безусловно, позволяли космическому аппарату добраться туда быстро.
|
|
|
|
Но времена меняются, и эффективность становится все более важной при планировании этих маршрутов. Мы больше не используем исключительно химические ракетные двигатели. И нет необходимости просто игнорировать все другие гравитационные воздействия, особенно земные. Поэтому модель исследователей использует более тонкий подход к своим астродинамическим моделям и находит в этом ряде существенных улучшений.
|
|
|
|
|
|
|
Новый способ моделирования траекторий
|
|
|
|
Во-первых, они объединили две разные модели физики космического полета. Находясь вблизи Земли, они используют модель, известную как круговая ограниченная задача трех тел (CR3BP). Преимущество этой модели заключается в том, что она учитывает противостояние между Землей и Солнцем, а именно, точки Лагранжа орбитальной устойчивости, которые возникают в результате этого противостояния. Космические аппараты могут эффективно «парковаться» в этих точках межпланетного пространства, ожидая пролетающего мимо астероида.
|
|
|
|
Каждая из этих точек Лагранжа также имеет «инвариантное многообразие» — по сути, невидимую магистраль, которая позволила бы космическому аппарату отдалиться от Земли практически без расхода топлива.
|
|
|
|
В конечном итоге, как только аппараты достаточно удаляются от Земли, в работе используется более традиционная задача двух тел — Солнца и космического аппарата, полностью исключающая гравитационное влияние нашей планеты. Путь обратно к Земле (т.е. от астероида или кометы) рассчитывается полностью отдельно от пути к Земле, с некоторым базовым объединением данных на самом околоземном объекте.
|
|
|
|
Это значительно эффективнее с вычислительной точки зрения. Но есть и еще одно изменение, которое вносят новые модели. Современные технологии движения в дальнем космосе, такие как солнечно-электрическая двигательная установка (СЭДУ), не обладают таким же кратковременным и мощным воздействием, как химические ракеты.
|
|
|
|
Их двигательная установка больше похожа на черепаху, чем на зайца — по сути, это всего лишь поверхность листа бумаги, лежащая у вас на руке, но при непрерывном воздействии в течение месяцев или даже лет это может привести к значительному изменению скорости.
|
|
|
|
Исследователи модифицировали код, учитывающий изменения скорости как почти мгновенные (то есть, как в случае с химическими ракетами), чтобы сделать его более подходящим для технологий медленного сгорания, таких как СЭДУ.
|
|
|
|
Моделирование миссий к реальным астероидам
|
|
|
|
После завершения работы над моделью они начали проводить моделирование на реальных астероидах — 80 из них, если быть точным. Каждый из них имел относительно плоские орбиты с низким эксцентриситетом, но результаты моделирования были ошеломляющими — более 2 миллионов различных, жизнеспособных траекторий полета туда и обратно.
|
|
|
|
Два конкретных примера особенно привлекли внимание исследователей. Астероид 1991 VG временно являлся «мини-спутником» Земли, и исследователи обнаружили особый «альтернативный» способ перелета, при котором роботизированный зонд мог покинуть Землю по орбитальной траектории к точке Лагранжа L1, посетить астероид, а затем вернуться домой через точку Лагранжа L2 на противоположной стороне планеты.
|
|
|
|
Другим примером стал Апофис, известный своей эксцентричной и наклонной орбитой. По словам исследователей, алгоритм прекрасно справился с построением траектории для этого близко расположенного объекта.
|
|
|
|
Сравнивая общие результаты смоделированных траекторий со стандартными траекториями НАСА из базы данных NHATS (Near-Earth Object Human Space Flight Accessible Targets Study), можно отметить явные преимущества новой методологии. «Дельта-v» была схожей для обеих систем, но новая методология значительно снизила требуемую энергию убегания при запуске.
|
|
|
|
Другими словами, это значительно удешевило миссии. Более того, траектории возвращения на Землю были значительно медленнее, что позволило космическому аппарату войти в атмосферу Земли на более безопасных скоростях и, следовательно, потребовало меньшего количества теплозащиты.
|
|
|
|
По мере того, как мы начинаем исследовать все больше и больше близлежащих мини-миров, эти астродинамические модели могут играть все более важную роль в определении архитектуры миссии. Если это означает снижение затрат и повышение вероятности выживания, то это звучит как беспроигрышная ситуация для этого нового, усовершенствованного подхода к делу.
|
|
|
|
Источник
|
