Университетский математик РУДН предложил метод расчета оптимальной траектории космического корабля с электрическим двигателем, тяга которого в тысячи раз меньше, чем у химического, но он способен работать годами. Эти моторы лучше всего подходят для межпланетных полетов. Математики рассчитали параметры полета космического зонда с таким двигателем на Марс и Меркурий. Статья опубликована в журнале Cosmic Research.
Ракетные химические двигатели создают большую тягу, которая позволяет вывести тонны груза на орбиту за несколько минут. В то же время расходуется огромное количество топлива. Когда космический корабль находится в космосе , большая тяга становится ненужной, особенно для автоматических межпланетных станций, которые могут летать к месту назначения в течение многих лет.
Электрическая двигательная система (EPS) лучше подходит для таких задач. Пропеллентом в электрической двигательной установке является ионизированный газ, который ускоряется в магнитном поле. Благодаря низкому расходу топлива, EPS способен работать очень долго.
«Из-за низких уровней тяги САЭ его можно наиболее эффективно использовать только на достаточно больших расстояниях от притягивающих объектов (планет или массивных лун), т. е. при межпланетных полетах», — объясняет математик Алексей Иванюхин.
По его словам, в случае использования ЭПС вблизи массивного тела доступное ускорение струи может быть чрезвычайно низким по отношению к гравитационному ускорению — на уровне 10 -5 -10 -4 . Но на межпланетных траекториях уровень ускорения струи САП не намного уступает гравитации Солнца, и их отношение может составлять 10 -2 -10 -1.
Алексей Иванюхин напомнил, что для исследования Солнечной системы на рубеже веков ЭПС использовались в качестве первичной двигательной установки. Первыми такими космическими кораблями были Deep Space 1 (пролетают астероид и две кометы), Smart-1 (вывод на лунную орбиту), Hayabusa (доставка образцов почвы с астероида Itokawa), Dawn (последовательный полет на астероиды Веста и Церера). ).
Математики Университета РУДН решили проблему оптимизации траектории для космических аппаратов с ЭПС. Они определили максимально возможную полезную массу космического корабля и оптимальные характеристики двигательной установки, наиболее подходящие для каждой из рассматриваемых миссий.
Для определения этих параметров использовалась расширенная модель систем космических аппаратов и специфические характеристики, отражающие современный уровень техники (например, отношение массы солнечной панели к электрической мощности).
Исследователи рассмотрели миссии на Марс и Меркурий. Расчеты показали, что космический зонд с EPS и с указанными характеристиками сможет достичь Марса за 350 дней в день начала 30 апреля 2035 года. Перенос на Меркурий займет около 3000 дней.
Кроме того, математики показали, что для широкого класса траекторий максимальное значение полезной массы космического аппарата достигается на траектории с постоянно работающим двигателем, то есть с минимально возможной тягой, необходимой для полета.
«Это говорит о том, что увеличение тяги, которое приведет к снижению затрат на топливо, неэффективно по сравнению с увеличением необходимой массы самой двигательной установки. Это связано с главной проблемой освоения космоса — отсутствием компактных и мощных источников энергии», объясняет Алексей Иванюхин.
Он и его коллеги планируют продолжить исследования в этом направлении.
«Например, мы намерены рассмотреть миссии на астероиды для доставки грунта или полеты на Луну. Можно рассмотреть более детальную модель работы ЭПС или солнечных панелей. Разработчики ЭПС и космических аппаратов заинтересованы в таких исследованиях», — заключает Алексей Иванюхин.