Космос // Данил Иванов

Управление движением распределенных космических систем на базе малых космических аппаратов

Facebook
Twitter
Google+
Pinterest
Vkontakte
Odnoklassniki
180 1
В чем заключаются основные положения динамики космического полета, что такое групповой полет, в чем его преимущество над миссией одиночного аппарата и как можно организовать рой наноспутников? В чем нюансы ключевых трендов в освоении космического пространства: миниатюризации, предотвращении образования космического мусора и развитии распределенных космических систем?

Меня зовут Данил Иванов. Я разрабатываю алгоритмы для автономного управления движением спутников в Институте прикладной математики им. М. В. Келдыша РАН.

Некоторое время назад Университет Вюрцбурга в Баварии запустил интересную миссию группового полета: четыре аппарата формата 3U CubeSat летят строем, который представляет собой тетраэдр, чтобы выполнять 3D-измерение параметров облаков. Почему этот проект так важен и что именно в нем представляет интерес? Давайте разбираться.

В этой статье и лекции, размещенной в материалах ниже, мы поговорим об основных положениях физики полета, наноспутниках и распределенных космических системах, а также рассмотрим несколько примеров космических миссий группового полета.

Как летают космические аппараты?

Задачи, связанные с реализацией космического полета, решает баллистика — и, как любая наука о движении, она прежде всего основана на физике и математике. Первая позволяет нам понять, какие силы действуют на космический аппарат во время полета, а вторая — с учетом этих знаний рассчитать его траекторию. Так что приготовьтесь стряхнуть пыль с учебников по этим дисциплинам.

Основа динамики космических полетов — центральная гравитационная притягивающая сила. Она действует между двумя массивными телами и направлена по линии, соединяющей их центры масс. Эта центральная сила определяет основные типы траектории космического полета: эллиптическую, параболическую и гиперболическую. Правда, на практике космические аппараты летают либо по эллиптическим, либо по гиперболическим траекториям — ведь чтобы лететь по параболе, нужно иметь нулевую суммарную энергию, а это недостижимо.

Притягивающая сила позволяет совершать так называемые гравитационные маневры во время межпланетных перелетов — то есть изменять траекторию космического аппарата, используя гравитацию небесных тел. Что это значит?

Представьте, что космический аппарат подлетает к притягивающей планете и попадает в ее сферу действия (гравитация планеты больше, чем гравитация всех остальных тел). Аппарат летит по гиперболической траектории и в ближайшей к притягивающему центру точке дает небольшой импульс — это позволяет ему значительно увеличить скорость и даже получить к ней прибавку, которая обусловлена движением притягивающего центра относительно Солнца. То есть аппарат забирает кинетическую энергию у планеты, тем самым эффективно расходуя топливо. В основном все межпланетные миссии строятся с использованием таких гравитационных маневров.

То есть, не используя гравитацию, аппараты не летают?

Представим, что аппарат движется под действием не одного притягивающего тела, а двух: допустим, Земли и Луны или Земли и Солнца. В таком случае для него возникают интересные положения. Например, точки либрации — в них сумма всех действующих на аппарат сил равна нулю. Таких точек в любой системе из двух массивных тел всего пять, их существование открыл в 1772 году французский математик Жозеф Луи Лагранж.

По сути, точки либрации — это места, в которых почти не работает гравитация. Они являются так называемыми положениями равновесия: если мы поместим туда аппарат с нулевой начальной скоростью, то он там и останется.

Три из пяти точек либрации лежат на оси, образованной двумя притягивающими центрами, — они называются коллинеарными.

Еще точки либрации могут образовывать с притягивающимися телами равносторонний треугольник, в котором сторона равна расстоянию между центрами массы. В подвижной системе вроде Земля–Луна таких треугольников может быть два, соответственно, и точек либрации в таком положении две — их называют треугольными.

Интересно, что треугольные точки устойчивы: если мы немножко отклоним от точки аппарат, он останется в ее окрестностях, — а коллинеарные неустойчивы: если мы немного промахнулись и начальная скорость аппарата ненулевая, он улетит.

Вокруг неустойчивых точек либрации можно двигаться по гало-орбитам — это вытянутые эллиптические необычные траектории. Сейчас международное сообщество, NASA, Европейское космическое агентство, Роскосмос и другие хотят именно на таких орбитах строить МКС для начала освоения Луны. Американцы вообще считают, что, если там будет станция, оттуда будет проще стартовать в сторону Марса, и называют это deep space gateway.

