Новый высокоэффективный подход к управлению космическими аппаратами предложили учёные Самарского университета. По их словам, найден физический механизм самокоррекции траектории при сложных манёврах, который позволит избежать нежелательной смены курса и лишних затрат топлива. Результаты опубликованы в журнале International Journal of Non-Linear Mechanics.
Любой объект в невесомости в естественном состоянии движется по орбите вокруг ближайшего небесного тела, одновременно вращаясь вокруг собственного центра масс. Чтобы путешествовать в космосе, необходимо построить траекторию аппарата так, чтобы она складывалась из движений по различным орбитам в рамках звёздной системы, объяснили специалисты.
Решающее значение при этом имеет расчёт маневров, необходимых для перехода между орбитами. Для этого космический аппарат запускает реактивный двигатель, приобретая разгонный или тормозной импульс.
Величина и направление этих импульсов рассчитываются заранее на Земле, однако в реальности при орбитальных переходах регулярно возникают ошибки, которые могут иметь фатальные последствия для аппарата и миссии в целом, сообщают учёные. Их частота и опасность возрастает с длиной перелёта, а для их компенсации требуется дополнительный объём топлива.
Учёные Самарского университета им. Королёва детально исследовали физику межорбитальных манёвров и предложили новый подход к проектированию и управлению космическими аппаратами. По их словам, полученные результаты позволят намного аккуратнее управлять манёврами, расходуя минимум топлива и не допуская отклонений от курса.
«Анализ динамики космических аппаратов позволяет прогнозировать отклонения и учитывать их при работе системы управления движением. Мы же предлагаем проектировать аппараты так, чтобы фокусировка реактивной тяги в нужном направлении происходила за счёт естественных инерционных свойств самого аппарата», — рассказал руководитель Научно-исследовательской лаборатории «Динамика и управление движением летательных аппаратов» Самарского университета Антон Дорошин.
Принцип реактивного движения предполагает, что масса аппарата меняется в момент выброса продуктов горения топлива, что и определяет сложную динамику системы. По словам учёных, отклонения происходят из-за того, что вектор реактивной тяги постоянно уводится угловым движением аппарата с заданного направления, из-за чего импульс «распыляется».
Новый подход, по словам авторов, позволит заранее обеспечить оптимальную инерционно-массовую компоновку космического аппарата. За счёт правильного расположения топлива и других агрегатов во внутреннем объёме аппарата можно добиться того, чтобы векторы отклонения импульса фокусировались бы сами по себе вдоль направления движения, не требуя дополнительной коррекции.
«Прежде всего, наши результаты позволят уменьшить ошибки тормозных и разгонных импульсов с помощью фокусировки направления вектора тяги двигателя. При нашем подходе ось реактивного двигателя по спирали сворачивается к целевому направлению без каких-либо управляющих воздействий, что позволит свести к минимуму вероятность перехода на неправильную орбиту», — подчеркнул Дорошин.
Учёные намерены продолжить поиск новых возможностей для повышения эффективности ракетно-космической техники на основе анализа и синтеза сложной динамики механических систем.