Достичь заданной точки космического пространства

Самарские ученые строят новые модели для управления движением космических аппаратов в сложных гравитационных полях, точность которых обеспечит успех миссии и даст новые сведения о Вселенной

В основе решения практических задач ракетно-космической отрасли лежат математическое моделирование и программирование. Точные и надежные расчеты должны учитывать все ожидаемые сложности и особенности уже в процессе проектирования и на стадии создания изделия, поскольку в космическом пространстве на материалы и элементы оборудования космических аппаратов может воздействовать широкий комплекс обстоятельств. В этой связи требуется учитывать дополнительные факторы в математических моделях движения космических аппаратов и дополнительные ограничения на возможности управления двигательной установкой.

Специалисты Самарского университета имени академика Королева много лет занимаются сложным математическим моделированием движения космических аппаратов (КА), учитывая особенности функционирования этих конструкций и ряд физических и природных явлений (гравитацию Солнца, гравитационные поля Земли и Луны).

Ольга Леонардовна Старинова – профессор, доктор технических наук, заведующая кафедрой динамики полёта и систем управления, член ученого Совета Института ракетно-космической техники Федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования "Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)" (г. Самара) – рассказала о ключевых аспектах своих исследований в области математического моделирования, в частности, о разработке модели малого космического аппарата с солнечным парусом и модели, с помощью которой можно оценивать эффективность проектных параметров планируемой космической миссии, например, к астероиду.

В чем специфика и сложность разработки эффективных и точных математических моделей и программ для ракетно-космической техники?

"Математические модели всегда используют при конструировании космической техники. Важно чтобы они как можно точнее описывали ситуацию, которая будет ожидать космический корабль в космосе. Чем точнее мы хотим получить модель, тем она будет сложнее, потому что она должна учитывать влияние большего количества факторов. Если мы хотим проанализировать движение аппарата, близкое к реальности, то наши модели должны точнее описывать его движение. В этом состоит сложность разработки моделей для космонавтики. Здесь даже возникает философская проблема: если мы хотим изучать неизвестный космический объект, то должны написать точную его модель. Но нужно сначала подлететь, чтобы изучить его и сформировать эту модель. То есть, если мы хотим полететь к какому-то объекту, мы должны иметь о нем исчерпывающие знания, а они отсутствуют.

При нынешнем развитии техники расчеты по математическим моделям стали доступнее, но всегда нужны ученые в области динамики полета, которые знают, как создавать и программировать эти модели. Динамика полета – это очень математизированная область. Для того, чтобы быть хорошим специалистом в этой междисциплинарной области знаний, нужно хорошо знать основы инженерии и теории движения космических аппаратов, программирования, математики, обладать знаниями о параметрах космических аппаратов с различными типами двигательных установок. Одно время соискатели на ученую степень в области динамики полета и систем управления имели право выбора и могли получить степень как кандидата физико-математических, так и технических наук", – сообщила Ольга Старинова.

Какие главные задачи стоят при построении математических моделей движения КА, например, за последние за 20 лет?

"Основная задача космонавтики осталась прежней – исследование космического пространства. Мне представляется, что это научное направление всегда будет оставаться актуальным. Если говорить о достижениях последних 20 лет, то сегодня человечество подошло к этапу, когда колонизация Луны из разряда героического переходит в разряд полезного для потребителя. На Луне побывали космические аппараты не только из России, США, Европы, но уже и из Израиля, ОАЭ, Китая, Индии", – уточнила исследователь.

Профессор Ольга Старинова занимается двумя основными направлениями по разработке математических моделей для ракетно-космической техники: парусными проектами и изучением движения в гравитационных полях небесных тел сложной формы, таких как астероиды и кометы.

В 1992 году проходил международный конкурс космической регаты, посвященный 500-летию со дня открытия Америки экспедицией Христофора Колумба. Российские специалисты из Куйбышевского авиационного института (ныне Самарский университет) приняли участие и заняли второе место после специалистов ПАО "РКК "Энергия" (г. Королёв), а предложенные расчеты и идеи относительно космического аппарата с солнечным парусом вызвали определенный интерес у отечественных и зарубежных коллег. В итоге завязалось тесное сотрудничество с физиком-теоретиком Еленой Николаевной Поляховой из Санкт-Петербургского университета и с американским ученым Романом Яковлевичем Кезерашвили из Городского университета Нью-Йорка (США). Сейчас специалисты успешно продолжают вести совместные исследования и активно публикуют авторские разработки в международных рецензируемых изданиях.

В 2016 году на Международном конгрессе астронавтики в Мексике Ольга Старинова вместе с Романом Кезерашвили пришла к идее о разработке модели солнечного парусника и общему мнению о необходимости учета температуры при расчете его конструкции.

