Ученые Самарского университета разработали инновационный метод очистки космических орбит от мусора, используя математическое моделирование «сдувания» объектов ионным пучком. Эта технология призвана обеспечить безопасность космических станций и спутников, предотвращая возможные аварии. Подробности исследования представлены в научном журнале Vestnik St. Petersburg University, Mathematics.
Даже мельчайшие частицы космического мусора представляют серьезную угрозу для космических аппаратов из-за их высоких скоростей. Столкновение с более крупными обломками, например, неисправными спутниками или фрагментами ракетных ступеней, может привести к полному разрушению даже таких масштабных объектов, как Международная космическая станция (МКС).
Для эффективного удаления космического мусора с орбит специалисты Самарского национального исследовательского университета имени академика С.П. Королева (Самарский университет) ранее предложили концепцию установки на космических аппаратах специального устройства, способного «сдувать» опасные объекты с траектории. Позднее ими был разработан «гибридный» метод бесконтактной очистки.
Доцент кафедры теоретической механики Самарского университета Александр Ледков пояснил, что этот метод сочетает в себе электростатическое воздействие (притяжение или отталкивание) на объект мусора с его обдувом потоком из электродвигателя космического аппарата-уборщика.
«Принцип работы достаточно прост,» — объяснил Ледков. «Космический аппарат-уборщик направляет на фрагмент мусора струю своего электрореактивного двигателя. Частицы этой струи воздействуют на поверхность объекта, создавая небольшую силу, которая используется для его перемещения. В результате космический мусор замедляется и сходит с орбиты.»
Исследователи столкнулись с существенными вычислительными трудностями при моделировании бесконтактной очистки орбиты ионным потоком. Из-за крайне малой ионной силы (сотые доли ньютона) процесс удаления мусора может длиться месяцами. Точный расчет такого продолжительного процесса, осложненный влиянием угловых колебаний мусора на ионную силу, требует огромных вычислительных ресурсов.
Ледков отметил, что даже университетский суперкомпьютер не справляется с этой задачей напрямую, поскольку численное интегрирование уравнений движения требует последовательных вычислений. Для всестороннего планирования и анализа миссии необходимы многочисленные и длительные расчеты. Он провел параллель с ранним этапом космонавтики, когда недостаток вычислительных мощностей стимулировал разработку приближенных асимптотических методов для создания менее ресурсоемких, но точных математических моделей. По его словам, сегодня подобные «наработки старой школы» вновь оказываются актуальными.
В ответ на вычислительные сложности ученые Самарского университета разработали упрощенную модель, значительно облегчающую анализ процесса бесконтактной ионной транспортировки космического мусора.
Соавтор исследования, студент направления «Механика и математическое моделирование» Самарского университета Данил Бакулин, пояснил, что, используя уравнения Гаусса в осциллирующих переменных и метод усреднения Волосова, им удалось вывести приближенные уравнения движения космического мусора. Эти уравнения, хоть и менее ресурсоемкие, демонстрируют высокую точность, сопоставимую с первоначальной, более сложной моделью.
Ученые подчеркивают особую ценность разработанной модели при расчете транспортировки вращающегося космического мусора. Этот новый аналитический инструмент позволит углубленно изучить различные аспекты миссии по бесконтактной очистке орбиты, приближая решение этой острой глобальной проблемы.
