Новый высокоэффективный подход к управлению космическими аппаратами предложили ученые Самарского университета. По их словам, ими найден физический механизм самокоррекции траектории при сложных маневрах, который позволит избежать нежелательной смены курса и лишних затрат топлива. Результаты опубликованы в журнале International Journal of Non-Linear Mechanics.
Любой объект в невесомости в естественном состоянии движется по орбите вокруг ближайшего небесного тела, одновременно вращаясь вокруг собственного центра масс. Чтобы путешествовать в космосе, необходимо построить траекторию аппарата так, чтобы она складывалась из движений по различным орбитам в рамках звездной системы, объяснили специалисты.
Решающее значение при этом имеет расчет маневров, необходимых для перехода между орбитами. Для этого космический аппарат запускает реактивный двигатель, приобретая разгонный или тормозной импульс.
Величина и направление этих импульсов рассчитываются заранее на Земле, однако в реальности при орбитальных переходах регулярно возникают ошибки, которые могут иметь фатальные последствия для аппарата и миссии в целом, сообщили ученые. Их частота и опасность возрастает с длиной перелета, а для их компенсации требуется дополнительный объем топлива.
Ученые Самарского университета им. Королева детально исследовали физику межорбитальных маневров и предложили новый подход к проектированию и управлению космическими аппаратами. По их словам, полученные результаты позволят намного аккуратнее управлять маневрами, расходуя минимум топлива и не допуская отклонений от курса.
"Анализ динамики космических аппаратов позволяет прогнозировать отклонения и учитывать их при работе системы управления движением. Мы же предлагаем проектировать аппараты так, чтобы фокусировка реактивной тяги в нужном направлении происходила за счет естественных инерционных свойств самого аппарата", – рассказал руководитель Научно-исследовательской лаборатории "Динамика и управление движением летательных аппаратов" Самарского университета Антон Дорошин.
Принцип реактивного движения предполагает, что масса аппарата меняется в момент выброса продуктов горения топлива, что и определяет сложную динамику системы. По словам ученых, отклонения происходят из-за того, что вектор реактивной тяги постоянно уводится угловым движением аппарата с заданного направления, из-за чего импульс "распыляется".
Новый подход, по словам авторов, позволит заранее обеспечить оптимальную инерционно-массовую компоновку космического аппарата. За счет правильного расположения топлива и других агрегатов во внутреннем объеме аппарата можно добиться того, чтобы векторы отклонения импульса фокусировались бы сами по себе вдоль направления движения, не требуя дополнительной коррекции.
"Прежде всего, наши результаты позволят уменьшить ошибки тормозных и разгонных импульсов с помощью фокусировки направления вектора тяги двигателя. При нашем подходе ось реактивного двигателя по спирали сворачивается к целевому направлению без каких-либо управляющих воздействий, что позволит свести к минимуму вероятность перехода на неправильную орбиту", – подчеркнул Дорошин.
Научный коллектив намерен продолжить поиск новых возможностей для повышения эффективности ракетно-космической техники на основе анализа и синтеза сложной динамики механических систем. Исследования коллектива поддерживаются, в том числе Российским научным фондом, проект № 19-19-00085.
Самарский университет – участник программы Минобрнауки России "Приоритет 2030". Исследования поведения динамических систем при возникновении хаотических режимов движения в Самарском университете проводятся в рамках гранта Российского научного фонда, в соответствии со стратегическим проектом "Космос для жизни" программы развития вуза.