Ольга Старинова объяснила, что представляет собой солнечный парусник, вызвавший интерес исследователей, и как он будет работать: "Космический аппарат движется за счет светового давления: Солнце светит на поверхность парусника и создает давление, похожее на действие ветра, поэтому он называется солнечным парусником. Достоинство парусника в том, что он летает без использования топлива двигателей и может существовать довольно большой промежуток времени, совершая свои миссии в Солнечной системе. Какой недостаток у паруса? Он долго совершает манёвры. В этой связи возникла идея: можно попробовать нанести на поверхность парусника специальное вещество (планируется бор) и рассчитать, как аппарат будет себя вести. Когда паруснику нужно будет разогнаться, его можно подвести к Солнцу, температура поверхности достигнет нужного значения, под действием температуры вещество будет испаряться с его поверхности и придавать дополнительное ускорение аппарату, то есть получится псевдореактивный двигатель. Парус – тонкая пленка, на которую будет нанесено испаряющееся вещество, которое будет его подталкивать, поэтому надо рассчитать, чтобы эта пленка не порвалась, ведь давление будет достаточно большим. Здесь важно провести и прочностные расчеты, и расчеты колебаний. Когда мы провели такие расчеты, оказалось, что парус выдерживает это достаточно большое давление и созданное ускорение позволяет совершать экспедиции на дальние планеты Солнечной системы или выходить за границы Солнечной системы".

Апробация предлагаемой модели космического аппарата с солнечным парусом в земных условиях невозможна. Она осуществляется только на земной орбите. По словам Ольги Стариновой, "когда действует гравитация Земли, мы не можем проводить испытания парусных кораблей. В земных условиях пленка на паруснике не сможет развернуться, скорее всего она порвется. Парусник может разворачиваться только в условиях невесомости, куда парус доставляется в сложенном состоянии".

Тем не менее, были проведены лабораторные испытания воздействия температуры на поверхность пленки паруса: помещали пленку с напыленным материалом в вакуумную камеру и доводили до нужных температур. Как подчеркивает Ольга Старинова, "динамика полета парусника тесно связана с прочностью парусника и температурными расчетами".

Самый маленький парусник, предлагаемый на данный момент учеными, радиусом 10 метров, а его скорость будет зависеть от температуры поверхности и траектории движения, реально может быть достигнута скорость космического аппарата от 100 до 200 км/с.

Российские исследователи уже представили проектную модель парусника, раскрывающегося за счет внешнего надувного торового кольца: конструкция предусматривает управляющие элементы, которые помогут разворачивать парусник под нужным углом к солнечным лучам, и поверхность, на которую будет наноситься испаряющееся вещество.

Самарские ученые рассматривают парусные конструкции разного типа и проводят для них расчеты, чтобы найти оптимальный вариант. Например, сейчас в основном летают парусники каркасного типа: они простые, но тяжелые. Парусники роторного типа (вращающиеся) более легкие, они имеют низкую массу и могут летать с большим ускорением. На сегодняшний день специалисты выбрали парусник торового типа, на поверхность которого и будет наноситься бор.

"Мы работаем над полными расчетами модели космического аппарата с парусом торового типа. Американские коллеги, с которыми мы сотрудничаем, как раз проводят температурные испытания поверхности. НАСА сделаны реальные космические каркасные аппараты с солнечным парусом. Нынешняя конструкция весит меньше 100 кг".

У Ольги Стариновой и ее коллеги Елены Поляховой есть план написать научно-популярную книгу для старших школьников о солнечном паруснике с целью привлечь к истории парусных проектов и способов расчета, а в целом – к популяризации математического моделирования космических объектов.

Кроме того, с разработкой парусных систем связано моделирование движения в сложных гравитационных полях. Так, в настоящее время под руководством профессора Ольги Стариновой ведется работа над грантом РФФИ (№ 20-38-90200 "Методика формирования законов управления космических аппаратов с электроракетной двигательной установкой, предназначенных для исследования малых тел Солнечной системы", 01.09.2020 - 01.09.2022)

"У нас есть модели четырех небесных тел неправильной формы, полученные при реальных полётах космических аппаратов. Эти модели известны и описаны. Однако, когда мы смотрим на какой-то астероид издалека, мы видим его орбиту вокруг Солнца, знаем его скорость, можем найти его массу и, по изменению яркости, можем определить период обращения. Но форму такого маленького тела сложно или невозможно увидеть даже в телескоп. Поэтому данных для построения математической модели его гравитационного поля недостаточно. Тогда у нас появилась идея: по имеющимся начальным сведениям можно создать приближенную модель для гравитационных астероидов или комет, описывающую эти объекты как массив гравитационных концентраторов. Сравнивая нашу приближенную модель с полученными при реальном движении космических аппаратов данными, мы подтвердили, что все маневры относительно этих объектов мы можем рассчитывать с точностью до 10-15%. Данная модель позволит на этапе проектирования миссии узнать, какой запас топлива должен быть на борту космического аппарата для осуществления всех требующихся маневров, какой двигатель лучше использовать", – сообщила Ольга Старинова.

Таким образом, комплексное моделирование движения и прочности космических аппаратов открывает возможности для увеличения длительности исследовательских межпланетных миссий, быстрого перемещения в небесном пространстве, а в перспективе – познания неизведанной до конца Вселенной.

Источник: scientificrussia.ru