Через несколько лет в рамках программы «Артемида» НАСА отправит на поверхность Луны «первую женщину и первого цветного человека». Это будет первый раз, когда астронавты ступят на Луну после миссии «Аполлон-17» в 1972 году. За этим последует создание постоянной инфраструктуры, которая позволит осуществлять регулярные миссии на поверхность (один раз в год) и «постоянную программу». исследования и освоения Луны». Это потребует от космических кораблей регулярных полетов между Землей и Луной для доставки экипажей, транспортных средств и полезной нагрузки.
В недавнем исследовании, проведенном при поддержке НАСА, группа исследователей из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне исследовала новый метод отправки космического корабля на Луну. Он известен как «многорежимная двигательная установка» — метод, который объединяет химический режим с высокой тягой и электрический режим с малой тягой — при использовании одного и того же топлива. Эта система имеет ряд преимуществ перед другими формами движения, не последним из которых является то, что она легче и экономичнее. Если повезет, НАСА сможет положиться на космический корабль с многорежимной двигательной установкой для достижения многих своих целей «Артемида».
Статья, описывающая их исследование, «Методы непрямого оптимального управления для проектирования многорежимных двигательных установок», была недавно опубликована в журнале Акта Астронавтика. Исследование возглавил Брайан Клайн, аспирант кафедры аэрокосмической техники Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне. К нему присоединились коллега-аэрокосмический инженер и кандидат наук Алекс Паскарелла, а также Робин М. Вулландс и Джошуа Л. Рови – доцент и профессор Инженерного колледжа Грейнджера (аэрокосмическая техника).
Чтобы сломать его, многорежимный двигатель использует одно химическое монотопливо – например, гидразин или энергетическое нетоксичное топливо для космических кораблей (ASCENT) – для питания химических двигателей и двигателя с электрораспылением (также известного как коллоидный двигатель). Последний элемент основан на процессе, известном как ионизация электрораспылением (ESI), при котором заряженные капли жидкости создаются и ускоряются статическим электрическим полем. Электрораспылительные двигатели были впервые использованы в космосе на борту миссии LISA Pathfinder ЕКА для демонстрации снижения помех.
Разработав систему, основанную на обоих компонентах и способную переключаться по мере необходимости, спутники смогут выполнять маневры с использованием меньшего количества топлива (т. е. перекачки с минимальным количеством топлива). Как сказал Клайн в пресс-релизе инженерного колледжа Грейнджера:
«Многорежимные силовые установки также расширяют диапазон производительности. Мы описываем их как гибкие и адаптируемые. Я могу выбрать химический режим с высокой тягой, чтобы быстро добраться куда-нибудь, и электрораспылитель с низкой тягой, чтобы совершать меньшие маневры, чтобы оставаться на желаемой орбите. Наличие нескольких доступных режимов может снизить расход топлива или сократить время выполнения вашей миссии».
Расследование команды следует за аналогичным исследованием, проведенным Клайном и исследователями из Центра космических полетов имени Годдарда НАСА и аэрокосмической консультативной компании Space Exploration Engineering, LLC. В отдельной статье «Миссии Lunar SmallSat с многомодовым химическим электрораспылением» они рассмотрели преимущества многомодового движения по сравнению с полностью химическими и полностью электрическими подходами для четырех эталонных миссий по проектированию (DRM), предоставленных НАСА. Для этого последнего расследования Клайн и его коллеги использовали стандартный 12-юнитовый CubeSat для выполнения этих четырех профилей миссий.
«Мы впервые продемонстрировали возможность использования многорежимной двигательной установки в лунных миссиях, важных для НАСА, особенно с помощью CubeSat», — сказал Клайн. «В других исследованиях использовались произвольные задачи, что является отличной отправной точкой. Наше исследование — это первый высокоточный анализ конструкции многорежимных миссий для лунных миссий, имеющих отношение к НАСА».
