Использование многорежимной тяги для более эффективных путешествий в космосе

Траектория Земля–Марс с минимальным расходом топлива при движении CubeSAT по инерции, а также в режиме 1-малая тяга и режиме 2-большая тяга. Автор: Acta Astronautica (2024). DOI: 10.1016/j.actaastro.2024.07.020

В ходе двух проектов исследователи из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне исследовали возможность использования концепции многорежимного движения для доставки космического корабля на Луну и разработали методику проектирования оптимальных многорежимных перелетов.

«Мы впервые продемонстрировали возможность использования многорежимного движения в лунных миссиях, имеющих отношение к NASA, особенно с CubeSats», — сказал аспирант по аэрокосмической инженерии Брайан Клайн. «В других исследованиях использовались произвольные задачи, что является отличной отправной точкой. Наше исследование — первый высокоточный анализ многорежимного проектирования миссии для лунных миссий, имеющих отношение к NASA».

Исследование, в котором рассматривались четыре лунные траектории, имеющие отношение к NASA, «Lunar SmallSat Missions with Chemical-Electrospray Multimode Propulsion», было проведено Клайном и Джошуа Рови из Университета Иллинойса, Хари Паркером и Хосе Дж. Росалесом из Центра космических полетов имени Годдарда NASA и Стивеном Уэстом из Space Exploration Engineering. Оно опубликовано в журнале Journal of Spacecraft and Rockets.

Клайн сказал, что одним из преимуществ многорежимной тяги по сравнению с гибридной системой является то, что может быть большая экономия сухой массы космического корабля. Например, потребность только в одном топливном баке экономит массу и объем.

«Многорежимные двигательные системы также расширяют диапазон производительности», — сказал он. «Мы описываем их как гибкие и адаптивные. Я могу выбрать химический режим с высокой тягой, чтобы быстро добраться куда-то, и электрораспылительный режим с низкой тягой, чтобы совершать меньшие маневры, чтобы оставаться на желаемой орбите. Наличие нескольких доступных режимов может снизить расход топлива или сократить время для выполнения цели вашей миссии».

Также имеются преимущества по сравнению с гибридными двигательными системами, которые имеют несколько режимов движения, но каждый из которых использует отдельное топливо.

«Я могу выбрать использование высокой тяги в любое время и низкой тяги в любое время, и неважно, что я делал в прошлом. С гибридной системой, когда один бак пуст, я не могу выбрать эту опцию».

Клайн сказал, что для завершения каждой из контрольных миссий по проектированию для этого проекта они делали все выборы вручную, то есть, когда использовать высокую тягу, а когда — низкую. Поскольку все это было вручную, траектории не были оптимальными. После этой работы Клайн разработал алгоритм, набор уравнений, для автоматического выбора, когда использовать высокую тягу, а когда — низкую, чтобы гарантировать, что полученная траектория будет оптимальной.

«Это был совершенно другой зверь, где основное внимание уделялось разработке метода, а не конкретным результатам, показанным в статье. Мы разработали первую косвенную оптимальную методику управления специально для проектирования многорежимных миссий. В результате мы можем разрабатывать переходы, которые подчиняются законам физики, достигая при этом определенной цели, такой как минимизация расхода топлива или времени перехода», — сказал Клайн.

Сначала Клайн решил простой двумерный переход между Землей и Марсом, который определяет оптимальное время для использования высокой тяги, низкой тяги или просто свободного полета. Затем он решил трехмерный переход на геостационарную орбиту, который минимизирует расход топлива.

«Мы показали, что метод работает в миссии, которая имеет отношение к научному сообществу», — сказал он. «Теперь вы можете использовать его для решения всех видов проблем проектирования миссий. Математика не зависит от конкретной миссии. И поскольку метод использует вариационное исчисление, то, что мы называем косвенным оптимальным методом управления, он гарантирует, что вы получите по крайней мере локально оптимальное решение».

Клайн сказал, что многорежимная тяга появляется, становится возможной и совершенствуется. «Это новая технология, потому что она все еще разрабатывается с точки зрения аппаратного обеспечения. Она позволяет нам выполнять все виды миссий, которые мы не смогли бы выполнить без нее. И она совершенствует, потому что если у вас есть определенная концепция миссии, вы можете сделать больше с многорежимной тягой. У вас больше гибкости. У вас больше адаптивности.

«Я думаю, что сейчас самое время поработать над многорежимной двигательной установкой, как с точки зрения оборудования, так и с точки зрения проектирования миссии. Мы разрабатываем инструменты и методы, чтобы взять эту технологию из того, что мы тестируем в подвале Talbot Lab, и превратить ее во что-то, что может оказать реальное влияние на космическое сообщество».

Больше информации: Bryan C. Cline et al, Lunar SmallSat Missions with Chemical-Electrospray Multimode Propulsion, Journal of Spacecraft and Rockets (2024). DOI: 10.2514/1.A35820
Bryan C. Cline et al, Indirect optimal control techniques for multimode propulsion mission design, Acta Astronautica (2024). DOI: 10.1016/j.actaastro.2024.07.020 Больше информации: Bryan C. Cline et al, Lunar SmallSat Missions with Chemical-Electrospray Multimode Propulsion, Journal of Spacecraft and Rockets (2024). DOI: 10.2514/1.A35820
Bryan C. Cline et al, Indirect optimal control techniques for multimode propulsion mission design, Acta Astronautica (2024). DOI: 10.1016/j.actaastro.2024.07.020

Источник: University of Illinois at Urbana-Champaign