Vesmírné opravy nové generace za využití družic CubeSat

Aby byl vesmírný servis bezpečnější a efektivnější, vytvořili vědci metodu optimalizace trajektorie pro CubeSaty, která je úsporná a bez kolizí. Jejich algoritmus umožňuje malým kosmickým sondám spolupracovat při sestavování nebo opravách vesmírných teleskopů a díky pokročilému matematickému modelování překonávat problémy vzdáleností v hlubokém vesmíru. Zásadní průlom v jejich výzkumu nastal uprostřed letu letadlem, kdy byl konečně vyřešen přetrvávající numerický problém. Kromě vesmíru má tato metodika široké uplatnění i pro jiné plánování trajektorií.

Dláždění cesty pro servis kosmických observatoří
Vzhledem k tomu, že stále více družic, teleskopů a kosmických sond je určeno k opravám na oběžné dráze, je nezbytné zajistit, aby se k nim servisní kosmické aparatury mohly bezpečně dostat. Výzkumníci z katedry leteckého a kosmického inženýrství Illinoiské univerzity v Urbana-Champaign vyvíjejí metodu, která umožňuje spolupráci několika družic CubeSat při montáži nebo opravě kosmických teleskopů. Jejich přístup minimalizuje spotřebu paliva, zajišťuje, že CubeSaty zůstanou od sebe vzdáleny alespoň pět metrů, aby se předešlo kolizím, a lze jej použít i při problémech s navigací, které nesouvisejí s vesmírem.

Zajištění bezpečného a efektivního provozu družic CubeSat
„Vyvinuli jsme schéma, které umožňuje efektivní provoz CubeSatů bez srážek,“ uvedl doktorand Ruthvik Bommena. „Tyto malé kosmické sondy mají omezené možnosti palubních výpočtů, takže jejich trajektorie jsou předem vypočítány inženýry navrhujícími mise.“

Bommena a jeho fakultní poradkyně Robyn Woollandsová testovali algoritmus simulací rojů dvou, tří nebo čtyř CubeSatů, které přepravovaly modulární komponenty mezi servisním zařízením a opravovaným vesmírným teleskopem.

„Tyto trajektorie se obtížně počítají a konkretizují, ale my jsme přišli s novou technikou, která zaručuje jejich optimálnost,“ řekl Bommena.

Překonávání problémů spojených s vesmírnými vzdálenostmi
Bommena uvedl, že nejobtížnějším aspektem je rozsah vzdáleností. Oběžná dráha vesmírného dalekohledu Jamese Webba se nachází ve vzdálenosti asi 1,5 milionu kilometrů, v Lagrangeově bodě L2 v soustavě Slunce-Země. Je to místo, kde se gravitační síly Slunce a Země vzájemně vyrovnávají, což z něj činí ideální místo ve vesmíru pro družice pro pozorování hlubokého vesmíru, které mohou udržovat oběžnou dráhu a zároveň směřovat od Slunce.

„Aniž bychom se pouštěli do technických detailů, použili jsme metody nepřímé optimalizace, abychom zaručili, že výstupní řešení je optimální pro množství paliva. Přímé metody to nezaručují. Do formulace optimálního řízení jsme také začlenili omezení proti kolizi jako tvrdé omezení, takže kosmická sonda v žádném bodě trajektorie toto omezení neporuší.“

Bommena vysvětlil, že tradiční přímé nebo nepřímé metody s omezeními, jako je vyhýbání se kolizím, rozdělují trajektorii na více oblouků, což exponenciálně zvyšuje složitost. „Naše metodika umožňuje řešit trajektorie jako jednotlivé oblouky. Prostě jdeme z výchozího bodu přímo do cílového bodu. Je to optimálnější z hlediska paliva a výpočetně efektivnější.“

Vývoj nového modelu pro navigaci v hlubokém vesmíru
Dalším významným výsledkem výzkumu je vývoj nového rámcového dynamického modelu s omezeným vztahem k cíli pro problém tří těles.

„Potřebovali jsme zmírnit numerické problémy, které vyplývají z velké vzdálenosti mezi Sluncem a Zemí,“ řekl Bommena. „Za tímto účelem jsme nejprve posunuli střed soustavy podél osy x z barycentra Slunce-Země do polohy Lagrangeova bodu L2 a poté jsme odvodili pohybové rovnice vzhledem k cílové družici. Zavedli jsme také novou jednotku vzdálenosti použitím škálovacího faktoru, který se proporcionálně upravuje vzhledem k původnímu měření vzdálenosti.“

Průlom ve výšce 30 000 stop
Bommena uvedl, že s Woollandsovou na tomto projektu pracovali asi rok a půl. Průlom nastal během dálkového letu. „Matematika fungovala na papíře. Hlavním problémem, se kterým jsme se potýkali, byla práce s čísly. Kódoval jsem během dlouhého letu. Zkusil jsem pár věcí a najednou řešení konvergovalo. Nejdřív jsem tomu nevěřil. Byl to velmi vzrušující okamžik a následujících několik dní jsem se cítil úžasně.“

Za hranice vesmíru: Všestranné aplikace metodiky
Bommena uvedl, že ačkoliv cílem této práce je bezpečnější a efektivnější servis a montáž ve vesmíru, metodika, kterou vyvinuli, je velmi univerzální a lze ji použít i v jiných scénářích optimalizace trajektorií s různými omezeními.

Zdroj: https://scitechdaily.com/next-gen-space-repair-using-cubesats-for-precision-servicing-missions/

autor: František Martinek