Ученые с факультета аэрокосмической техники Грейнджерского инженерного колледжа Иллинойского университета в Урбане-Шампейне создали новую технологию, позволяющую кубсатам совместно функционировать в качестве вспомогательных устройств при выполнении задач по сборке, обслуживанию или ремонту космических телескопов.
Используемая методика базируется на современных алгоритмах наведения и управления, обеспечивающих возможность для небольших роев кубсатов транспортировать модульные компоненты и действовать вблизи обслуживающего аппарата, не ставя под угрозу безопасность миссии.
Данное нововведение направлено на повышение эффективности и безопасности операций по обслуживанию, благодаря оптимизации траекторий спутников. Это позволяет сократить расход топлива и уменьшить вероятность столкновений.
Алгоритм для космических сервисных миссий
Алгоритм, оптимизирующий траектории роев кубсатов, применяемых в миссиях по обслуживанию и сборке космических телескопов, был разработан в результате исследования, руководимом аспирантом Рутвиком Бомменом.
В ходе моделирования был проверен алгоритм, в котором два, три или четыре кубосата осуществляли доставку модульных компонентов между сервисной станцией и телескопом, требующим ремонта. При этом целью являлось обеспечение безопасной эксплуатации, снижение расхода топлива и поддержание минимально допустимого расстояния между кубосатами не менее 5 метров.
Значительной трудностью являлось управление на больших дистанциях. Так, космический телескоп «Джеймс Уэбб» расположен примерно в 1,5 миллиона километров от Земли, в точке Лагранжа L2 системы Солнце-Земля. Для решения этой задачи ученые создали динамическую модель, основанную на задаче трех тел с ограниченным круговым движением и системой отсчета, размещенной в точке L2. Такой метод позволил уменьшить вычислительные сложности, корректируя единицы измерения расстояния для повышения точности расчетов.
Чтобы повысить эффективность траектории, команда применила непрямые методы оптимизации, которые позволяют более рационально расходовать топливо, чем прямые. Также в формулу оптимального управления были интегрированы антиколлизионные ограничения, исключающие чрезмерное сближение кубсатов во время маневров.
Обычно подобные ограничения приводят к росту вычислительной нагрузки, так как требуют разделения траекторий на большое количество сегментов. Однако предложенный алгоритм позволяет вычислять оптимальные траектории за один проход, что повышает производительность и уменьшает затраты на обслуживание.
Несмотря на то, что главная цель этой разработки – повышение безопасности и эффективности операций по обслуживанию и сборке на орбите, предложенная методология отличается высокой степенью универсальности. Ее можно применить для оптимизации траекторий в разных ситуациях, включая те, которые выходят за рамки космической среды и характеризуются схожими ограничениями.
Ознакомиться с аннотацией исследования, опубликованного в журнале The Journal of the Astronautical Sciences, можно .