Ученые МФТИ и Института прикладной математики РАН разработали систему для полетов к межзвездным объектам, залетевшим в Солнечную систему. Она сокращает расход топлива примерно на 30% и способна перехватить объект независимо от направления его подлета. Результаты исследования опубликованы в журнале Advances in Space Research.
Когда в Солнечную систему залетает объект из другой звездной системы, у ученых есть всего несколько месяцев, чтобы его изучить. Межзвездные кометы и астероиды движутся на огромной скорости и быстро покидают Солнечную систему.
Например, астероид 1I/Оумуамуа в 2017 году поймали уже на вылете из Солнечной системы. Его наблюдали около 120 дней. На изучение комет 2I/Борисов и 3I/ATLAS было около полугода. Но даже этого времени недостаточно, чтобы отправить к объектам космические аппараты, рассмотреть их в деталях и собрать образцы их грунта для изучения на Земле.
Тогда ученым пришла идея, разместить в разных точках на орбите вокруг Солнца сеть спутников с большими солнечными парусами. Когда телескопы обнаруживают межзвездный объект, система рассчитывает оптимальные траектории и время полета и выбирает спутник для выполнения миссии. Он включает ионные двигатели малой тяги и направляется к Солнцу. Используя его мощную гравитацию, аппарат ускоряется и совершает рывок к межзвездному гостю.
В новом исследовании ученые МФТИ и Института прикладной математики РАН нашли способ радикально сократить расход топлива во время этого маневра. Они разработали алгоритм, который во время разгона распределяет нагрузку между двумя системами: солнечным парусом и обычными ионными двигателями.
«Во время падения к Солнцу спутник не складывает парус, а непрерывно регулирует угол его наклона, чтобы получить дополнительное ускорение от солнечных частиц в нужном направлении. Проблема в том, что парус может создавать тягу лишь в ограниченной области — обычно этого не хватает. Поэтому мы вывели математическую теорему поточечного проецирования. В каждый момент времени наш алгоритм сравнивает нужный вектор оптимального ускорения с тем, что способен дать парус. И если парус не справляется, недостаток мгновенно компенсируют ионные двигатели», — рассказал Махди Ахлумади, доцент кафедры теоретической механики МФТИ.
Численное моделирование провели на примере Оумуамуа. Этот астероид пролетал через Солнечную систему в 2017 году. Ученые рассчитали, что для встречи с объектом на расстоянии 1,5 астрономических единиц от Солнца требуется изменить скорость аппарата на 21 км/с. Почти половину этого прироста обеспечивает солнечный свет. Без паруса весь маневр пришлось бы выполнять с помощью двигателей, что потребовало бы около 40 кг топлива. Гибридная схема сокращает эту цифру до 30 кг.
Ученые также рассчитали, на каком расстоянии от Солнца энергетически наиболее выгодно перехватывать межзвездные объекты. Оказалось, чем дальше находится объект от Солнца, тем тяжелее его догнать с помощью гравитационного маневра. Если астероид находится на расстоянии 1,5 астрономических единиц (полтора расстояния от Земли до Солнца), то возможных траекторий полета к нему много, но на расстоянии в две астрономических единицы остаются только две траектории.
Согласно модели, для перехвата объекта с любого направления достаточно восьми аппаратов, расставленных на орбите Земли вокруг Солнца.
Сейчас разработка существует на уровне расчетов и алгоритмов. Для практического воплощения системы нужны солнечные паруса примерно в 40 раз легче, чем парус существующего сейчас аппарата Solar Cruiser. С появлением новых сверхлегких материалов эта работа ляжет в основу проектирования миссий быстрого реагирования.
