Ученые Самарского университета разработали инновационный метод очистки космического пространства от мусора, используя математическое моделирование «сдувания» объектов ионным пучком. Эта технология призвана обеспечить безопасность орбитальных станций и спутников, предотвращая аварии. Результаты исследования опубликованы в научном журнале Vestnik St. Petersburg University, Mathematics.
Актуальность проблемы космического мусора
Столкновение космических аппаратов даже с мельчайшими фрагментами мусора представляет серьезную угрозу из-за экстремальных скоростей движения. Более крупные обломки, например, вышедшие из строя спутники или ступени ракет, способны привести к полному разрушению значительных объектов, таких как Международная космическая станция.
Изображение: Космический мусор
Метод «гибридной» очистки
Для борьбы с проблемой космического мусора специалисты Самарского национального исследовательского университета имени академика С.П. Королева ранее представили концепцию устройства, способного бесконтактно «сдувать» опасные объекты с их траекторий. Впоследствии был предложен «гибридный» подход к такой очистке.
Доцент кафедры теоретической механики Самарского университета Александр Ледков пояснил, что данный метод сочетает электростатическое воздействие (притяжение или отталкивание) с обдуванием объекта потоком из электрореактивного двигателя космического аппарата-уборщика.
«Принцип действия достаточно прост: аппарат-уборщик направляет ионную струю своего электрореактивного двигателя на мусорный объект. Частицы этой струи, сталкиваясь с поверхностью мусора, создают небольшую силу, которая используется для его перемещения. В результате космический мусор замедляется и постепенно сходит с орбиты», — детализировал Александр Ледков.
Вычислительные сложности и новое решение
Однако реализация бесконтактной очистки с помощью ионного потока сопряжена с определенными трудностями. Поскольку ионная сила крайне мала (сотые доли ньютона), процесс удаления мусора с орбиты может растягиваться на месяцы. Точный расчет такого длительного воздействия, учитывающий влияние угловых колебаний мусорного объекта на генерируемую силу, требует колоссальных вычислительных мощностей.
Александр Ледков отметил, что даже наличие суперкомпьютера в университете не решает эту проблему полностью, так как численное интегрирование уравнений движения требует последовательных вычислений. Для эффективного планирования миссий и детального анализа задачи необходима серия продолжительных расчетов. Он подчеркнул, что в таких условиях вновь становятся актуальными асимптотические методы, разработанные в начале космической эры для условий ограниченных вычислительных ресурсов. Эти методы позволяют создавать точные, но менее требовательные к мощности математические модели.
Иллюстрация: угроза космического мусора
Чтобы упростить эту сложную вычислительную задачу, ученые Самарского университета разработали новую, упрощенную модель, позволяющую эффективно анализировать процесс бесконтактной транспортировки космического мусора с помощью ионного потока.
Соавтор исследования, студент Данил Бакулин, пояснил: «Используя уравнения Гаусса в осциллирующих переменных и метод усреднения Волосова, мы вывели приближенные уравнения движения космического мусора. Результаты их интегрирования показывают отличное совпадение с исходной, более сложной моделью, при этом новая модель значительно менее требовательна к вычислительным ресурсам».
Ученые считают, что особую выгоду новая модель принесет при расчете траекторий вращающегося космического мусора. Этот инструмент позволит детально исследовать различные аспекты миссии по бесконтактной очистке орбиты, значительно приближая решение острой проблемы космических отходов.