А если далеко не улетать, оставаться над Землей?

Под воздействием гравитации Земли спутники могут двигаться по самым разным орбитам, каждая из которых по тем или иным свойствам хороша.

Самая известная — геостационарная орбита. Аппарат, по сути, зависает над точкой на экваторе, и период обращения спутника по такой орбите равен практически суткам.

Эта орбита очень привлекательна для систем связи и спутников дистанционного зондирования земли: если мы повесим со стороны нашего полушария спутник, он всегда будет в поле зрения наземных радиолокационных средств. Все спутниковые тарелки телевидения смотрят в сторону геостационарных спутников.

Еще есть орбиты «Молния», очень интересные. Это эллиптические орбиты, но если смотреть на поверхность Земли, подспутниковая точка будет вычерчивать восьмерки — то есть всегда находиться где-то в окрестности той или иной долготы. Спутники на таких орбитах используются для радиопередачи, для снимков Земли и зондирования определенной части планеты.

А также есть солнечно-синхронные орбиты, которые очень привлекательны для дистанционного зондирования Земли. Это низкие орбиты, и тут особенно интересно следующее. За счет того, что Земля немного сплюснута на полюсах, орбиты изменяются согласно возмущениям со стороны этой сплюснутости и прецессируют, то есть плоскость орбиты немножко меняется, она поворачивается. И для солнечно-синхронных орбит скорость этого поворота равна, по сути, годовому движению Земли относительно Солнца. То есть если мы запустим спутник на такую орбиту, он всегда будет пролетать над поверхностью Земли в одних и тех же условиях освещенности.

Для того чтобы управлять положением аппарата и изменять его орбиту, нужна реактивная тяга, которая реализуется с помощью бортового двигателя. Хотя это не единственный способ. Например, сейчас набирают популярность так называемые космические паруса, где ускорение для изменения орбиты приобретается за счет силы солнечного давления. То есть большой отражающий парус на космическом аппарате за счет изменения ориентации относительно солнечных лучей позволяет добиваться тяги, нужной для того, чтобы изменить орбиту. Но так как величина силы очень маленькая, нужно больше времени, чтобы это сделать, — зато такой способ совсем не требует топлива.

Законы физики космических полетов, естественно, не меняются со временем. А вот наши потребности и задачи на орбите — наоборот. Чтобы выполнять их эффективнее, человечество постоянно ищет новые подходы, и один из них — использование в миссиях распределенных космических систем.

Что такое распределенная космическая система?

Как правило, это несколько космических аппаратов, которые объединены в единую систему и работают для достижения общей цели.

Можно разделить распределенные космические системы на несколько подклассов. Первый — это констелляции, «созвездия» спутников, когда спутники двигаются по похожим орбитам, но не взаимодействуют между собой и каждый спутник управляется отдельно с Земли. Пример — система навигационных спутников GPS/ГЛОНАСС.

Второй — групповые полеты, когда расстояние между аппаратами маленькое и управлять ими с Земли сложно, нужны именно автономные алгоритмы управления такими близко летящими спутниками. Собственно, я занимаюсь как раз такими алгоритмами.

Из групповых полетов самая известная миссия, решившая полезную задачу — это миссия GRACE. В ней было всего два аппарата, измерявших расстояние между друг другом и по этой информации восстановивших распределение масс на поверхности Земли. В том числе они могли предсказывать землетрясения. Это было в 2000-х годах.

А как управлять спутниками в такой системе?

Первоочередная задача — поддерживать небольшое относительное расстояние, потому что, исходя из динамики космического полета, если два спутника пассивно летят рядом, то со временем они просто разлетятся в разные стороны.

При этом между спутниками в распределенной космической системе возможны разные виды взаимодействия. Если есть аппарата два, то один из них может быть пассивным (как в случае уборки космического мусора) или оба могут быть активными: один как-то сам поворачивается или меняет орбиты, а второй подстраивается под первый.

Если аппаратов много, один из них может быть материнским, а остальные, дочерние, под него подстраиваются. Главный аппарат при этом может посылать команды всем дочерним, а может не посылать — дочерние сами будут отслеживать. Тут есть разные варианты.

