جاذبه چالش: چرا مکانیک های مدار یک استروئید را خراب می کنند

فرودهای سیارکی یکی از مهمترین شاهکارهای پرواز فضایی مدرن را نشان می دهند، برخلاف فرود بر روی سیاره یا ماه با میدان گرانشی آشنا، سیارکها کوچک، به طور نامنظم شکل گرفته و دارای جاذبه بسیار ضعیف هستند، فضاپیمای نمی تواند به سادگی "پرواز" به سطح را مشخص کند؛ باید دقیقاً حرکت خود را با استفاده از اصول مکانیک مداری به کار گیرد.

بنیادهای مکانیک مدار برای ماموریت های سیارکی

مکانیک مداری حرکت اشیاء تحت نیروی جاذبه را توصیف می کند، پارامترهای کلیدی موقعیت، سرعت فضاپیما و کشش گرانشی هر دو خورشید و سیارک هدف هستند.چالش اساسی این است که یک جاذبه سیارکی نیوتن آنقدر ضعیف است که نمی تواند یک فضاپیما را به صورت منفعلانه ضبط کند؛ پروش فعال برای کند کردن ماشین و فرود آمدن به مدار، به علاوه، اغلب از انتقال های پیچیده تر سیارکی استفاده می کند که انتقال های جرم و انتقال غیرقطع را می کند.

دلتا-V و معادله راکت

مفهوم انتقادی در مکانیک مداری delta-v (Δv)، تغییر سرعت مورد نیاز برای تغییر مدار است.برای فرود سیارک، کل بودجه Δv باید برای پرتاب از زمین، اصلاح های نیمه دوره زمین، قرار دادن مداری در اطراف سیارک، و فرود (LT:0Tsiolk معادله راکت [F پرتاب شده] باشد، بنابراین پرتاب به طور متوسط نیاز به استفاده از لوله های سنگی بالا دارد.

برنامه ریزی رویکرد: از Heliocentric Orbit تا رندز

این سفر با قرار دادن فضاپیما در مدار انتقال از زمین به سیارک آغاز می شود، این به طور معمول شامل انتقال Hohmann است، جایی که مدار فضاپیما برای اتصال مدار هدف در زمان صحیح تغییر می کند، زیرا سیارک ها به سمت مسیرهای بسیار بیضی آسا یا تمایل حرکت می کنند، تراز باید دقیق باشد.

کمک های مالی و تکنیک های کم-Thrust

برخی از ماموریت ها، مانند OSIRIS-REx ناسا، از گرانش زمین برای به دست آوردن حرکت اضافی بدون سوخت استفاده می کنند، برخی دیگر مانند Hayabusa2، محرک های یون JAXA برای ردیابی کم و نیمه وقت، تجهیزات مداوم که اجازه می دهد برای فرود مداری کارآمد، محرک های بسیار کوچک در دوره های طولانی تولید کنند، و قادر به ردیابی دقیق سیارک هستند.

دستیابی به یک Orbit پایدار در اطراف یک بدن میکرو گرانشی

هنگامی که فضاپیما به مجاورت سیارک می رسد، باید به مدار اسیر شود، زیرا جاذبه سیارک بسیار ضعیف است (اغلب میلیون ها بار ضعیف تر از سیارک زمین)، فضاپیما نمی تواند به سادگی به مدار نزدیک شود، بلکه مجموعه ای از سوختگی ها را برای کاهش سرعت نسبی آن به صفر انجام می دهد – فرایندی به نام FLT:0reez، پس از شروع به کار، و سپس شروع دوباره به یک فضاپیمای "v2،" که به طور ناگهانی کنترل می شود، وارد می شود.

1- بهره برداری و ثبات

در طول قرار دادن، فضاپیما موتورهای خود را به سرعت با مقدار دقیق مورد نیاز برای تسخیر سیارک های کوچک، مکان های مداری بسیار پایین است - در دستور سانتی متر در ثانیه، این کار را برای حفظ مدار دشوار می کند؛ زیرا حتی اختلالات کوچک از فشار تابش خورشیدی یا گرانش ناهموار می تواند باعث شود که مهندسان فرسایش اغلب از یک سری از رویکردهای مبتنی بر مدار استفاده کنند (F) و سپس یک مسیر مشاهده امن در آن استفاده کنند.

دانلود بازی The Critical Mapping and Dangerous Escapeance

قبل از تلاش برای فرود، فضاپیما باید به طور کامل توزیع انبوه و ویژگی های سطحی سیارک را بررسی کند.این با اندازه گیری تغییرات کوچک Doppler به عنوان مدار فضاپیما انجام می شود - این تغییرات نشان دهنده تغییرات در گرانش است. Onboard Snar و دوربین ها یک مدل زمین دیجیتال را ایجاد می کنند.برای مثال OSIRIS-REx یک نقشه با وضوح بالا از صفحه شناسایی شده توسط Bennu را ایجاد کرد.

