Школа механики - космический пастух с ионным хлыстом (Ion Beam Shepherd)

Александр Ледков рассказывает о проекте Ion Beam Shepherd – системе бесконтактной транспортировки космического мусора ионным потоком. Он показывает, как методы математического моделирования используются при создании принципиально новых космических систем.

Если вы хотите узнать больше об обучении по направлению «Механика и математическое моделирование», посетите наш сайт http://tm.ssau.ru/ru/abiturientam/, а еще у нас есть группа вконтакте https://vk.com/termech_vk

 

 

В настоящее время в околоземном пространстве находится огромное количество сломанных спутников и ступеней ракет, которые после доставки груза в космос десятки и даже сотни лет остаются на орбите. Этот космический мусор мешает работе других спутников и при неблагоприятном развитии событий может на века закрыть человечеству дорогу в космос.

Уборка космического мусора является важной научно-технической задачей, и я хочу рассказать об одном интересном решении, над которым мы сейчас активно работаем, ну и попутно показать, как современные методы теоретической механики и математического моделирования используются при создании принципиально новых космических систем.

Когда ученые приступили к разработке систем уборки комического мусора, они столкнулись с серьезной проблемой. Дело в том, что сами по себе спутники и ступени ракет не предназначены для стыковки с другими космическими аппаратами, их параметры известны весьма приближенно, а еще они могут вращаться с довольно большой угловой скоростью. Поэтому захват или стыковка с космическим мусором это очень сложная и опасная операция. Эти трудности привели к возникновению различных проектов систем бесконтактной транспортировки, которые не предполагают механического контакта. Я расскажу вам о концепции, которая была предложена в 2011 году испанскими учеными и получила название Ion Beam Shepherd. По-русски это звучит как «Пастух с ионным лучом».

Как убрать мячик с ладони не прикасаясь к нему? Можно просто подуть на него, ну или использовать фен. В космосе туго с воздухом, зато можно использовать реактивную струю двигателя космического аппарата. Врезаясь в поверхность космического мусора частицы реактивной струи будут оказывать на неё силовое воздействие. Расчеты и лабораторные испытания показывают, что современные электродинамические двигатели малой тяги могут создавать силу в несколько десятков миллиньютонов. Это не много, но вполне достаточно для решения поставленной задачи. Итак, космический аппарат подлетает к космическому мусору, и направляет на него реактивную струю своего двигателя. Поскольку двигатель создает тягу, космический аппарат начнет удаляться от обдуваемого объекта. Для того чтобы удерживать его возле мусора аппарат нужно оснастить еще одним противоположно направленным двигателем.

Эксперименты на орбите очень дороги, поэтому если требуется разработать какую-то новую систему, ученые сначала создают математические модели и с помощью компьютера проверяют, как проектируемая система будет работать в тех или иных условиях. Для рассматриваемой системы с помощью теорем и методов теоретической механики были получены математические уравнения. При этом всю черновую работу вроде нахождения производных, проведение алгебраических и тригонометрических преобразований взял на себя компьютер. Для вывода и упрощения уравнений использовался мощный математический пакет Maple. Для расчета воздействия частиц реактивной струи на поверхность тела была написана программа на языке python. При разработке активно использовалась известная в программистской среде система контроля версий Git. Вся поверхность тела разбивалась на маленькие треугольники и рассчитывалось воздействие реактивной струи на каждый из них. Полученные уравнения движения были использованы при написании расчетной программы в макете Matlab, где собственно и проводилось основное моделирование. Позже в целях оптимизации написанный на python модуль был портирован в matlab.

Расчеты показали, что спуск с круговой орбиты радиусом 500 км ступени массой полторы тонны займет около 200 дней, что на самом деле не так много, поскольку без уборки ступень болталась бы на орбите еще не одно десятилетие.

После того как жизнеспособность идеи была подтверждена расчетом, мы задались вопросом: а можно ли уменьшить время спуска и расход топлива? Оказывается да. Дело в том, что на величину передаваемой реактивной струей силы большое влияние оказывает ориентация космического мусора внутри потока. Мы придумали, как с помощью реактивной струи можно управлять угловым положением космического мусора, чтобы более эффективно передавать ему силу. Тут возможны различные подходы. Можно поворачивать струю, обдувая разные части транспортируемого объекта, а можно не меняя направления специальным образом менять величину тяги. Комбинированная схема оказалась не очень эффективной. Мы получили математические формулы для законов управления и подтвердили их эффективность компьютерным моделированием. Имея эти результаты и знания можно приступать к разработке прототипов и экспериментальных образцов.

Сегодня создание новых космических систем не обходится без предварительной разработки математических моделей и проведения компьютерных симуляций. В институте ракетно-космической техники мы учим создавать такие модели, пользуясь современными программными средствами и подходами. Мы даем нашим студентам фундаментальное образование на базе глубокого изучения математики, механики и информатики. Полученные знания позволяют легко адаптироваться к изменяющимся условиям современного мира и при необходимости быстро осваивать различные прикладные области. Наши выпускники работают и в науке, и в промышленности, в образовании, IT сфере и управлении. Поступая на направление «Механика и математическое моделирование» в Самарский Университет вы открываете себе множество траекторий для построения дальнейшей карьеры.