Авторы
Сазонов В.В., Морозов О.В., Ахмедов М.Р., Егоров М.В., Крымшамхалов А.Х.
Организации
МГУ им. М.В. Ломоносова
Сессия
Космическое приборостроение и эксперимент
Форма представления
Устный
Научный руководитель
Ахмедов М.Р.
Место работы научного руководителя
МГУ им. М.В. Ломоносова
Текст тезисов
Разработаны алгоритм и программное обеспечение для расчета оптимальных параметров возвращаемых межпланетных миссий: баллистической схемы, ключевых дат, потребных импульсов, запасов топлива и массы основных частей космического аппарата (межпланетного комплекса). Выполнен расчет вариантов миссии с различными схемами деления комплекса, двигателями и видом топлива. Исследовано влияние параметров на транспортную эффективность. Программное обеспечение позволяет проводить сравнительный анализ вариантов экспедиции. Результаты могут быть использованы для расчета миссий по доставке космического вещества на Землю, оценки технических возможностей и выбора предпочтительной цели.
Ключевые слова: межпланетные полеты, оптимизация траекторий, транспортная эффективность межпланетных комплексов, астероиды.
В новом столетии возрос интерес к исследованию астероидов, планет и их спутников с использованием автоматических космических аппаратов. Знания о небесных телах солнечной системы крайне ограничены, например, выводы о высокой концентрации редких веществ в астероидах основаны на косвенных данных – спектральном составе отраженного солнечного света и изучении метеоритов – и остро нуждаются в подтверждении лабораторным путем. В то же время неуклонное развитие робототехники, в частности, электроники, делает аппараты легче и компактнее, открывая дорогу в космос не только новым государствам, но и частным компаниям. Международный интерес к теме подогревается намерением ряда стран приступить к промышленной добыче космического вещества [1].
Важнейшей технической проблемой на этом пути становится вопрос межпланетной транспортировки [1, 2]. Общедоступна информация об импульсах, требуемых для полета к астероидам [3]. Однако она имеет характер грубой нижней оценки, поскольку не учитывает сложного взаимного движения планет и наличия окон старта – разделенных годами, выгодных и невыгодных. А также предполагает простейший, пролетный сценарий миссии, то есть, не учитывает значительных затрат топлива на торможение около астероида. Еще менее пригодны упомянутые данные при планировании миссий с возвращением на Землю, в которых полет аппарата должен быть синхронизирован с движением планет как на прямом пути, так и на обратном. Последнее не является тривиальной математической задачей, и простые рассуждения с использованием понятий перелета Гомана и формулы Циолковского здесь не применимы. Наконец, при межпланетных миссиях, как правило, необходимо учитывать дополнительный расход топлива из-за гравитационных потерь [1, 2, 4-6].
Расчеты и практика показывают, что основная масса межпланетного комплекса должна приходиться на баки с топливом (рабочим телом), поэтому актуален поиск баллистических схем с его минимальным расходом. Следует также принять во внимание, что оптимальная схема миссии, особенно возвращаемой, не может являться отвлеченным математическим результатом, поскольку зависит от сценария полета и схемы деления комплекса, в частности, наличия разгонных блоков и других отделяемых частей [1, 2, 7].
Настоящим представляется оригинальное программное обеспечение, которое совместно вычисляет траектории перелетов, ключевые даты, массу основных частей комплекса и запасы топлива, учитывая сценарий миссии и схему деления межпланетного комплекса. При этом отыскивается минимум стартовой массы при заданной массе полезной нагрузки, или наоборот, максимум нагрузки при ограниченной массе комплекса. Задача сведена к поиску экстремума функции нескольких переменных. Даты старта и возвращения определяют траектории, импульсы разгона и торможения, и, как следствие, относительный расход топлива. Масса типовых частей комплекса полагается известной, и по этим данным вычисляется масса остальных частей, масса комплекса в целом и запасы топлива. С точным учетом тяговооруженности и траектории разгона (торможения) рассчитываются гравитационные потери, в том числе, для вариантов с применением вспомогательных орбит.
Результаты могут быть использованы для расчета и планирования миссий по доставке космического вещества, оценки технических возможностей и выбора предпочтительной цели полета.
Литература
[1] Добыча космических ресурсов: оценка возможностей и перспектив добычи ресурсов вне Земли / Под ред. Мысляевой И.Н., Ахмедова М.Р. – Издательство "Курс", Москва, 2022. – 192 с.
[2] Ахмедов М.Р. Сравнительный анализ вариантов возвращаемых экспедиций на астероиды // XLVI Академические чтения по космонавтике, посвященные памяти академика С.П. Королева и других выдающихся отечественных ученых-пионеров освоения космического пространства, 25-28 января 2022 года, Москва, сборник тезисов. — МГТУ им. Н. Э. Баумана, Москва, 2022. — С. 46–49.
[3] Asterank (научная и экономическая база данных). [Электронный ресурс] URL: https://www.asterank.com/ (дата обращения 12.03.2023).
[4] Кувшинова Е.Ю. Методика определения оптимальной траектории перелета с малой тягой между околоземной и окололунной орбитами. Электронный журнал «Труды МАИ», выпуск № 68, 2013.
