Ученые Самарского университета разработали инновационный метод очистки космических орбит от мусора. Их подход, основанный на математическом моделировании «сдувания» объектов с помощью ионного пучка, призван значительно повысить безопасность орбитальных станций и спутников. Детали исследования были представлены в научном журнале Vestnik St. Petersburg University, Mathematics.
Даже малейшее столкновение с космическим мусором представляет серьезную угрозу для космических аппаратов из-за их высоких скоростей. Более крупные объекты, например, вышедшие из строя спутники или фрагменты ракет, могут привести к катастрофическим разрушениям, вплоть до полного уничтожения Международной космической станции (МКС).
В попытке решить проблему очистки орбит от космического мусора, исследователи Самарского национального исследовательского университета имени С.П. Королева ранее предложили устанавливать на космических аппаратах специальные устройства, способные «сдувать» мусорные объекты с их текущих траекторий. Впоследствии они усовершенствовали эту идею, представив «гибридный» метод бесконтактной уборки.
Согласно доценту кафедры теоретической механики Самарского университета , этот метод объединяет электростатическое воздействие (притяжение или отталкивание) на объект мусора с его обдувом потоком из электродвигателя космического аппарата-уборщика.
«Принцип действия довольно прост: аппарат-уборщик направляет струю своего электрореактивного двигателя на фрагмент космического мусора. Частицы струи взаимодействуют с его поверхностью, создавая небольшую, но достаточную силу. Эта сила используется для замедления и последующего сведения мусора с орбиты», — объяснил Александр Ледков.
В ходе работы над бесконтактным удалением космического мусора с помощью ионного потока, ученые столкнулись с серьезной проблемой. Из-за крайне малой ионной силы, измеряемой сотыми долями ньютона, процесс очистки орбиты может растягиваться на месяцы. Кроме того, точный расчет такого продолжительного воздействия, учитывающий влияние угловых колебаний мусора на ионную силу, требует колоссальных вычислительных ресурсов.
«Несмотря на наличие суперкомпьютера в университете, он малоэффективен для этой задачи, так как численное интегрирование уравнений движения требует последовательных вычислений. Планирование миссии и анализ требуют множества длительных расчетов. В прошлом, ограниченность вычислительных ресурсов способствовала развитию асимптотических методов, позволяющих создавать точные, но менее ресурсоемкие математические модели. Сейчас, спустя полвека, мы снова обращаемся к проверенным подходам «старой школы»», — отметил Ледков.
Для преодоления этой вычислительной сложности, команда Самарского университета разработала упрощенную математическую модель. Эта модель значительно облегчает анализ процесса бесконтактной транспортировки космического мусора с использованием ионного потока.
Соавтор исследования, студент направления «Механика и математическое моделирование» Самарского университета , пояснил: «Используя уравнения Гаусса в осциллирующих переменных и метод усреднения Волосова, мы вывели приближенные уравнения движения космического мусора. Результаты, полученные с помощью этой упрощенной модели, демонстрируют хорошее совпадение с исходной, более сложной моделью, при этом значительно снижая вычислительные требования».
Ученые подчеркивают, что новая модель особенно эффективна при расчете траекторий вращающегося космического мусора. Этот инструмент позволит им более детально исследовать различные аспекты миссии по бесконтактной очистке орбиты и значительно приблизиться к решению этой насущной глобальной проблемы.
