Когда космический корабль прибывает в пункт назначения, он выходит на орбиту для научных операций. Но после завершения основной миссии могут появиться и другие интересные орбиты, которые ученые захотят исследовать. Для перехода на другую орбиту требуется топливо, что ограничивает количество маневров космического корабля.
Исследователи обнаружили, что некоторые орбитальные траектории допускают изменение орбиты без использования топлива. Но выяснение этих путей также требует больших вычислительных затрат. Было показано, что теория узлов облегчает поиск этих путей, позволяя прокладывать наиболее экономичные маршруты. Это похоже на то, как наше программное обеспечение GPS-картографии прокладывает для нас наиболее эффективные маршруты здесь, на Земле.
В математике теория узлов — это исследование замкнутых кривых в трех измерениях. Представьте себе, что вы смотрите на завязанное ожерелье или клубок лески и пытаетесь понять, как их распутать наиболее эффективным способом.
Точно так же траекторию космического корабля можно рассчитать в густонаселенной планетной системе – например, вокруг Юпитера и всех его спутников – где лучший, самый простой и наименее запутанный маршрут может быть рассчитан математически.
Согласно новой статье в журнале Astrodynamics «Применение теории узлов для обнаружения гетероклинических связей между квазипериодическими орбитами», использование теории узлов для распутывания сложных маршрутов космических кораблей уменьшит количество компьютерных мощностей или просто догадок при построении графика. изменения орбит космических аппаратов.
«Раньше, когда такие организации, как НАСА, хотели проложить маршрут, их расчеты основывались либо на грубой силе, либо на догадках», — сказал Дэнни Оуэн, аспирант по астродинамике, в пресс-релизе Университета Суррея. «Наша новая технология аккуратно выявляет все возможные маршруты, по которым космический корабль может пройти от А до Б, при условии, что обе орбиты имеют общий энергетический уровень».
Оуэн добавил, что этот новый процесс значительно упрощает задачу планирования миссий. «Мы думаем об этом как о трубке [subway] карта космоса», — сказал он.
Навигация космического корабля осложняется тем, что ничто в космосе не имеет фиксированного положения. Навигаторам приходится решать задачи расчета точных скоростей и ориентаций вращающейся Земли, вращающегося пункта назначения, а также движущегося космического корабля, в то время как все они одновременно перемещаются по своим орбитам вокруг Солнца.
Поскольку топливо является ограниченным ресурсом для большинства миссий, было бы полезно требовать как можно меньше топлива при внесении каких-либо изменений в курс космического корабля на орбите.
Навигаторы космических кораблей используют так называемые гетероклинические орбиты — часто называемые гетероклиническими соединениями — которые представляют собой пути, которые позволяют космическому кораблю перемещаться с одной орбиты на другую, используя наиболее эффективное количество топлива, а иногда и вообще не используя его. Но для этого обычно требуется большая мощность компьютера или много времени.
Но Оуэн и соавтор Никола Барези, преподаватель орбитальной механики в Университете Суррея, написали, что, используя теорию узлов, они разработали «метод надежного обнаружения гетероклинических связей», как они написали в своей статье, для быстрого получения грубых данных. траектории, которые затем можно уточнить. Это дает штурманам космических кораблей полный список всех возможных маршрутов с назначенной орбиты, и можно выбрать тот, который лучше всего подходит для миссии. Затем они смогут выбрать тот, который лучше всего соответствует их миссии.
Исследователи проверили свою технику на различных планетных системах, включая Луну и галилеевы спутники Юпитера.
«Вдохновленная программой НАСА «Артемида», новая гонка на Луну вдохновляет проектировщиков миссий по всему миру на исследование экономичных маршрутов, которые позволят лучше и эффективнее исследовать окрестности Луны», — сказал Барези. «Наша технология не только упрощает эту громоздкую задачу, но и может быть применена к другим планетным системам, таким как ледяные спутники Сатурна и Юпитера».
