Парашют должен раскрыться в нужную секунду. Если чуть раньше — разорвет обшивку. Чуть позже — скорость окажется слишком высокой. А если аппарат при этом вращается непредсказуемо...
Владислав Любимов из Самарского университета три года бился над задачей, от которой многие отмахивались как от чистой теории. Вывел математический закон управления вращением при спуске в марсианской атмосфере. Звучит скучно. Но речь о том, что может сохранить миллиарды рублей оборудования и годы подготовки.
«Когда я объяснял коллегам суть проблемы, большинство не понимало, зачем это нужно. Ну вращается аппарат, ну асимметрия небольшая — какая разница?» — делится наблюдениями один из сотрудников кафедры высшей математики.
Невидимая проблема
При спуске в атмосферу красной планеты существует участок полета, где управление вращением практически невозможно. Аппарат крутится сам по себе под воздействием атмосферных потоков. И тут начинается самое неприятное.
Любая асимметрия — а она есть всегда, идеально симметричных конструкций не бывает — создает дополнительные силы. Маленькие, почти незаметные. Они меняют параметры вращения непредсказуемо. И вот уже тормозная система получает неверные данные.
Результат? В лучшем случае — жесткая посадка и поврежденное оборудование. В худшем — полная потеря аппарата.
Пять параметров
Нужно контролировать сразу пять показателей: три составляющие угловой скорости и два угла ориентации. Одновременно. В режиме реального времени. Когда управляющие двигатели уже не справляются, а парашюты еще не раскрыты.
«Представляете, сколько денег и усилий вложено в миссию, а она может провалиться из-за каких-то сантиметров смещения центра масс? Бесит просто», — комментирует инженер одного из космических проектов.
До сих пор существующие методы использовали множество математических приближений. Упрощали формулы, чтобы вообще можно было что-то посчитать. Но каждое упрощение — это погрешность. А погрешности накапливаются.
Любимов применил классический метод динамического программирования к уравнениям движения космических аппаратов. Но сделал это с меньшим количеством приближений. Звучит как мелочь, правда?
Суть в деталях асимметрии
Вся соль в том, что закон получился более общим. Он работает для разных типов асимметрии, разных масс, разных конструкций. Предыдущие решения были заточены под конкретные условия — изменились параметры миссии, и все расчеты насмарку.
«При спускаемом движении космического аппарата в атмосфере Марса есть участок полета с неуправляемым вращательным движением. Присутствие малых силовых факторов, возникающих из-за небольшой асимметрии устройства, может привести к неправильному срабатыванию тормозной системы», — объясняет сам Любимов в публикации журнала «Мехатроника, автоматизация, управление».
Метод линеаризации нелинейных систем тоже не новость. Его используют десятилетиями. Но применить его именно так, с такой точностью к такой задаче — вот это да.
А теперь вопрос: сколько миссий могли бы успешно завершиться, если бы этот закон вывели лет на двадцать раньше?
Математика против хаоса
Космические агентства тратят огромные средства на системы стабилизации. Добавляют дублирующие датчики, усложняют конструкцию, увеличивают массу.
Всё это — попытки компенсировать неточность расчетов.
Новый закон позволяет стабилизировать аппарат по всем трем составляющим угловой скорости и двум углам ориентации одновременно. Даже при наличии малой асимметрии. Не нужно перестраховываться массивными системами.
«Наконец-то кто-то додумался упростить не железо, а формулы. Устал уже от бесконечного наращивания резервных систем», — высказывается конструктор космической техники.
Прорыв без шума
Исследование опубликовано. Результаты проверены. Формулы работают. Но широкой публике об этом неизвестно почти ничего. Потому что математические законы для космонавтики — это не то, о чем трубят СМИ.
А между тем речь о реальной возможности доставить на Марс научное оборудование или небольшой марсоход целым и невредимым. О повышении надежности будущих экспедиций. О том, что можно снизить риски и расходы.
Работа Любимова — из тех, что создают фундамент для следующих десятилетий исследований. Без пафоса, без громких заявлений. Просто вывел более точный закон управления.
Что дальше?
Теперь этот математический аппарат нужно интегрировать в реальные системы управления космических аппаратов. Провести испытания на моделях. Убедиться, что всё работает не только на бумаге.
Задача не из простых. Космическая отрасль консервативна — и правильно, ставки слишком высоки. Каждое нововведение проверяется десятки раз.
Но если новый закон окажется настолько надежным, насколько обещают расчеты, это изменит подходы к проектированию спускаемых аппаратов. Не революция, нет. Эволюция. Но значимая.
«Отличительная особенность нового результата в том, что он более общий, чем полученные ранее аналоги. При этом для его синтеза удалось применить меньше приближенных математических преобразований, что делает закон управления точнее», — подчеркивает автор исследования.
Интересно, сколько еще подобных решений лежит в научных журналах, ожидая своего часа? Сколько прорывов происходит тихо, без фанфар, в университетских кабинетах?
Асимметрия реальности
Космическая техника несовершенна по определению. Идеальной симметрии не существует. Всегда найдется микронеровность, смещение центра масс, неравномерность материала.
Раньше с этим мирились. Закладывали запас прочности. Надеялись на лучшее. Новый подход позволяет не бороться с асимметрией, а учитывать ее в расчетах изначально.
Может показаться, что разница невелика. Но именно такие «невеликие разницы» отделяют удачную посадку от очередного безмолвного куска металла на поверхности чужой планеты.
В Самарском университете продолжают работу над уточнением формул. Проверяют их применимость к другим небесным телам с атмосферой. Венера, спутник Сатурна Титан — везде, где есть газовая оболочка, эти расчеты могут пригодиться.
А как думаете вы — стоит ли вообще вкладывать такие усилия в исследование планет, до которых лететь годами, когда на Земле хватает нерешенных проблем?
Пожалуйста, поставьте ваш удивительный лайк ❤
А если нажмёте "Подписаться" - будет супер 🙌
Здесь каждый день очень много интересного!