Траектория Земля-Марс с минимальным расходом топлива на холостом ходу CubeSAT и в Режиме 1 — малая тяга и Режиме 2 — высокая тяга. Фото предоставлено: Acta Astronautica (2024 г.). DOI: 10.1016/j.actaastro.2024.07.020
В рамках двух проектов исследователи из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне изучили использование концепции движения, известной как многорежимная двигательная установка, для доставки космического корабля на Луну, и разработали метод проектирования оптимальных многорежимных переходов.
НАСА предоставило команде четыре реальных сценария миссии. Цель заключалась в том, чтобы исследовать, как многорежимная силовая установка, объединяющая как химический режим высокой тяги, так и электрический режим малой тяги, при использовании одного и того же топлива, может быть успешной. Они исследовали использование стандартного CubeSat из 12 модулей для выполнения четырех различных миссий.
«Мы впервые продемонстрировали возможность использования многорежимной двигательной установки в лунных миссиях, важных для НАСА, особенно с помощью CubeSat», — сказал доктор философии. для аэрокосмической техники. Студент Брайан Клайн. «В других исследованиях использовались произвольные задачи, что является хорошей отправной точкой. Наше исследование — это первый высокоточный анализ конструкции многорежимных миссий для лунных миссий, имеющих отношение к НАСА».
Исследование «Лунные миссии SmallSat с многомодовым химическим электрораспылением», в котором изучались четыре лунные орбиты, имеющие отношение к НАСА, проводят Клайн и Джошуа Рови из Университета Иллинойса, Хари Паркер и Хосе Дж. Розалес из Центра космических полетов имени Годдарда НАСА. и Стивен Уэст из компании Space Exploration Engineering. Он опубликован в журнале Spacecraft and Rockets.
По словам Клайна, одно из преимуществ многорежимной двигательной установки перед гибридной системой заключается в том, что можно добиться значительной экономии сухой массы космического корабля. Например, необходимость иметь только один топливный бак экономит массу и объем.
«Многорежимные двигательные установки также расширяют сферу возможностей», — сказал он. «Мы описываем их как гибкие и адаптируемые. Я могу выбрать химический режим с высокой тягой, чтобы быстро добраться куда-нибудь, и режим электрораспыления с низкой тягой, чтобы выполнять меньшие маневры, чтобы оставаться на желаемой орбите. Наличие нескольких режимов потенциально может снизить расход топлива или сократить время достижения цели вашей миссии».
Есть также преимущества перед гибридными силовыми установками, которые имеют несколько режимов движения, но каждый из которых использует отдельное топливо.
«Я могу выбрать высокую тягу в любое время и низкую тягу в любое время, и не имеет значения, что я делал в прошлом. В гибридной системе, если бак пуст, я не могу выбрать этот вариант».
Клайн сказал, что для выполнения каждой из эталонных миссий по проекту они принимали все решения вручную, то есть когда использовать высокую тягу, а когда низкую. Поскольку все делалось вручную, траектории не были оптимальными. После этой работы Клайн разработал алгоритм, набор уравнений, позволяющий автоматически выбирать, когда использовать высокую и низкую тягу, чтобы гарантировать, что полученная траектория будет оптимальной.
«Это был совсем другой вопрос, когда 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 трансмиссии, которые подчиняются законам физики, одновременно достигая конкретной цели, например минимизации расхода топлива или времени переключения», — сказал Клайн.
Клайн первым решил простой двумерный переход между Землей и Марсом, который определил оптимальное время для использования высокой тяги, низкой тяги или простого холостого хода. Затем он решил трехмерный переход на геостационарную орбиту, позволяющий минимизировать расход топлива.
Исследование, в ходе которого был разработан метод «Методы непрямого оптимального управления для проектирования многорежимных двигательных миссий», проведено Клайном и Алексом Паскареллой и их научными руководителями Робин Вулландс и Джошуа Рови. Он будет опубликован в журнале Acta Astronautica.
«Мы показали, что этот метод работает для решения задачи, актуальной для научного сообщества», — сказал он. «Теперь вы можете использовать его для решения всех видов проблем проектирования 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 хотя бы одно локально оптимальное решение».
Клайн сказал, что многорежимные двигатели находятся на подъеме, расширяя возможности и совершенствуясь. «Это новая технология, поскольку ее аппаратное обеспечение все еще развивается. Это позволяет нам выполнять все виды миссий, которые мы не смогли бы выполнить без него. И это обогащает, потому что, когда у вас есть конкретная концепция миссии». Благодаря многорежимному приводу у вас появляется больше гибкости.
«Я думаю, что сейчас захватывающее время для работы над многорежимной двигательной установкой, как с точки зрения аппаратного обеспечения, так и с точки зрения проектирования миссии. 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.
Информация от: Университетом Иллинойса в Урбана-Шампейн.
