|
Экономия топлива при межпланетных полетах
|
|
|
|
"Проблема трех тел" - это не просто название популярного сериала Netflix или научно-фантастической книги, удостоенной премии "Хьюго". Это также представляет собой реальную проблему в астродинамике, которая может вызвать головную боль у разработчиков миссий из—за своей сложности, но также обещает более простой способ выхода на стабильные орбиты, который в противном случае был бы возможен.
|
|
|
|
В новой статье исследователей из Пекинского технологического института показан один из способов, с помощью которого эти орбитальные маневры могут быть улучшены при исследовании планетных систем — с помощью гравитационного воздействия их спутников. Исследование опубликовано в журнале Acta Astronautica.
|
|
|
|
Полет на одну из больших планет, у которой много спутников, и, следовательно, на которой эта система могла бы работать, требует больших затрат энергии. Космический корабль должен не только покинуть Землю, но и долететь до планеты, а затем замедлить свой полет, чтобы выйти на стабильную орбиту — если только он не был специально спроектирован для облета.
|
|
|
|
Все эти маневры требуют затрат энергии, которые могут быть непосредственно преобразованы в топливо (т.е. в вес), что само по себе может быть непосредственно преобразовано в стоимость. Другими словами, хорошо продуманная траектория, позволяющая сэкономить даже небольшое количество топлива, потенциально может сэкономить сотни тысяч или миллионы долларов общих затрат на полет.
|
|
|
|
|
|
|
Эта привлекательная перспектива привлекла многих исследователей в область астродинамики и, в частности, к изучению того, как снизить количество топлива, необходимого для достижения определенной орбиты вокруг планеты. Одной из распространенных практик в планах полета космических аппаратов является гравитационная коррекция, но обычно это приводит к тому, что космический аппарат приближается к концу гравитационного поля планеты, а его скорость увеличивается, когда он возвращается на другую траекторию. Использование той же техники для "торможения" космического корабля - относительно новая идея.
|
|
|
|
BepiColombo, совместная миссия ЕКА и JAXA по исследованию Меркурия, является одним из первых космических аппаратов, намеренно использующих гравитационные системы для замедления. Он совершит несколько облетов Земли, Венеры и даже шесть облетов самого Меркурия, прежде чем выделит достаточно энергии, чтобы выйти на стабильную орбиту вокруг Меркурия, что в настоящее время запланировано на конец следующего года.
|
|
|
|
Другие исследователи провели дополнительную работу над тем, как можно применить ту же идею к планетам во внешней части Солнечной системы. Большая часть этой работы посвящена "границам слабой стабильности" (WSBs). В этих точках пространства гравитационное притяжение двух отдельных небесных тел почти уравновешивается, позволяя космическому аппарату, направляющемуся к этой точке, перейти с траектории, которая вывела бы его за пределы системы, на траекторию, которая вращается вокруг одного из тел в системе.
|
|
|
|
Чтобы определить эти границы, специалисты по ракетостроению сначала должны понять систему, с которой они работают. Одним из популярных методов является метод, называемый отображением Пуанкаре. Это создает математическую "плоскость" в системе и отображает положение и скорость объекта, пересекающего эту плоскость каждый раз, когда он это делает. При наличии достаточного количества точек данных (которые, что важно, могут быть смоделированы), со временем можно определить путь к стабильной траектории.
|
|
|
|
Новым вкладом в работу исследователей стало использование спутников планетарной системы в качестве потенциальных партнеров по гравитационному взаимодействию для выхода на более стабильные орбиты. WSB относительно редки в традиционных системах Солнце/планета, но их число значительно увеличивается, если учитывать гравитационное выравнивание планеты и ее спутника. Только у Юпитера 97 спутников, и это может привести к множеству потенциальных гравитационных траекторий.
|
|
|
|
Применяя свою систему на практике, исследователи смоделировали гравитационную поддержку с Каллисто, одного из четырех крупных галилеевых спутников Юпитера. Это показало значительное снижение потребности в топливе, необходимом для выхода миссии на стабильную орбиту в системе Юпитера. К сожалению, эта новая идея появилась слишком поздно, чтобы сэкономить на топливе даже для таких современных миссий, как Jupiter Icy Moon Explorer (JUICE).
|
|
|
|
Другим потенциальным вариантом использования, хотя и основанным скорее на чистой случайности, чем на чем-либо намеренно сделанном людьми, является потенциальный захват межзвездного объекта. В статье Джерри Клайна, опубликованной в 1979 году (на которую ссылается более свежая статья), показано, что система Нептун/Тритон была бы способна "улавливать" межзвездные объекты, которые проходят через нашу Солнечную систему, но только в том случае, если их естественная траектория была правильной — а вероятность того, что это произойдет, буквально астрономическая.
|
|
|
|
Однако концепция использования спутников для замедления траекторий до такой степени, что это может обеспечить значительную экономию топлива, находится под нашим контролем и может привести к значительному снижению затрат на топливо для будущих миссий. Это также дает ученым-ракетчикам, интересующимся астродинамикой, еще много интересных сценариев для обдумывания.
|
|
|
|
Источник
|