[5] Захаров Ю.А. Проектирование межорбитальных космических аппаратов. – М.: Машиностроение, 1984. – 176 с., ил.
[6] Охоцимский Д.Е., Сихарулидзе Ю.Г. Основы механики космического полета: Учеб. пособие. – М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1990. – 448 с.
[7] Пилотируемая экспедиция на Марс. / Под ред. А.С. Коротеева. – М.: Российская академия космонавтики им. К.Э. Циолковского, 2006.
Ключевые слова: межпланетные полеты, оптимизация траекторий, транспортная эффективность межпланетных комплексов, астероиды.
В новом столетии возрос интерес к исследованию астероидов, планет и их спутников с использованием автоматических космических аппаратов. Знания о небесных телах солнечной системы крайне ограничены, например, выводы о высокой концентрации редких веществ в астероидах основаны на косвенных данных – спектральном составе отраженного солнечного света и изучении метеоритов – и остро нуждаются в подтверждении лабораторным путем. В то же время неуклонное развитие робототехники, в частности, электроники, делает аппараты легче и компактнее, открывая дорогу в космос не только новым государствам, но и частным компаниям. Международный интерес к теме подогревается намерением ряда стран приступить к промышленной добыче космического вещества [1].
Важнейшей технической проблемой на этом пути становится вопрос межпланетной транспортировки [1, 2]. Общедоступна информация об импульсах, требуемых для полета к астероидам [3]. Однако она имеет характер грубой нижней оценки, поскольку не учитывает сложного взаимного движения планет и наличия окон старта – разделенных годами, выгодных и невыгодных. А также предполагает простейший, пролетный сценарий миссии, то есть, не учитывает значительных затрат топлива на торможение около астероида. Еще менее пригодны упомянутые данные при планировании миссий с возвращением на Землю, в которых полет аппарата должен быть синхронизирован с движением планет как на прямом пути, так и на обратном. Последнее не является тривиальной математической задачей, и простые рассуждения с использованием понятий перелета Гомана и формулы Циолковского здесь не применимы. Наконец, при межпланетных миссиях, как правило, необходимо учитывать дополнительный расход топлива из-за гравитационных потерь [1, 2, 4-6].
Расчеты и практика показывают, что основная масса межпланетного комплекса должна приходиться на баки с топливом (рабочим телом), поэтому актуален поиск баллистических схем с его минимальным расходом. Следует также принять во внимание, что оптимальная схема миссии, особенно возвращаемой, не может являться отвлеченным математическим результатом, поскольку зависит от сценария полета и схемы деления комплекса, в частности, наличия разгонных блоков и других отделяемых частей [1, 2, 7].
Настоящим представляется оригинальное программное обеспечение, которое совместно вычисляет траектории перелетов, ключевые даты, массу основных частей комплекса и запасы топлива, учитывая сценарий миссии и схему деления межпланетного комплекса. При этом отыскивается минимум стартовой массы при заданной массе полезной нагрузки, или наоборот, максимум нагрузки при ограниченной массе комплекса. Задача сведена к поиску экстремума функции нескольких переменных. Даты старта и возвращения определяют траектории, импульсы разгона и торможения, и, как следствие, относительный расход топлива. Масса типовых частей комплекса полагается известной, и по этим данным вычисляется масса остальных частей, масса комплекса в целом и запасы топлива. С точным учетом тяговооруженности и траектории разгона (торможения) рассчитываются гравитационные потери, в том числе, для вариантов с применением вспомогательных орбит.
Результаты могут быть использованы для расчета и планирования миссий по доставке космического вещества, оценки технических возможностей и выбора предпочтительной цели полета.
Литература
[1] Добыча космических ресурсов: оценка возможностей и перспектив добычи ресурсов вне Земли / Под ред. Мысляевой И.Н., Ахмедова М.Р. – Издательство "Курс", Москва, 2022. – 192 с.
[2] Ахмедов М.Р. Сравнительный анализ вариантов возвращаемых экспедиций на астероиды // XLVI Академические чтения по космонавтике, посвященные памяти академика С.П. Королева и других выдающихся отечественных ученых-пионеров освоения космического пространства, 25-28 января 2022 года, Москва, сборник тезисов. — МГТУ им. Н. Э. Баумана, Москва, 2022. — С. 46–49.
[3] Asterank (научная и экономическая база данных). [Электронный ресурс] URL: https://www.asterank.com/ (дата обращения 12.03.2023).
[4] Кувшинова Е.Ю. Методика определения оптимальной траектории перелета с малой тягой между околоземной и окололунной орбитами. Электронный журнал «Труды МАИ», выпуск № 68, 2013.
[5] Захаров Ю.А. Проектирование межорбитальных космических аппаратов. – М.: Машиностроение, 1984. – 176 с., ил.
[6] Охоцимский Д.Е., Сихарулидзе Ю.Г. Основы механики космического полета: Учеб. пособие. – М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1990. – 448 с.
[7] Пилотируемая экспедиция на Марс. / Под ред. А.С. Коротеева. – М.: Российская академия космонавтики им. К.Э. Циолковского, 2006.