"Если вовремя не подлететь к астероиду, следующей возможности придется ждать 12 лет"

Ученые Самарского национального исследовательского университета им. С.П. Королева разрабатывают универсальную математическую модель, которая ляжет в основу программного обеспечения управления космическими аппаратами. Предложенные алгоритмы позволяют прогнозировать миссии к астероидам, кометам и другим малым телам Солнечной системы с высокой степенью точности. Для чего нужны космические миссии, какой эффект дает симбиоз теоретических изысканий и многолетней практики научной школы динамики, баллистики, управления движением КА в интервью Indicator рассказала научный руководитель исследования, профессор, завкафедрой динамики полёта и систем управления Самарского университета им. Королёва Ольга Старинова.

"Есть список потенциально опасных для Земли астероидов"

— Молодые ученые университета исследуют законы управления движением космических аппаратов для изучения малых тел Солнечной системы в рамках гранта РФФИ. Расскажите, для чего вообще нужны миссии к астероидам, кометам? Что они дают человечеству?

— Прежде всего, эти миссии дают ответы на фундаментальные вопросы, которые волнуют человечество. На астероидах и кометах нет ни атмосферы, ни ветров, поэтому сохранилось вещество со времени создания Солнечной системы. Изучив его, можно понять, как формировались планеты, как возникла жизнь на Земле, могла ли она возникнуть еще где-то в Солнечной системе. К тому же, на астероидах есть полезные ископаемые. Не за горами то время, когда можно будет снабжать лунную или марсианскую базу водой, "уронив" на спутник Земли водяной астероид.

— На всех астероидах есть полезные ископаемые?

— Практически да, нужно просто выбрать тип астероида — они бывают каменные, железные, газовые, кремниевые и так далее.

— А насколько астероиды опасны для Земли?

— Есть известный астероид Апофис — он неправильной формы, похож на грушу. Он грозит нам каждые 12 лет, довольно близко пролетая от Земли. А вообще есть список потенциально опасных астероидов, которые периодически "навещают" нашу планету — их точное движение моделировать довольно сложно. Для выяснения траектории нужно устанавливать на их поверхности зонд, который будет подавать на Землю сигнал для уточнения положения астероида. Для прогнозирования поведения малых тел к ним можно было бы направить и рой наноспутников — такая идея озвучивалась, но потом выяснилось, что возле астероидов сложно поддерживать стабильные орбиты. И поскольку спутник будет находиться далеко от Земли, то даже если потерять с ним связь на 2-3 дня, он может попросту упасть на малое тело и разбиться.

"Нужно поддерживать правильную орбиту около неправильного тела"

— По какой причине полеты вокруг малых тел настолько сложны?

— Движение комического аппарата (КА) в гравитационном поле сплюснутого, изогнутого объекта — сильно отличается от привычных нам траекторий вокруг планет Солнечной системы. Даже Луна более неровная, чем Земля, около нее мало стабильных орбит. А это значит, что на ее низкой орбите нельзя, скажем, “повесить” спутник, хотя атмосферы там нет - казалось бы, запусти аппарат и летай вокруг нее миллионами лет. Но этого не происходит - спутник падает из-за изменения орбиты, так как форма Луны отличается от сферической и в разных местах Луны он по-разному притягивается.

— А что с гравитацией у астероидов и комет?

— Чем меньше тело, тем оно менее округлое — гравитации не удается скруглить маленькие объекты. Около астероида летать сложнее, чем вокруг Луны. Для того, чтобы поддерживать правильную орбиту около неправильного тела, нужны существенные затраты топлива и двигатель, который удержит КА около астероида. Иначе КА рискует отлететь от астероида на приличное расстояние, либо вовсе упасть на объект. Мы проводили моделирование подобного движения и выяснили, что через 20-30 дней полета КА падает на небесное тело. Кроме того, на астероиды и другие тела очень сложно садиться - у них маленькое притяжение и аппарат может мгновенно отскочить обратно.

"Аппарат летит к малому телу, которого никто никогда не видел"

— Кто и как часто запускал миссии к астероидам?

— Миссии к астероидам, кометам и другим малым телам неправильной формы предпринимались неоднократно. Помимо России (точнее — Советского Союза, речь об аппаратах, изучавших комету Галлея), это, конечно, NASA, космические агентства Европы, Японии, свои миссии планирует Китай. К примеру, Нанкинский университет (Китай), с которым взаимодействует Самарский университет, планирует путешествие к астероиду, который вскоре пролетит недалеко от Земли.