فرود بر روی Aاستروئید: The Final Descent

فرود حیاتی ترین مرحله است، زیرا گرانش سیارک نمی تواند یک نیروی ترمز طبیعی را فراهم کند، فضاپیما باید به طور فعال با استفاده از نیروی محرکه، درجه ی عمودی از یک پارکینگ در ارتفاع چند صد متر، خود را با نقطه هدف و آتش نشان ها کنترل کند تا هرگونه حرکت بعدی را لغو کنند.

روش نمونه برداری لمسی و (TAG)

بسیاری از ماموریت های سیارکی برای فرود سنتی تلاش نمی کنند، بلکه یک مانور "touch-and-go" (TAG) را نیز به طور خلاصه با سطح تماس می گیرد تا نمونه ای را جمع آوری کند، سپس بلافاصله محرک های آتش سوزی را به سمت عقب برگرداند، این تکنیک از نیاز به اتصال یا تعادل در سطح جلوگیری می کند.

کنترل دقیق و دقیق

محرک های مورد استفاده برای فرود در انفجارهای کوتاه برای تنظیم نمایه نزولی پالس می شوند. چرخ های واکنش ثابت سه محور را حفظ می کنند، در حالی که نیروهای عمودی و جانبی لازم را فراهم می کنند، زیرا فضاپیما در یک محیط صفر-g قرار دارد، هرگونه مشعل ضد بدخیم می تواند آن را به سرعت ارسال کند.سیستم های کنترل کننده باید به سرعت با استفاده از یک شتاب سنج و ژیروسکوپ دقیق که در یک سیستم هدایت کننده Heab2 استفاده می شود، واکنش دقیق.

چالش ها و نوآوری ها در فرود دقیق

فرود بر روی یک سیارک چالش های متعددی را نشان می دهد که محدودیت های مکانیک مداری و استقلال فضاپیما را گسترش می دهد. موانع اصلی شامل:

  • میدان های گرانش ضعیف و ناهموار؛ [FLT 1] جاذبه اغلب برای ارائه یک مدار پایدار ضعیف است و تراکم ناهنجاری می تواند باعث ایجاد تنش های غیر منتظره شود.
  • دینامیک روتورال: بسیاری از سیارک ها به سرعت چرخش می کنند، ایجاد سرعت سطح قابل توجهی که فضاپیما باید مطابقت داشته باشد.
  • تأخیرهای ارتباطی: در فاصله صدها میلیون کیلومتر، سیگنال ها چند دقیقه طول می کشد تا سفر کنند، و کنترل زمان واقعی را به صورت خودکار انجام دهند.
  • گرد و غبار regolith؛ گرد و غبار می تواند سنسورهای ناوبری مبهم، و در هنگام فرود، اگزوز نیروی محرکه ممکن است زباله هایی را که با ابزار تداخل دارند، تحریک کند. نمای کلیتابوزا2 جامعه سیاره ای [F3] [F3] توصیف می کند که چگونه چالش های رایانه ای بر گرد و غبار کار می کنند.

برای غلبه بر این، مهندسان هدایت، ناوبری و کنترل الگوریتم های پیشرفته (GNC) را توسعه داده اند که از قابلیت های بصری، نورار و سنسورهای خورشید استفاده می کنند.یادگیری ماشین نیز برای پیش بینی مکان های فرود امن از تصاویر مداری مورد بررسی قرار می گیرد.

مسیر های آینده: فرود خودکار بر روی Bodies های بیشتر

موفقیت های هاابوزا2 و OSIRIS-REx راه را برای ماموریت های بلندپروازانه تر هموار کرده است. کاوشگرهای آینده سیارکی بدن های از راه دور و کوچکتر را هدف قرار می دهند، جایی که مکانیک مداری حتی به چالش کشیدن بیشتر تبدیل می شود.کمترین نیروی دریایی که به فضاپیما اجازه می دهد مدار خود را با دقت کامل تغییر دهد، علاوه بر این، ماموریت های انبوه – چند فضاپیمای کوچک – می تواند کوچکترین پیشرفت های ناوبری را در زمینه های هدایت کند.

به طور خلاصه، فرود دقیق بر سیارک ها از طریق ادغام عمیق مکانیک مداری، هدایت خودکار و برنامه ریزی دقیق مسیر به دست می آید.از مدار انتقال اولیه به تماس نهایی و-گو، هر مانور باید در یک محیط گرانشی محاسبه شود که هیچ حاشیه ایمنی را ارائه نمی دهد. نتیجه یک گواهی به نبوغ انسان است - یک فضاپیمای به آرامی یک نور در یک جهان است که میلیاردها سال است که سیستم خورشیدی را سرگردان کرده است.