Многорежимная двигательная установка в некотором отношении похожа на гибридную двигательную установку, в которой две двигательные системы объединяются для достижения оптимальной тяги. Хорошим примером этого (хотя пока еще нереализованным) является бимодальная ядерная двигательная установка, при которой космический корабль использует ядерно-тепловую двигательную установку (НТП) и ядерно-электрическую двигательную установку (ЯЭР). В то время как система NTP использует ядерный реактор для нагрева водорода или дейтерия и может достигать высокой скорости ускорения (дельта-v), система NEC использует реактор для питания ионного двигателя, обеспечивающего постоянный уровень тяги.
Ключевым преимуществом многорежимной двигательной установки перед гибридной системой является резкое снижение сухой массы космического корабля. В то время как гибридным силовым установкам требуется два разных топлива (и, следовательно, два отдельных топливных бака), для бимодальной силовой установки требуется только один. Это не только экономит массу и объем космических аппаратов, но и удешевляет их запуск. «Я могу выбрать использование высокой тяги в любое время и низкой тяги в любое время, и не имеет значения, что я делал в прошлом», — сказал Клайн. «В гибридной системе, когда один бак пуст, я не могу выбрать этот вариант».
Для выполнения каждой из эталонных задач по проектированию для этого проекта команда принимала все решения вручную, т. е. когда использовать высокую и низкую тягу. В результате траектории не были оптимальными. Это побудило Клайна после завершения проекта разработать алгоритм, который автоматически выбирает, какой режим приведет к оптимальной траектории. Это позволило Клайну и его команде решить простой двумерный переход между Землей и Марсом и трехмерный переход на геостационарную орбиту, который минимизирует расход топлива. Как объяснил Клайн:
«Это был совершенно другой зверь, где основное внимание уделялось разработке метода, а не конкретным результатам, показанным в статье. Мы разработали первую методику непрямого оптимального управления специально для проектирования многорежимных миссий. В результате мы можем разработать передачи, которые подчиняются законам физики, одновременно достигая конкретной цели, такой как минимизация расхода топлива или времени передачи».
«Мы показали, что метод работает в миссии, актуальной для научного сообщества. Теперь вы можете использовать его для решения всех видов задач по проектированию миссий. Математика не зависит от конкретной миссии. А поскольку в этом методе используется вариационное исчисление, то, что мы называем методом косвенного оптимального управления, он гарантирует, что вы получите как минимум локально оптимальное решение».
Исследование является частью проекта, возглавляемого профессором Рови и многоинституциональной командой, известной как Объединенный институт перспективных двигателей (JANUS). Их работа финансируется НАСА в рамках новой инициативы Института космических и технологических исследований (STRI). Рови возглавляет группу диагностики и фундаментальных исследований вместе с доктором Джоном Д. Уильямсом, профессором машиностроения и директором Лаборатории электродвижения и плазменной инженерии в Университете штата Колорадо (CSU).
Как отметил Клайн, их работа над многорежимной двигательной установкой может произвести революцию в том, как небольшие космические корабли перемещаются между Землей и Луной, Марсом и другими небесными телами:
«Это новая технология, поскольку ее аппаратная часть все еще разрабатывается. Это дает нам возможность выполнять все виды миссий, которые без него мы бы не смогли выполнить. И это улучшается, потому что, если у вас есть конкретная концепция миссии, вы можете сделать больше с помощью многорежимной силовой установки. У вас больше гибкости. У вас больше адаптивности.
«Я думаю, что это захватывающее время для работы над многорежимной двигательной установкой, как с точки зрения аппаратного обеспечения, так и с точки зрения проектирования миссий. Мы разрабатываем инструменты и методы, чтобы взять эту технологию из того, что мы тестируем в подвале лаборатории Талбота, и превратить ее во что-то, что может оказать реальное влияние на космическое сообщество».
Дополнительная литература Университет Иллинойса Урбана-Шампейн, Акта Астронавтика