— Какие основные трудности возникают в ходе миссий?

— Те, кто когда-либо их осуществлял, столкнулись с главной проблемой — нельзя заранее предсказать, как будет двигаться космический аппарат в гравитационном поле объекта сложной формы. И это не связано с тем, что движение нельзя рассчитать, будучи на Земле. А с тем, что, по сути, КА летит к малому телу, которого никто никогда не видел.

— Можете привести пример такой сложной миссии?

— Ну, например, в 2004 году в рамках проекта Европейского космического агентства зонд Rosetta отправился исследовать комету со сложной формой 67Р/Чурюмова-Герасименко. И несмотря на то, что космический аппарат, который доставил в малому телу зонд, обладал мощным ионным двигателем, у разработчиков возникли проблемы с системой управления. КА был внушительных размеров и при подаче импульса, траектория его полета резко изменялась и он попросту вылетал с орбиты относительно астероида. Да и траектории для КА были непривычными — треугольными, поэтому зонд Rosetta приходилось периодически отбрасывать на расстояние 100-200 км от кометы, чтобы он не разбился о поверхность.

— То есть космическому аппарату, по сути, приходилось преследовать комету?

— Да, вдобавок ко всему прочему в это время связь КА с Землей прерывалась. Чтобы избежать таких погонь, нужно заранее понимать, какая тяга нужна двигателю, чтобы КА спокойно вращался вокруг кометы. В случае с Rosetta, можно было бы использовать двигатель с меньшим значением тяги. Примеры таких миссий показывают актуальность нашего исследования.

"С одной стороны у астероида может быть кусок золота, а с другой - пещера"

— Как рассчитываются миссии к небесным телам сейчас? Есть ли косвенные признаки, по которым можно получить информацию о малых космических объектах, находясь на Земле?

— Изначально мы видим астероид или другое малое тело в телескоп в виде маленькой точки. На основе изменений его яркости, выявляем период вращения тела. Также мы можем замерить его массу и орбиту. Исходя из этих параметров, можно рассчитать его плотность и понять каким веществом он заполнен. Естественно, в реальности астероид может оказаться совсем другим - с одной стороны, у него может быть кусок золота, а с другой — пещера. А значит, и гравитация у него будет иная, отличная от той, что мы просчитали. Но все равно первая информация, полученная с помощью телескопа лучше, чем просто точка в небе.

А вот уже какая форма у астероида, по какой орбите космический аппарат должен вокруг него летать, исследователи узнают непосредственно на подлете к объекту. Хотя стратегически, с точки зрения планирования миссии, важно знать заранее, какая у КА должны быть траектория, мощность двигателей, сколько топлива нужно КА, чтобы он изучал астероид на протяжении, положим, 1,5 лет.

— Для чего нужна эта информация исследователям?

— Отсутствие информации о физических свойствах небесного тела, о его геометрии и массе задолго до начала миссии ставит исследователей в тупик. Они не могут вычислить необходимые запасы рабочего тела на все предусмотренные программой манёвры. Поэтому так важно придумать для космических путешествий такие законы управления движением КА, которые сделают миссии предсказуемыми и максимально контролируемыми.

— Ваше исследование поможет решить эту задачу?

— Да.

"Мы планируем вывести универсальную математическую модель"

— Как будет выглядеть математическая модель, над которой вы работаете? Вы первыми в мире взялись ее рассчитать?

— Подобные модели существуют, но они либо слишком простые — для описания сферического тела или тела с небольшими отклонениями. Либо очень подробные и точные, но появляются только после завершения миссий к объектам. А мы хотим научиться планировать космические путешествия более детально, находясь на Земле.

— Когда вы выведите свою математическую модель и опубликуете, ею смогут пользоваться все желающие или ее надо будет адаптировать под конкретную миссию?

— Конечно опубликуем. Мы попытаемся сравнить наши результаты с полученными для известных миссий. Уже сейчас удалось доказать, что предложенные нами модели дают погрешность в расчетах миссии не больше десяти процентов. В отличии от прогнозирования движения около кометы той же Rosetta, когда погрешность предварительных расчетов потребовала двойных запасов топлива на маневрирование.

— То есть формула будет универсальной?

