На Луне создадут первый космопорт с системой управления движением космических аппаратов
NASA планирует создать вокруг Луны первый космический порт Gateway, который в будущем должен стать узловым пунктом для пилотируемых кораблей Orion, лунных посадочных аппаратов, грузовых кораблей и астронавтов. Однако для безопасной работы такого комплекса потребуется решить необычную задачу — организовать движение нескольких космических аппаратов на одной сложной орбите.
Инженеры Техасского университета A&M совместно со специалистами NASA и Университета Пердью разработали математические алгоритмы и операционные стратегии, которые должны регулировать движение космических аппаратов вокруг Gateway. Исследование посвящено управлению орбитальным движением, включая ситуации, когда кораблям приходится некоторое время находиться в ожидании перед стыковкой или отправлением.
Gateway будет работать на так называемой почти прямолинейной гало-орбите (Near-Rectilinear Halo Orbit, NRHO). Эта сильно вытянутая орбита проходит примерно в 1600 километрах от северного полюса Луны, а затем удаляется почти на 64 000 километров за её южный полюс. Траектория формируется под совместным воздействием гравитации Земли и Луны.
Такая орбита позволяет поддерживать практически непрерывную связь с Землёй и требует относительно небольшого количества топлива для коррекции траектории. Однако её сложная гравитационная динамика значительно усложняет одновременное движение нескольких космических аппаратов.
По мере развития лунной программы в районе Gateway могут одновременно находиться космическая станция, прибывающий корабль Orion с экипажем, грузовой аппарат и лунный посадочный модуль. При недостаточно точном управлении их траектории могут сблизиться, создав угрозу столкновения.
Одним из решений исследователи называют управляемое «барражирование» — временное удержание космического аппарата в определённой точке относительно Gateway до момента, когда он сможет безопасно пристыковаться или покинуть орбиту.
В отличие от самолётов, которые могут оставаться неподвижными у терминала, космические аппараты постоянно движутся по орбитам. Поэтому задача заключается в том, чтобы удерживать ожидающие корабли достаточно далеко друг от друга, но при этом не заставлять их совершать лишние манёвры и расходовать значительное количество топлива.
Для поиска оптимальной схемы специалисты провели тысячи компьютерных симуляций. В расчётах учитывались ошибки навигации, неточности работы двигателей и небольшие возмущения, которые могут возникать во время будущих миссий программы Artemis.
Моделирование показало, что относительно небольшое увеличение количества корректирующих манёвров позволяет значительно повысить точность удержания космических аппаратов в заданных положениях. При этом дополнительный расход топлива остаётся небольшим.
Исследователи предлагают размещать ожидающие корабли вдоль орбиты Gateway в своеобразной последовательности, которую они сравнивают с бусинами на нитке. Каждый аппарат будет находиться на рассчитанном расстоянии впереди или позади станции и постепенно перемещаться к ней по мере приближения времени стыковки или отправления.
Такая схема позволит повысить предсказуемость движения, упростить планирование сближений и стыковок и снизить вероятность опасного сближения космических аппаратов.
По мнению авторов работы, подобная система станет одним из первых элементов будущего управления движением в окололунном пространстве. По мере увеличения количества миссий вокруг Луны необходимость в таких правилах будет становиться всё более актуальной.
Gateway в перспективе должен стать частью транспортной инфраструктуры между Землёй и Луной и использоваться для поддержки экспедиций на поверхность Луны. Поэтому разработанные алгоритмы могут стать основой для координации движения кораблей в районе станции.
Исследование в журнале Acta Astronautica.