Для перехвата межзвездных объектов, залетающих в Солнечную систему, исследователи из МФТИ и Института прикладной математики РАН предложили сеть из аппаратов-ловцов, оснащенных гибридной двигательной установкой. Ученые разработали алгоритм, распределяющий нагрузку между парусом и ионными двигателями и экономящий до 30% топлива аппарата. О разработке рассказал кандидат физико-математических наук, доцент кафедры теоретической механики МФТИ Ахлумади Махди Реза.
Время на изучение межзвездных комет и астероидов исчисляется месяцами: в 2017 г. астероид 1I/Оумуамуа наблюдали всего около 120 дней, а кометы 2I/Борисов и межзвездную комету 3I/ATLAS удавалось сопровождать не более. Отправить за это время исследовательский зонд с традиционными двигателями практически невозможно. Поэтому возникла идея заранее разместить на гелиоцентрической орбите несколько аппаратов, неподвижных относительно Солнца.
«Мы предложили схему — сеть, которая состоит из нескольких космических аппаратов. Эти аппараты находятся в режиме ожидания, поскольку у каждого есть большой солнечный парус, и солнечный парус на орбите Солнца может компенсировать силу гравитации», — пояснил Ахлумади Махди Реза.
Когда телескопы обнаруживают межзвездный объект, система рассчитывает оптимальные траектории и выбирает ближайший спутник. Тот включает ионные двигатели малой тяги и начинает падение к Солнцу, чтобы, используя мощную гравитацию светила, совершить рывок к цели. Ключевая новизна работы — алгоритм, который во время разгона непрерывно распределяет нагрузку между двумя движителями: солнечным парусом и ионными двигателями. Спутник не складывает парус, а поворачивает его так, чтобы получить дополнительное ускорение от давления солнечного света; там, где тяги паруса недостает, ее мгновенно добавляют двигатели.
«Во время падения к Солнцу спутник не складывает парус, а непрерывно регулирует угол его наклона, чтобы получить дополнительное ускорение от солнечных частиц в нужном направлении. Проблема в том, что парус может создавать тягу лишь в ограниченной области — обычно этого не хватает. Поэтому мы вывели математическую теорему поточечного проецирования. В каждый момент времени наш алгоритм сравнивает нужный вектор оптимального ускорения с тем, что способен дать парус. И если парус не справляется, недостаток мгновенно компенсируют ионные двигатели», — сказал Ахлумади Махди Реза.
Численное моделирование провели на примере Оумуамуа. Чтобы встретить этот астероид на расстоянии 1,5 астрономических единиц от Солнца, аппарату требуется изменить скорость на 21 км/с. Почти половину этого прироста обеспечивает солнечный свет, а гибридная схема сокращает расход топлива примерно на 30%. Анализ также показал, что чем дальше от Солнца находится объект, тем меньше остается энергетически выгодных траекторий перехвата: на 1,5 а.е. их несколько, на двух астрономических единицах — всего две. Тем не менее, согласно модели, восемь аппаратов, равномерно расставленных на орбите Земли, способны перехватить объект с любого направления.
Пока технология упирается в характеристики солнечного паруса. Для практической реализации такой миссии потребуются сверхлегкие паруса — примерно в 40 раз легче существующих образцов. Однако ученый смотрит на перспективу сдержанно оптимистично. «Можно предположить, что, может быть, через десять лет такая технология уже будет доступна», — отметил Ахлумади Махди Реза.
Сейчас разработка существует на уровне расчетов и алгоритмов. С появлением новых сверхлегких материалов она способна лечь в основу проектирования миссий быстрого реагирования, которые впервые позволят не просто наблюдать межзвездных странников, но и догонять их. Результаты исследования опубликованы в журнале Advances in Space Research.
Новость подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ
Источник изображения: Magnific
