Виживання проблеми: Чому орбітальні механізми діектати Астероїдні ділянки

Астероїдні посадки представляють собою одну з найбільш затребуваних подвигів в сучасному просторісвіту. На відміну від посадки на планеті або місяць з знайомим гравітаційним полем, астероїди невеликі, нерегулярно формовані, і мають надзвичайно слабку гравітація. Космічний апарат не може просто "fly" на поверхню; він повинен точно хореографувати його рух за допомогою принципів орбітальної механіки. Це поле, часто називається астродинамікою, регулює кожну фазу астероїдної місії - від запуску доторкатися. Розуміння, як швидкість балансу космічних апаратів, тяжіння і тяга є важливим для планування траєкторій, які використовують мінімальне паливо під час досягнення точності пінка.

Фундації орбітальних механізмів для астероїдних місій

Орбітальні механіки описує рух об'єктів під гравітаційні сили. Для астероїдних місій ключові параметри є положення космічних апаратів, швидкість, а також гравітаційне тяг як Сонце, так і цільової астероїди. фундаментальний виклик полягає в тому, що астероїдна гравіта настільки слабка, що вона не може захопити космічних апаратів, які можуть перехопити шлях космічних апаратів; активна пропульсія необхідна для повільного руху автомобіля і вхідної орбіти. Більш того, астероїди часто обертаються і мають нерівномірні масові розподіли, створюючи складні гравітаційні поля, які можуть ефективно перетурбувати шлях космічних апаратів. Інженери Кестерої передачі Кестерої цистерої орбіти Кестерої орбіти Кестерої стерої орбіти та закони Готеманента Готеманця.

Дельта-В і Скелят Екватація

Критична концепція орбітальної механіки є дельта-v (Δv), зміна швидкості, необхідної для зміни орбіти. Для астероїдної посадки загальний Δv бюджет повинен враховуватися для запуску з Землі, середньокурсні корекції, орбітальні вставки навколо астероїдної, спускової та посадки. Tsiolkov ракетне рівняння регулює, скільки пропелант необхідний для Δv—higher Δv-higher Δv вимагає доцільно більше палива. Завдання планувальників тому дизайн траєкторій, які мінімують Δv, часто використовують гравітації, допомагає з вирівнювання планет або оптидної планети Земля або інші планети

Планування підходу: Від Heliocentric Orbit до Rendezvous

Подорож починається шляхом розміщення космічних апаратів на орбіті передачі з Землі до астероїди. Це зазвичай передбачає передачу Хохман, де орбіта космічних апаратів змінена для перетину орбіти цілі в правильному часі. Оскільки астероїди рухаються вздовж високоеліптичних або нахилених шляхів, вирівнювання повинно бути точним. Під час круїзної фази, навігатори використовують оптичну навігацію і радіо відстеження для рефування траєкторії. Глибокі космічні мережі станції вимірюють переміщення космічних апаратів і діапазон, при цьому камери з захопленням астероїдних зображень на фонові зірки. Ці дані подаються в траєкторію маневрів (TCMs, що астероїдні космічні.

Гравітаційні асистки та Низькотрицеві технології

Деякі місії, такі як OSIRIS-REx НАСА, використовували гравітацію Землі, допомагає отримати додатковий імпульс без спалювання палива. Інші, як JAXA Hayabusa2, зайняті іонні тяги для низькорослі, безперервної пропуляції, що дозволило для ефективного орбітального вставки. Іон тягари виробляють дуже невеликі прискорення протягом тривалого періоду, що дозволяє високоточним підходом профілів. The OSIRIS-REx місії] показали, наскільки обережне використання оптичної навігації і автономного відстеження дозволило космічним апаратам підходити до астероїдного Bennu всього на кілька сантиметрів на секунду.

Ачивуючи стабільний орбіт навколо тіла мікрогравітності

Після того, як космічний апарат досягає околиця астероїди, вона повинна бути захоплена на орбіту. Однак, тому що гравітація астероїдів настільки слабка (понад мільйонами разів слабкіше, ніж земля), космічний апарат не може просто потрапити на орбіту. Замість цього він виконує серію опіків, щоб зменшити її відносну швидкість до ближнього нуля - процес називається rendezvous]. Після зворотного зв'язку космічний апарат надходить на керовану орбіту, часто починаючи з "домашної орбіти" кілька кілометрів, потім поступово знизившись на ближче орбіти картування.

Орбітальне введення і стабільність

Під час вставки космічний апарат вогневих двигунів, щоб уповільнити від точної кількості, необхідної для того, щоб бути захоплені. Для малих астероїдів орбітальні онкції надзвичайно низькі — за наказом сантиметрів на секунду. Це робить завдання підтримки орбіти важко, оскільки навіть крихітні перебурення від сонячного випромінювання або нерівномірна гравітація може викликати орбіту, щоб загнинути. Інженери часто використовують ряд гіперболічних підходів, а потім виконують "безпечну орбіту", де космічні дрифти в квазістабільні траєкторії, коли на картуванні поля тяжіння астероїди. [[FLT]]

Уникнення гравітації та непристойна поведінка

Перед спробою посадки космічний апарат повинен ретельно малювати масовий розподіл астероїдів і особливості поверхні. Це робиться шляхом вимірювання невеликих допплерових зсувів як космічної орбіти - це зсуви показують варіації в гравітації. На борту лідар і камери будують цифрову модель місцевості. Наприклад, OSIRIS-REx створив карту високої роздільної здатності булера Bennu, що тягне поле для виявлення безпечних зон посадки. NASA's OSIRIS-REx визначає, як використовується космічних апаратів природного відображення (NFT) для порівняння реального часу з зображеннями, що зберігаються.

