Ученые Самарского университета разработали инновационный метод очистки космических орбит от мусора, основанный на математическом моделировании «сдувания» объектов с помощью ионного пучка. Этот подход призван существенно снизить риски столкновений и аварий для космических станций и спутников. Результаты исследования были представлены в журнале Vestnik St. Petersburg University, Mathematics.
Даже мельчайшие фрагменты космического мусора представляют серьезную угрозу для орбитальных аппаратов из-за их высокой скорости. Более крупные объекты, такие как вышедшие из строя спутники или части ракетных ступеней, способны полностью разрушить даже такие массивные сооружения, как Международная космическая станция (МКС).
Ранее эксперты Самарского национального исследовательского университета имени академика С.П. Королева уже предлагали концепцию устройства, устанавливаемого на космических аппаратах для «сдувания» мусора с опасных орбит. Позднее они усовершенствовали эту идею, представив «гибридный» метод бесконтактной очистки.
Доцент кафедры теоретической механики Самарского университета Александр Ледков пояснил, что этот метод сочетает электростатическое воздействие (притяжение или отталкивание) с обдуванием объекта потоком из электродвигателя космического аппарата. «Принцип довольно прост: аппарат-уборщик создает струю из электрореактивного двигателя, которая, сталкиваясь с поверхностью мусора, формирует небольшую силу. Эта сила используется для перемещения объекта, замедляя его и выводя с орбиты», — детализировал Ледков.
Однако при разработке технологии бесконтактной очистки ионным потоком ученые столкнулись с проблемой: ионная сила крайне мала (сотые доли ньютона), из-за чего процесс выведения мусора с орбиты может длиться месяцы. Моделирование столь продолжительного процесса, учитывающее влияние угловых колебаний мусора на ионную силу, оказалось чрезвычайно ресурсоемким.
Ледков отметил, что даже университетский суперкомпьютер не справляется с этой задачей эффективно, так как численное интегрирование уравнений движения требует последовательных вычислений. Планирование миссий и анализ требуют множества таких длительных расчетов. Он также подчеркнул, что в начале космической эры, сталкиваясь с ограниченными вычислительными мощностями, ученые активно развивали приближенные асимптотические методы. Эти методы позволяли создавать математические модели с меньшими требованиями к ресурсам, сохраняя при этом нужную точность. По словам Ледкова, сейчас вновь актуализировались подходы «старой школы».
Чтобы преодолеть эту вычислительную сложность, специалисты Самарского университета разработали упрощенную модель, значительно облегчающую анализ процесса бесконтактной транспортировки космического мусора ионным пучком.
Соавтор исследования, студент Самарского университета Данил Бакулин, пояснил: «Используя уравнения Гаусса в осциллирующих переменных и метод усреднения Волосова, мы вывели приближенные уравнения движения космического мусора. Интегрирование этих уравнений показало хорошее соответствие с результатами более сложной исходной модели, при этом наша новая модель требует значительно меньше вычислительных ресурсов».
Ученые считают, что новая модель особенно эффективна при расчетах транспортировки вращающегося космического мусора. Этот инструмент позволит детально изучить различные аспекты миссии по бесконтактной очистке орбиты и значительно продвинуться в решении этой критически важной проблемы.
