Межпланетные перелеты малогабаритных космических аппаратов: проблемы баллистики и пути их решения
https://doi.org/10.17285/0869-7035.0077
Аннотация
Последнее десятилетие отмечено бурным ростом количества миссий, где используются малые космические аппараты (КА) массой до нескольких десятков килограммов, включая кубсаты, применяемые во многих областях. Перечисление и анализ реализованных, разрабатываемых и планируемых миссий стало уже бесперспективным делом для научной статьи: информация меняется настолько быстро, что, пожалуй, лишь интернет-ресурсы способны уследить за всеми изменениями на этом рынке. Околоземные миссии кубсатов все больше и больше становятся прерогативой инженеров и технологов, строятся даже заводы, серийно производящие малые КА для массового применения. Эта тенденция пока не затронула межпланетные миссии на базе малых КА, поскольку технологии, используемые для разработки больших КА, предназначенных для межпланетных миссий, ограниченно применимы для малых аппаратов, что касается и баллистических аспектов таких миссий. В первую очередь это связано с тем, что у них недостаточно энергетических возможностей для существенного изменения траектории движения, передачи сигнала на дальние расстояния, автономности существования, навигационного обеспечения аппаратов и радиационной стойкости в межпланетном пространстве. С точки зрения научной новизны решаемых КА задач и основы для баллистической реализации именно межпланетные миссии при влекают внимание исследователей. В работе обсуждаются способы межпланетного передвижения малых КА и формулируются проблемы, требующие решения в недалеком будущем.
Ключевые слова
Об авторе
М. Ю. Овчинников
Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН
Россия
Россия
Овчинников Михаил Юрьевич. Доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник, Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН (Москва).
Список литературы
1. https://en.wikipedia.org/wiki/CubeSat (обращение 01.10.2021).
2. https://www.busek.com/rf-ion-thrusters (обращение 01.10.2021).
3. https://www.nasa.gov/artemis-1 (обращение 01.10.2021).
4. https://www.jpl.nasa.gov/cubesat/missions/marco.php (обращение 01.10.2021).
5. Walker, R., Walker, R., Binns, D., Bramanti, C., Casasco, M., Concari, P., Izzo, D., Feili, D., Fernandez, P., Fernandez, J.G., Hager, Ph., Koschny, D., Pesquita, V., Wallace, N., Carnelli, I., Khan, M., Scoubeau, M., Taubert, D., Deep-space CubeSats:thinking inside the box, Astronomy & Geophysics, 2018, vol. 59, issue 5, pp. 5.24–5.30, https://doi.org/10.1093/astrogeo/aty232.
6. https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_missions_to_the_Moon (обращение 01.10.2021).
7. Cheetham, B., Cislunar Autonomous Positioning System Technology Operations and Navigation Experiment (CAPSTONE), https://arc.aiaa.org/doi/10.2514/6.2020-4140.
8. Trofimov, S., Shirobokov, M., Tselousova, A., Ovchinnikov, M., Transfers from near-rectilinear halo orbits to low-perilune orbits and the Moon’s surface, Acta Astronautica, 2020, vol. 167, pp. 260–271, https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2019.10.049.
9. Parker, J., Cheetham, B., Gardner, T., Forsman, A., Kayser, E., Keynote: CAPSTONE: Pathfinder for the Lunar Gateaway, 72nd International Astronautical Congress (IAC), 2021, Dubai, United Arab Emirates, IAC-21-B4.3.1, 7 p.
10. https://en.wikipedia.org/wiki/ZhengHe_(spacecraft) (обращение 01.10.2021).
11. Creech, S.D., NASA’s Space Launch System: Launch Capability for Lunar Exploration and Transformative Science, IEEEXplore, 21 August 2020, DOI: 10.1109/AERO47225.2020.9172508.
12. Racca, G.D., Marini, A., Stagnaro, L., van Dooren, J., di Napoli, L., Foing, B.H., Volp, J., Brinkmann, J., Grünagel, R., Estublier, D., Tremolizzo, E., McKay, M., Camino, O., Schoemaekers, J., Hechler, M., Khan, M., Rathsman, P., Andersson, G., Anflo, K., Berge, S., Bodin, P., Edfors, A., Hussain, A., Kugelberg, J., Larsson, N., Ljung, B., Meijer, L., Mörtsell, A., Nordebäck, T., Persson, S., Sjöberg, F., SMART-1 Mission Description and Development Status, Planetary and Space Science, 2002, vol. 50, pp. 1323–1337.
13. Ovchinnikov, M., Shirobokov, M., Trofimov S., Barabash, S., Atterwall, P.-E., Low-thrust microspacecraft delivery to a lunar orbit after the launch to GTO or MEO, 71st International Astronautical Congress (IAC) – The CyberSpace Edition, 12–14 October 2020, IAC-20-C1.4.13, 8 p.
14. Kakoi, M., Howell, K.C., Folta, D., Access to Mars from Earth-Moon libration point orbits: Manifolds and direct options, Acta Astronautica, 2014, vol. 102, pp. 269–286. DOI: 10.1016/j.actaastrp.2014.06.010.
15. Graziani, F., Sparvieri, N., Carletta, S., A low-cost Earth-Moon-Mars mission using a microsatellite platform, 71st International Astronautical Congress (IAC) – The CyberSpace Edition, 12–14 October 2020, IAC-20-C1.4.16, 9 p.
