Ученые Самарского университета имени Королева (вуза - участника национального проекта "Наука и университеты") придумали и рассчитали, как значительно - на 20-40 % уменьшить количество топлива, необходимого для проведения исследовательских миссий к спутникам Юпитера. Сэкономить удастся за счет использования атмосферы Юпитера для торможения. Уменьшение количества необходимого для полета топлива позволит соответственно увеличить объем полезной нагрузки, которую можно будет дополнительно брать на борт: научную аппаратуру и оборудование.
Отправка исследовательского зонда к планете, астероиду или комете, как правило, всегда сопряжена с необходимостью решения проблемы торможения - аппарат сначала разгоняется по траектории полета, а затем тратит немало топлива на то, чтобы погасить эту набранную скорость, притормозить, не пролетев мимо заданной цели или не врезавшись в нее. Это как при поездке в автомобиле - подъезжая, куда нужно, водитель заранее снижает скорость и тормозит. Только вот шин и асфальта в космосе нет. Зато есть плотная атмосфера Юпитера.
С помощью разработанного программного комплекса ученые университета проложили маршруты миссии с Земли к четырем крупнейшим юпитерианским спутникам - Ганимеду, Каллисто, Ио и Европе - и рассчитали специальный аэродинамический тормозящий маневр, который должен выполнить космический аппарат у Юпитера, чтобы погасить набранную для путешествия от Земли скорость. Тормозить предлагается с помощью атмосферы этой гигантской газовой планеты: космический аппарат на определенной скорости и под точно рассчитанным углом на время войдет в плотную атмосферу Юпитера, снизит скорость до нужного уровня и далее благополучно "вынырнет" на орбиту того или иного спутника, в зависимости от цели миссии. Главное - чтобы космический аппарат не перегрелся, не сгорел из-за трения об атмосферу и не разрушился от перегрузок.
Как рассказала заведующая кафедрой динамики полета и систем управления Самарского университета имени Королева профессор Ольга Старинова, Юпитер и его крупнейшие галилеевы спутники представляют значительный научный интерес для изучения и этот интерес продолжает расти:
- Например, совсем недавно, в апреле этого года, состоялся запуск межпланетной станции Европейского космического агентства JUICE, аппарат займется изучением Ганимеда, Европы и Каллисто. При совершении межпланетного перелета к Юпитеру основной проблемой является большая скорость, необходимая для осуществления этого самого перелета и формирования требуемой орбиты в сфере действия планеты, для этого требуются значительные запасы топлива для двигателей аппарата. Мы рассчитали, что снизить затраты топлива можно за счет использования аэродинамического маневра в плотной юпитерианской атмосфере. Уменьшение расхода топлива в целом на миссию составит от 20 до 40 процентов в зависимости от выбранного спутника, это, соответственно, позволит увеличить массу полезной нагрузки космического аппарата.
Она подчеркнула, что расчет такого маневра представляет собой очень сложную задачу и для его выполнения и моделирования был задействован специально разработанный программный комплекс, учитывающий множество параметров будущих миссий к спутникам Юпитера. При применении аэродинамического маневра торможения в верхних слоях атмосферы на космический аппарат действуют перегрузки, значения которых могут превышать предельно допустимые. Кроме того, при движении в атмосфере существенно повышается температура поверхности аппарата, что может привести к нагреву и выходу из строя целевой аппаратуры. Поэтому при моделировании маневра проводился тщательный контроль ограничений по температуре нагрева поверхности и максимальным перегрузкам.
- Расчет подобного маневра является одной из наиболее сложных научно-технических задач в динамике полета, поскольку требует учета большого числа технических ограничений - по максимальной перегрузке космического аппарата, скоростному напору, предельной температуре поверхности аппарата. Использование дополнительных технических средств обхода этих ограничений - например, установка тепловых экранов или упрочнение конструкции - может привести к такому увеличению общей массы космического аппарата, что эффективность аэродинамического маневра существенно снизится или даже станет отрицательной. Поэтому нами был проведен всесторонний проектно-баллистический анализ использования аэродинамического маневра, не сводящийся только к математическому моделированию движения аппарата в атмосфере Юпитера, - отметила Ольга Старинова.
В качестве модельного при прокладке маршрута миссии и анализе эффективности маневра рассматривался космический аппарат с электроракетными двигателями. Были рассчитаны углы входа и глубина погружения в юпитерианскую атмосферу для миссий к каждому из четырех галилеевых спутников. Самой сложной и затратной по ресурсам оказалась миссия к Ганимеду, наиболее простой - к Каллисто. Кстати, именно Каллисто, по мнению ученых, может стать местом размещения будущей космической базы - на этом спутнике относительно низкий уровень радиационного фона по сравнению с остальными тремя галилеевыми спутниками.