Но представьте сотни таких аппаратов. Есть миссии, где их планируются тысячи — например, известная группировка спутников связи StarLink через 5 лет будет насчитывать до 42 тысячи спутников. Тут уже становится выгодно не иметь один главный аппарат, а сделать так, чтобы каждый спутник в системе был независим от остальных и принимал решения об управлении так же, как человек, идущий в толпе.

Таким образом, есть два подхода: централизованный и децентрализованный.

Какие спутники включают в состав распределенных космических систем?

Начнем с классификации малых космических аппаратов (это все аппараты, которые меньше 500 кг). Есть микроспутники, они меньше 100 кг. И еще два десятилетия назад такой вес считался суперпрогрессивным, ранние аппараты весили по несколько тонн. Далее идут наноспутники — массой меньше 10 кг. Далее по уменьшению: пикоступники — меньше 1 кг, фемптоспутники — меньше 100 г. Спутник формата ChipSat, например, весит меньше 10 г.

Самым популярным форматом наноспутников являются CubeSat, или кубсаты, — такие кубики размером 10×10×10 сантиметров. Можно объединить несколько кубов (или юнитов) в составе одного спутника. Так, спутник с двумя юнитами будет обозначаться 2U, с тремя — 3U и так далее. Говорят, бывают даже 12U, но это уже микроспутник, он будет весить больше 10 кг — считается, что один юнит весит около 1 кг.

Есть идея развития CubeSat, которая заключается в предложении делать стандартизованные по размерам спутники. Тогда мы сможем делать какие-то стандартные пусковые контейнеры, будем их устанавливать на ракетах-носителях и запускать в качестве дополнительной нагрузки. То есть ракета, запускающая многотонный спутник, будет облеплена контейнерами, которые запускают маленькие спутники — благодаря унификации их будет легко и достаточно дешево запускать. Эта идея получила сильное развитие, и сейчас CubeSat запускают практически все.

В России нет удобных пусковых контейнеров для запуска с МКС, так что космонавт во время работ в открытом космосе берет мешок с наноспутниками и начинает запускать их руками. Это очень плохо, потому что космонавт не может запустить спутник без придания ему начальной угловой закрутки. И первый спутник, который так запускали, имел огромную угловую скорость. Была, конечно, система успокоения этого вращения, но успокоение заняло месяц, а время жизни спутника было всего 4 месяца.

А когда запускали «СириусСат» компании «Спутникс», к 1U CubeSat пришлось приделать ручку, чтобы космонавт смог его запустить — такие вот забавные российские реалии. Спутник в итоге полетел, а это самое главное для компании.

CubeSat очень популярны, у компании Planet labs чуть ли не 500 3U CubeSat с камерами, которые делают фото. Считается, что это самая большая констелляция. Это не групповые полеты, они управляются с Земли. И очень много университетов, особенно на Западе, делают какой-нибудь CubeSat, запускают его, и студенты отрабатывают свои идеи. Также их используют фирмы для научных и прикладных целей.

У NASA совместно со студентами была миссия PhoneSat, когда они внутрь CubeSat положили смартфон и использовали его бортовой компьютер, встроенные датчики и камеру.

Предполагается, что супермаленькие спутники типа ChipSat могут что-то измерять, слать информацию на CubeSat, а он уже будет сбрасывать информацию на Землю. ChipSat — это спутник на печатной плате с размером 3,5×3,5 см и весом около 10 г, несущий на себе практически все системы стандартного спутника. Была миссия KickSat в прошлом году, когда из CubeSat запустили 105 чипсатов, но они были пассивными и через некоторое вермя просто разлетелись.

Мы же хотим, чтобы чипсаты не разлетались по орбите, а летали как рой — по некоторым случайным, но ограниченным траекториям. Тогда можно будет измерять набор параметров в ограниченном объеме. Мы уже придумали, как это сделать с помощью электромагнитных катушек, которые всегда есть на аппаратах для гашения начальной угловой закрутки. Мы думаем, что если расстояния маленькие, то можно использовать силу электромагнитного взаимодействия, чтобы управлять этим роем. Там интересные результаты получаются: спутники хаотично двигаются между собой, взаимодействуют, но в итоге создают ограниченные траектории.

В каких случаях распределенные системы выгоднее использовать, чем одиночные спутники?

