Администрация NASA намерена построить первый космический порт на окололунной орбите под названием Gateway. В перспективе этот комплекс призван служить перевалочным пунктом для пилотируемых кораблей Orion, посадочных модулей, предназначенных для высадки на Луну, грузовых аппаратов и экипажей астронавтов. Для обеспечения безопасной эксплуатации подобного сооружения необходимо решить нетривиальную задачу – координировать перемещение нескольких космических аппаратов по сложной орбитальной траектории.

Специалисты Техасского университета A&M в сотрудничестве с инженерами NASA и исследователями из Университета Пердью создали математические алгоритмы и методы оперативного управления, предназначенные для регулирования движения космических кораблей вокруг Gateway. Проведенное исследование посвящено управлению орбитальным движением, включая сценарии, когда корабли вынуждены находиться в режиме ожидания перед стыковкой или отправлением.

Космический аппарат Gateway займет орбиту, известную как почти прямолинейная гало-орбита (Near-Rectilinear Halo Orbit, NRHO). Данная вытянутая траектория располагается на расстоянии приблизительно в 1600 километров от северного полюса Луны и удаляется почти до 64 000 километров за её южный полюс. Движение по этой орбите обеспечивается совместным гравитационным воздействием Земли и Луны.

Выбранная орбита обеспечивает практически постоянную связь с Землёй и требует минимального расхода топлива для корректировки траектории. Тем не менее, её сложная гравитационная динамика создает значительные трудности при одновременном перемещении нескольких космических аппаратов.

В процессе реализации лунной программы в районе Gateway может одновременно находиться космическая станция, корабль Orion с экипажем, направляющийся к месту назначения, грузовой аппарат и посадочный модуль для высадки на Луну. Недостаточно точное управление траекториями этих объектов может привести к их сближению и создать потенциальную опасность столкновения.

В качестве одного из возможных подходов ученые предлагают метод контролируемого «барражирования», который предполагает кратковременное удержание космического аппарата на заданной позиции по отношению к Gateway до тех пор, пока не будет обеспечена возможность безопасной стыковки или отстыковки с орбиты.

В отличие от воздушных судов, которые могут временно оставаться на месте вблизи терминала, космические корабли непрерывно движутся по орбитам. Поэтому ключевая задача состоит в том, чтобы поддерживать безопасное расстояние между ожидающими кораблями, минимизируя при этом необходимость выполнения дополнительных маневров и потребления топлива.

Специалисты провели обширный цикл компьютерного моделирования, насчитывающий тысячи симуляций, чтобы определить наилучшую схему действий. При этом учитывались возможные ошибки навигации, неточности в работе двигательных установок и незначительные возмущения, которые могут возникнуть во время будущих миссий программы Artemis.

Результаты моделирования продемонстрировали, что незначительное увеличение числа корректирующих маневров способно существенно улучшить точность удержания космических аппаратов в требуемых положениях, при этом потребление дополнительного топлива остается минимальным.

Предлагается размещать ожидающие корабли вдоль орбиты Gateway в определенной последовательности, напоминающей бусины на нитке. Каждый аппарат будет располагаться на заранее рассчитанном расстоянии перед или за станцией и постепенно приближаться к ней по мере наступления времени стыковки или отправления.

Предлагаемая схема позволит повысить степень предсказуемости траекторий движения, упростить процесс планирования операций сближения и стыковки, а также уменьшить риск возникновения опасных ситуаций, связанных со сближением космических аппаратов.

Авторы исследования полагают, что разработанная система может стать одним из первых компонентов будущей системы управления движением в окололунной области. С ростом числа миссий, осуществляемых вокруг Луны, потребность во внедрении подобных регламентов будет возрастать.

В будущем Gateway планируется интегрировать в систему транспортной инфраструктуры, обеспечивающей связь между Землёй и Луной, а также использовать для поддержки лунных экспедиций. В связи с этим, разработанные алгоритмы могут послужить фундаментом для организации перемещения космических аппаратов вблизи станции.

Исследование опубликовано в журнале Acta Astronautica.