16. Malphrus, B., Freeman, A., Staehle, R., Klesh, A., Walker, R., Interplanetary Cubesat missions, CubeSat Handbook. From Mission Design to Operations, 1st Edition, Editors: Ch. Cappelletti, S. Battistini, B. Malphrus, Academic Press, 2020, pp. 85–121.
17. Келдыш М.В., Ершов В.Г., Охоцимский Д.Е., Энеев Т.М. Теоретические исследования по ди- намике полета к Марсу и Венере // Келдыш М.В. Избранные труды. Ракетная техника и космонав- тика. М.: Наука, 1988, С. 243–261.
18. Платонов А.К. О построении движений в баллистике и мехатронике // Прикладная небесная механика и управление движением. Сборник статей, посвященный 90-летию со дня рождения Д.Е.Охоцимского / Составители: Т.М. Энеев, М.Ю. Овчинников, А.Р. Голиков. М.: ИПМ им. М.В. Келдыша, 2010. С. 127–222. https://keldysh.ru/memory/okhotsimsky/platonov.pdf.
19. Space Launch System (SLS), Block 1B Secondary Payloads: ESPA-Type and 27U Cubesat Potential Accommodations, White Paper, April 12, 2019, https://ntrs.nasa.gov/citations/20190020091.
20. SLS Mission Planner’s Guide, December 19, 2018, https://ntrs.nasa.gov/citations/20170005323 (обращение 01.10.2021).
21. Shirobokov, M., Trofimov, S., Parametric Analysis of Low-Thrust Lunar Transfers with Resonant Encounters, Advances in the Astronautical Sciences, 2016, vol. 158, pp. 579–603.
22. Левантовский В.И. Механика космического полета в элементарном изложении. 3-е изд., дополн. и переработ. М.: Наука. Главн. ред. физ.-мат. лит-ры, 1980. 512 с.
23. Oberth, H., Wege zur Raumschiffahrt, R. Oldenbourg Verlag, Munich-Berlin, 1929.
24. https://www.hou.usra.edu/meetings/V2050/pdf/8203.pdf (обращение 01.10.2021).
25. Belbruno, E., The Dynamical Mechanism of Ballistic Lunar Capture Transfers in the Four-Body Problem from the Perspective of Invariant Manifolds and Hill’s Regions, Centre de Recerca Matematica, Preprint, 1994, 24 p.
26. Malphrus, B., Zhirkina, P., Brown, K., Folta, D., Brambora, C., Hurford, T., Grubbm, M., Tsay, M., Clark, P., The lunar IceCube EM-1 mission: Prospecting the Moon for water ice, IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine, 2019, vol. 34, issue, pp. 6–14, doi: 10.1109/MAES.2019.2909384.
27. Folta, D.C., Bosanac, N., Cox, A., Howell, K.C., The lunar IceCube mission design: construction of feasible transfer trajectories with a constrained departure, 26th AAS/AIAA Space Flight Mechanics Meeting, February 2016, AAS AAS 16-285, 19 p.
28. Conley, C.C., Low energy transit orbits in the restricted three-body problem, SIAM J. Appl. Math., 1968, vol. 16, issue 4, pp. 732–746.
29. Lo, M., Williams, B., Bollman, W., Han, D., Hahn, Y., Bell, J., Hirst, E., Corwin, R., Hong, P., Howell, K., Barden, B., Wilson, R., GENESIS mission design, Journal of the Astronautical Sciences, 2001, vol. 49, no.1, pp. 169–184.
30. Lo, M.W., The Interplanetary Superhighway and the Origins Program, IEEE Aerospace Conference, March 2002, Big Sky, MT, USA.
31. Kakoi, M., Howell, K., Folta, D., Access to Mars from Earth-Moon Libration Point Orbits: Manifold and Direct Options, Acta Astronautica, 2014, vol. 102, pp. 269–286, https://dx.doi.org/10.1016/j.actaastro. 2014.06.010.
32. Ciaglia, S., Benigno, N.R., El Hariry, M., Tricarico, P., Marchese, V., Battezzati, N., Simonetti, S., A Validation and Calibration Methodology for Autonomous Navigation of Small Satellites, 72nd International Astronautical Congress (IAC), 24-29 October, 2021, Dubai, United Arab Emirates, IAC- 21-B4.8.3, 7 p. 33. Segret, B., Vannitsen, J., Agnan, M., Porquet, A., Sleimi, O., Deleflied, F., Miaub, J.-J., Juang, J.-Ch., Wang, K., BIRDY: an interplanetary CubeSat to collect radiation data on the way to Mars and back to prepare the future manned missions, Proceedings, 2014, vol. 9150, Modeling, Systems Engineering, and Project Management for Astronomy VI; 91501N, doi: 10.1117/12.2056114. 34. Segret, B., Mosser, B., Autonomous Orbit Determination for a CubeSat Cruising in Deep Space, arXiv: 2104.09989v1 [astro-ph.IM] 20 Apr 2021, 18 p.
Рецензия
Для цитирования:
Овчинников М.Ю. Межпланетные перелеты малогабаритных космических аппаратов: проблемы баллистики и пути их решения. Гироскопия и навигация. 2021;29(4):3-21. https://doi.org/10.17285/0869-7035.0077
For citation:
Ovchinnikov M.Yu. Interplanetary Small-Satellite Missions: Ballistic Problems and Their Solutions. Giroskopiya i Navigatsiya. 2021;29(4):3-21. (In Russ.) https://doi.org/10.17285/0869-7035.0077
Просмотров:
5
Послать статью по эл. почте 