Китайский ученый разработал в Самаре программу для эффективного управления спутниками при освоении Луны

Разработка продлит срок жизни и повысит надежность окололунных спутниковых группировок

Молодой китайский ученый Ду Чунжуй разработал в Самарском университете им. Королёва – вузе-участнике национального проекта “Наука и университеты” – программный комплекс для эффективного управления спутниками в окололунном пространстве. Разработка пригодится в перспективе при освоении Луны – для обеспечения полноценной работы будущей Лунной космической станции и создания на Луне спутниковых систем связи, навигации и мониторинга.

В Самарском университете им. Королёва Ду Чунжуй окончил аспирантуру и в этом году успешно защитил диссертацию на соискание учёной степени кандидата технических наук перед диссертационным советом университета. В дальнейшем он намерен вести научную и преподавательскую деятельность в одном из университетов Китая.

“В настоящее время многими странами разрабатывается концепция лунной космической станции – ЛКС. Такая станция может использоваться в качестве базовой платформы для исследования Луны, других планет, а также для изучения проблем, которые могут возникать при долгосрочных полетах человека в дальний космос. Для работы станции и проведения исследовательских миссий на самой Луне, безусловно, потребуются обслуживающие космические аппараты – спутники, которые будут выполнять задачи связи, разведки, мониторинга и навигации, – рассказал автор проекта Ду Чунжуй. – Разработанная мною программа позволит эффективно управлять движением таких космических аппаратов в окололунном пространстве, рассчитывая оптимальные варианты их перемещения между различными орбитами. Методики выбора оптимального управления, разработанные мною совместно с моим научным руководителем, уменьшат необходимость в дополнительных запусках электроракетных двигателей для коррекции орбиты, а это значит, что запасов топлива на борту космических аппаратов будет хватать на более продолжительную эксплуатацию аппаратов и время активной работы спутниковой системы увеличится”.

Как отметил ученый, с помощью программы можно будет более оперативно менять рабочие орбиты спутников в зависимости от возникающих задач – например, если возникнет необходимость срочно обследовать какой-то район Луны, который ранее не входил в зону покрытия того или иного спутника, или же понадобится обеспечить этот район устойчивой связью и сигналами навигации в связи с отправкой туда, например, лунной экспедиции.

Программа автоматически рассчитывает параметры закона управления для перемещения космических аппаратов, учитывая множество данных – массу спутника, траекторию движения, вид текущей и будущей орбиты, гравитационное влияние Луны и Земли и т.д. Типы орбит, которые можно выбрать и рассчитать, самые разные – начиная от простой эллиптической и заканчивая орбитой, напоминающей движение крыльев бабочки, она так и называется – орбита баттерфляй (“бабочка” по-английски).

Важная научная и практическая новизна проекта Ду Чунжуя состоит в том, что программа рассчитывает полеты спутников не вокруг Луны, а около нее – в окололунном пространстве, вокруг так называемых точек Лагранжа, или точек либрации. В этих особых точках космического пространства различные физические силы так компенсируют взаимное воздействие друг на друга, что небольшой объект, очутившийся в такой точке, оказывается как бы в гравитационной “невесомости” или гравитационном равновесии – его не притягивает, не влечет ни к одному из двух массивных вращающихся небесных тел, под чье влияние он, казалось бы, попал (например, пары Земля и Луна или Земля и Солнце). Но на этом “чудеса” точек Лагранжа не заканчиваются. Как установили ученые, если по орбитам вокруг этих точек запустить космические аппараты, то траектории их движения будут весьма устойчивыми и мало подверженными внешнему влиянию, то есть, будут надежными и стабильными.

Всего на каждую систему вращающейся пары небесных тел приходится по пять точек либрации. Программа китайского ученого рассчитывает орбиты для двух точек, наиболее важных при будущем освоении Луны – это точки с лаконичными названиями L1 и L2 в системе Земля – Луна. Точка L1 находится между Землей и Луной и, по общему мнению большинства космических исследователей, является идеальным местом для размещения Лунной космической станции. Точка L2 находится за обратной стороной Луны, и на орбитах вокруг этой точки можно разместить спутники, которые будут помогать осваивать эту невидимую с Земли часть Луны. Кстати, еще в 2018 году Китай разместил в точке L2 свой спутник-ретранслятор “Цюэцяо”, обеспечивший связью лунную станцию “Чанъэ-4”.

“Раньше никто не делал подобных программ для расчета перемещений между различными орбитами вокруг точек Лагранжа, в этом главная новизна данного проекта. Дело в том, что орбиты вокруг точек Лагранжа гораздо более устойчивы, стабильны и надежны, и для размещения спутниковых группировок в окололунном пространстве лучше использовать их, чем нестабильные орбиты вокруг Луны. Причина в гравитационных аномалиях Луны – геометрически она так сильно отличается от симметричной сферической формы, что орбитальное движение на низких окололунных орбитах является нестабильным. У спутника, летающего вокруг Луны, траектория движения будет постоянно искажаться, придется то и дело включать двигатели, чтобы скорректировать орбиту, то есть, топливо и срок работы такого спутника закончатся гораздо быстрее, чем, скажем, у его околоземного “коллеги”. Стабильные орбиты вокруг точек Лагранжа лишены таких недостатков, и я даже думаю, что в будущем нас, возможно, ожидает соперничество за использование орбит у этих точек как за весьма важные, но пространственно ограниченные локации космического пространства”, – отметила научный руководитель Ду Чунжуя, заведующая кафедрой динамики полета и систем управления Самарского университета им. Королёва Ольга Старинова.

Справочно

Точки Лагранжа (точки либрации) существуют в системах, состоящих из двух массивных небесных тел (например, пары Земля и Луна или Земля и Солнце), где тело с меньшей массой вращается вокруг тела с большей массой. Из-за взаимного уравновешивания центробежной силы и гравитационных сил в подобных системах возникают пять пространственных точек, находясь в которых, третье тело с очень малой массой (например, спутник или частицы межпланетной пыли) может оставаться неподвижным во вращающейся системе отсчета, связанной с массивными телами. Точки Лагранжа получили своё название в честь французского математика Жозефа Луи Лагранжа, который в 1772 году путем математических вычислений сделал вывод о существовании этих особых точек.