Один космический аппарат, ровно как один робот или один человек, конечно, может что-то делать, но когда появляется множество единиц, которые взаимодействуют и решают какую-то общую задачу, мы получаем новое качество и новые способности. Со спутниками то же самое. Главная особенность распределенной космической системы в том, что если один элемент выйдет из строя, то в целом ничего не нарушится и работа продолжится: отряд не заметит потери бойца.

Поэтому и на Земле в технических системах, и в космосе этот тренд явно отслеживается. Это будет отказоустойчивая система. Плюс можно построить распределенную систему измерений. Сейчас на орбите летает множество аппаратов, которые снимают поверхность Земли.

Для чего применяют распределенные космические системы?

Есть такая компания Planet, раньше она называлась Planet labs. Они запускают небольшие оснащенные камерами спутники формата 3U CubeSat, которые сканируют поверхность Земли. За счет того, что спутников много, они могут создать стереокартинку, иногда это важно. К тому же они сканируют с какой-то заданной частотой, нужной для решения определенных задач — например, для контроля за стройкой или экологической ситуацией. С одним аппаратом такого сделать невозможно. Он летит, снимает, повторяемость пролета над одной и той же точкой, зависит, конечно, от камеры и от орбиты, но она не такая высокая.

Также сейчас думают о сервисных работах на орбитах. Например, спутник сломался, нужно его починить — можно послать второй аппарат, чтобы это сделать, можно несколько аппаратов. Кто-то предлагает вообще собирать с помощью таких аппаратов космические станции.

Еще один пример группового полета — взаимодействие спутника с куском космического мусора. Чтобы предотвратить столкновение мусора с космическими аппаратами, нужно убрать с орбиты хотя бы большие его части. Для этого нужно запустить аппарат, который схватит этот мусор и с помощью собственного двигателя направит его либо в сторону Земли, чтобы он сгорел в атмосфере, либо на так называемые орбиты захоронения, чтобы этот вопрос когда-нибудь решили наши потомки.

Правда, реальных миссий, которые убрали бы хоть один космический обломок еще не было. В прошлом году была миссия RemoveDebris, которая с собой принесла мусор и потом его с собой забрала — и всё.

Для научных исследований очень важно иметь несколько спутников, которые летают на небольших расстояниях друг от друга, — чтобы измерять трехмерное распределение тех или иных параметров.

Сейчас летает миссия Magnetospheric Multiscale. Это американская миссия, в которой четыре спутника, которые измеряют, что происходит в хвосте магнитосферы Земли.

Институт ядерной физики МГУ хочет три спутника запустить на низкую околоземную орбиту. Есть интересное атмосферное явление из разряда гроз, которые бьют не в сторону Земли, а в сторону ионосферы, то есть от Земли. И эти эффекты еще недостаточно изучены. Интересно узнать, что там происходит и где это происходит.

Успешные миссии группового полета

Была интересная шведская миссия Prisma. Два аппарата — Mango и Tango — протестировали множество подходов к управлению и определению положения. По сути, это была техническая демонстрация возможностей группового полета — вся информация была открыта, можно было наблюдать за всеми этими тестами. Для спецов это было прекрасно.

Миссия Mars Cube One, которая передала информацию о том, что на поверхность Марса удачно спустился аппарат InSight. Там было два кубсата 6U — чтобы второй подхватил, если первый сломается. Их целью было передать информацию о том, насколько успешно прошла посадка. Там не было какого-то подходящего ретранслятора, потому решили опробовать два CubeSat. Это была миссия группового полета, они летели недалеко друг от друга, была межспутниковая связь. Во время презентации какой-то профессор давал интервью и сказал, что до последнего не верил, что хоть один из них заработает. То есть до сих пор сохраняется некоторое недоверие к малым спутникам, потому что они всё-таки не такие надежные, как большие. Как правило, мало времени уделяется наземным отработкам, так как время их создания очень маленькое. Кроме того, зачастую используются не предназначенные для длительного полета в космосе компоненты. Однако высокая вероятность отказа и недолгое время жизни таких аппаратов компенсируется их большим количеством и возможностью оперативно дополнять орбитальную группировку новыми спутниками.

Что посмотреть о распределенных космических системах?

    ПОДПИШИСЬ НА НАШУ ТЕХНО-РАССЫЛКУ
    ПОДПИШИСЬ
    НА НАШУ ТЕХНО-РАССЫЛКУ