Земельна ділянка на астероїд: Остаточний спуск

Земельна ділянка є найбільш критичною фази. Тому що тяжіння астероїдів не може забезпечити природну силу гальмування, космічних апаратів необхідно активно контролювати її спуск за допомогою тягарок. Підхід часто вертикальний спуск з автостоянки на висоті декількох сотень метрів. Космічний апарат вирівнюється з цільовою точкою і вогнетривким тягарами, щоб скасувати будь-який бічний дрейф. При цьому він повинен відповідати обертанню астероїдів, щоб уникнути бічного впливу.

Метод Сенсорно-Go (TAG)

Багато астероїдних місій не намагаються традиційної посадки, але досить «туш-і-го» (TAG) маневреності. Космічний апарат коротко зв'язує поверхню для збору зразків, потім відразу ж вогнетривкі тяги повернулися. Ця техніка дозволяє уникнути необхідності закріпити або балансувати на поверхні. Під час TAG космічних апаратів використовує лазерний алймер для визначення висоти і зірка трекер для підтримки ставлення. Швидкість спуску ретельно контролюється -понад 10 см/с - забезпечити безпечний контакт. Послідовність OSIRIS-REx бере участь у 4,5-годинному попередньо плануванні з автоматичним виявленням небезпекиком і аборті.

Точне регулювання потолочіння та пізнання

Триметри, які використовуються для посадки, мають імпульсні короткі лопці, щоб регулювати профілі спуску. Реакційні колеса підтримують тривісну стійкість, при цьому тяги забезпечують необхідні вертикальні і бічні сили. Оскільки космічних апаратів знаходиться в нульовому середовищі, будь-який незрівняний пальник може відправити його натяжку. Системи контролю повинні швидко реагувати, використовуючи на борту акселерометри і гіроскопи для підтримки безпечної траєкторії. Hayabusa2 використовували активну систему спуску, яка вогнетривкі тяги на основі даних реального часу, досягаючи точного посадки в радіусі всього одного метра мішені.

Виклики та інновації в галузі точного землеустрою

Земельна ділянка на астероїдних представляє численні виклики, які розтягують межі орбітальної механіки та космічної автономії. До основних черлів відносяться:

  • Поле для вихрових і нерівних вад: Тяжіння часто занадто слабка для забезпечення стабільної орбіти, а також аномалії щільності можуть викликати несподівані вугри.
  • Ротаційна динаміка: Багато астероїди швидко обертаються, створюючи значні швидкості поверхні, які повинні відповідати космічних апаратів.
  • Причасти затримок: На дистанціях сотні мільйонів кілометрів сигнали приймають багато хвилин, щоб подорожувати, що робить контроль в режимі реального часу неможливим. Космічний апарат повинен працювати автономно.
  • Fine regolith Dust: Пиломатеріал може непристосувати навігаційні датчики, а під час посадки виснаження може перемішати сміття, які перешкоджають інструментам. Планетаріанське товариство Hayabusa2 огляд описує, як на борту космічних апаратів ручний пилові виклики.

Для подолання цих інженерів розроблені розширені керівництва, навігація та контроль (GNC) алгоритми, які використовують візуальну odometry, lidar та сонячні датчики. Машинне навчання також досліджується для прогнозування безпечного розміщення сайтів з орбітальної зйомки. Місія Європейського космічного агентства Hera, наприклад, буде протестувати автономну навігацію навколо бінарних астероїдних Дідімос.

Майбутні напрямки: Автономне землеустрій на більш стійкому боді

Успіх Hayabusa2 і OSIRIS-REx розфарбував шлях ще більш амбітних місій. Майбутні астероїдні зон будуть ціль більш віддалені і менші тіла, де орбітальні механіки стають ще більш складними. Низькоросійні електрична пропульсія дозволить космічних апаратів переробити свої орбіти з вишуканою точністю. Крім того, місійні місії -багаторівні невеликі космічних апаратів - приварені оточують астероїд і виконують координати посадки, важільну відносну навігацію. Як поле заздалегідь, принципи орбітальної механіки залишать построк місійного дизайну, що дозволяє людству торкнути найменші найменші найменші світу в сонячній системі.

В резюме, точна посадка на астероїди досягається через глибоку інтеграцію орбітальної механіки, автономне керівництво та ретельне планування траєкторії. Від початкової орбіти передачі до кінцевого сенсорного та-го, кожен маневр повинен бути розрахований в межах травентивного середовища, що пропонує без запасу безпеки. Результатом є затвердження в людській неоднорідності - космічний апарат м'яко просвітлення на світі, який бандрував сонячну систему на мільярди років.