— Да, мы планируем вывести достаточно универсальную математическую модель, в ней просто будут меняться параметры для каждого небесного тела неправильной формы.

— Приведите пример, как будет работать модель?

— Например, мы рассчитали математическую модель для исследования зондом астероида Апофис. А затем вдруг решили "полететь" к астероиду Эросу. Учитывая, что задача изменилась, мы внесли в формулу параметры другого астероида и все. Вот так и работает модель. В принципе, ничего сверхестественного в ней нет.

— А в чем же научная новизна?

— Новизна в том, что наша разработка позволит проектировать миссии КА, работающих на малой тяге. В Самарском университете им. Королева на протяжении десятилетий действует научная школа динамики, баллистики, управления движением космическими аппаратами, и ее практический опыт лег в основу нашей идеи о разработке программы для управления КА на основе универсальных математических алгоритмов. Мы предлагаем заложить алгоритмы, полученные на основе нашей математической модели, на борт КА. И, конечно же, заранее на Земле поисследовать, какой двигатель необходимо поставить на КА, чтобы в ходе миссии у него тратилось меньше топлива, и в то же время хватало тяги летать вокруг малых тел.

"Наш подход поможет провести проектно-баллистический анализ будущий миссии"

— Для каких космических аппаратов будет актуально это программное управление?

— Прежде всего, оно будет актуальна для космических аппаратов с электоракетными двигателями малой тяги. Именно на них специализируется мощная научная школа динамики, баллистики, управления движением космическими аппаратами и университетская кафедра космического машиностроения под руководством профессора Вадима Викторовича Салмина. По сути, в рамках этого гранта мы представим подход, который в дальнейшем позволит не только разработать программное обеспечение для космических аппаратов, которые будут совершать сложные маневры около еще не исследованных малых тел. Этот подход поможет провести проектно-баллистический анализ будущий миссии в целом, а значит выбрать заранее параметры космического аппарата и двигательной установки для конкретного космического путешествия и сделать это с максимальной точностью.

— Что для этого в рамках гранта будет сделано молодыми учеными?

— Для этого будет решен целый пласт задач. Будет "выведена" сама универсальная математическая модель. Затем мы разработаем алгоритмы для формирования ПО для космических аппаратов с электроракетными двигателями. После этого рассчитаем несколько пробных миссий, оптимальных по расходу топлива. Затем проведем моделирование управляемого движения КА для этих миссий, чтобы проверить, как работают разработанные нами алгоритмы и программное обеспечение. В дальнейшем все результаты нашей работы можно использовать в реальных миссиях как в ближнем, так и дальнем космосе.

"Научные дальние миссии — дело не сиюсекундное"

— Что ждет исследователей, которые не будут опираться на вашу модель?

— Они столкнутся с многочисленными неопределенностями на всех этапах миссии - от определения запаса рабочего тела до неконтролируемого движения КА. Как следствие, все это скажется на самом ценном - времени для исследования небесного тела.

Я выше уже приводила пример с миссией Rosetta, — у них сократилось время миссии за счет выработки запасов топлива. То есть, им пришлось компенсировать отсутсвие точной математической модели движения увеличенными запасами топлива. Хотя, если бы они ее знали, то могли бы разместить на КА больше научной аппаратуры — до 100 кг, или отправить не один спускаемый аппарат, а два. В этом случае экономический и научный эффект бы увеличился.

К тому же, например, астероиды, которые пролетают мимо Земли, тот же Апофис, делают это очень быстро - в течении нескольких часов. Поэтому спрогнозировать миссию на них нужно заранее. Если в определенное время не стартовать к такому типу астероида, то следующей возможности придется ждать 12 лет.

— Кому будет интересна разработанная вами модель в первую очередь?

— Я думаю, прежде всего, тем, кто занимается лунными миссиями, тем, кто регулярно отправляет космические аппараты к астероидам, кометам. К примеру, Нанкинский университет (Китай), с которым мы сотрудничаем, ежегодно отправляет малые спутники весом 50-100 кг для изучения небесных тел.

— Что ограничивает время дальних космических миссий?

— Время миссий ограничивается мощностью двигателей, которые работают определенное количество часов. Сейчас космическая техника — как околоземная, так и межпланетные аппараты — работает 10-15 лет. На Марс можно долететь за полгода-год — в зависимости от количества затраченного топлива. Научные дальние миссии - дело не сиюсекундное.

Источник: indicator.ru