Самарские космические баллистики рассчитали, как экономить до 40% топлива при полетах к спутникам Юпитера

Ученые Самарского университета им. Королёва (вуза-участника национального проекта "Наука и университеты") придумали и рассчитали, как значительно - на 20-40% - уменьшить количество топлива, необходимого для проведения исследовательских миссий к спутникам Юпитера. Сэкономить на топливе удастся за счет использования атмосферы Юпитера для торможения. Уменьшение количества необходимого для полета топлива позволит соответственно увеличить объем полезной нагрузки, которую можно будет дополнительно брать на борт - научную аппаратуру и оборудование.

Отправка исследовательского зонда к планете, астероиду или комете, как правило, всегда сопряжена с необходимостью решения проблемы торможения - аппарат сначала разгоняется по траектории полета, а затем тратит немало топлива на то, чтобы погасить эту набранную скорость, притормозить, не пролетев мимо заданной цели или не врезавшись в нее. Это как при поездке в автомобиле - подъезжая, куда вам нужно, вы заранее снижаете скорость и тормозите. Только вот шин и асфальта в космосе нет. Зато есть плотная атмосфера Юпитера.

С помощью разработанного программного комплекса ученые университета проложили маршруты миссии с Земли к четырем крупнейшим юпитерианским спутникам - Ганимеду, Каллисто, Ио и Европе - и рассчитали специальный аэродинамический тормозящий маневр, который должен выполнить космический аппарат у Юпитера, чтобы погасить набранную для путешествия от Земли скорость. Тормозить предлагается с помощью атмосферы этой гигантской газовой планеты - космический аппарат на определенной скорости и под точно рассчитанным углом на время войдет в плотную атмосферу Юпитера, снизит скорость до нужного уровня и далее благополучно "вынырнет" на орбиту того или иного спутника, в зависимости от цели миссии. Главное - чтобы космический аппарат не перегрелся, не сгорел из-за трения об атмосферу и не разрушился от перегрузок.

"Юпитер и его крупнейшие галилеевы спутники представляют значительный научный интерес для изучения, и этот интерес продолжает расти. Например, совсем недавно, в апреле этого года состоялся запуск межпланетной станции Европейского космического агентства JUICE, аппарат займется изучением Ганимеда, Европы и Каллисто. При совершении межпланетного перелета к Юпитеру основной проблемой является большая скорость, необходимая для осуществления этого самого перелета и формирования требуемой орбиты в сфере действия планеты - для этого требуются значительные запасы топлива для двигателей аппарата. Мы рассчитали, что снизить затраты топлива можно за счет использования аэродинамического маневра в плотной юпитерианской атмосфере. Уменьшение расхода топлива в целом на миссию составит от 20 до 40% в зависимости от выбранного спутника, это соответственно позволит увеличить массу полезной нагрузки космического аппарата", - рассказала заведующая кафедрой динамики полета и систем управления Самарского университета им. Королёва профессор Ольга Старинова.

Как подчеркнула Ольга Старинова, расчет такого маневра представляет собой очень сложную задачу и для выполнения расчетов и моделирования был задействован специально разработанный программный комплекс, учитывающий множество параметров будущих миссий к спутникам Юпитера. При применении аэродинамического маневра торможения в верхних слоях атмосферы на космический аппарат действуют перегрузки, значения которых могут превышать предельно допустимые. Кроме того, при движении в атмосфере существенно повышается температура поверхности аппарата, что может привести к нагреву и выходу из строя целевой аппаратуры. Поэтому при моделировании маневра проводился тщательный контроль ограничений по температуре нагрева поверхности и максимальным перегрузкам.

"Расчет подобного маневра является одной из наиболее сложных научно-технических задач в динамике полета, поскольку требует учета большого числа технических ограничений - по максимальной перегрузке космического аппарата, скоростному напору, предельной температуре поверхности аппарата. Использование дополнительных технических средств обхода этих ограничений - например, установка тепловых экранов или упрочнение конструкции - может привести к такому увеличению общей массы космического аппарата, что эффективность аэродинамического маневра существенно снизится или даже станет отрицательной. Поэтому нами был проведен всесторонний проектно-баллистический анализ использования аэродинамического маневра, не сводящийся только к математическому моделированию движения аппарата в атмосфере Юпитера", - отметила Ольга Старинова.

В качестве модельного при прокладке маршрута миссии и анализе эффективности маневра рассматривался космический аппарат с электроракетными двигателями. Были рассчитаны углы входа и глубина погружения в юпитерианскую атмосферу для миссий к каждому из четырех галилеевых спутников. Самой сложной и затратной по ресурсам оказалась миссия к Ганимеду, наиболее простой - к Каллисто. Кстати, именно Каллисто, по мнению ученых, может стать местом размещения будущей космической базы - на этом спутнике относительно низкий уровень радиационного фона по сравнению с остальными тремя галилеевыми спутниками.

Справочно

* Космическая баллистика - это наука о движении в космическом пространстве различных искусственных объектов. Изучать космическую баллистику в Самарском университет им. Королёва можно, поступив на специальность “Ракетные комплексы и космонавтика” (бакалавриат) или “Проектирование, производство и эксплуатация ракет и ракетно-космических комплексов” (специалитет).

* Аэродинамический маневр летательного аппарата - это изменение его скорости и/или траектории движения за счет атмосферы.

* У Юпитера имеется более 90 спутников. Крупнейшими из них являются Ганимед, Каллисто, Ио и Европа, они называются галилеевыми, так как их открыл Галилео Галилей.