На крути своя: новая математическая модель поможет быстрее заменить МКС
Математическую модель, просчитывающую работу космических аппаратов на орбите, разработали российские ученые. Она предназначена для расчета свойств и оптимальных траекторий спутников, входящих в состав больших орбитальных группировок. При необходимости ее можно использовать и для оценки характеристик пилотируемых кораблей или станций. Это важно с учетом планов России после 2024 года выйти из проекта Международной космической станции (МКС) и начать формирование собственной орбитальной станции. Моделирование позволяет понять преимущества и недостатки аппаратов еще на этапе их проектирования и избежать ошибок в конструкции.
Прогноз нормальный
Специалисты МФТИ создали компьютерную программу «Интеграл» для моделирования работы спутниковых группировок на орбите. Она рассчитывает свойства и необходимые характеристики космических аппаратов, образующих единую сеть, еще до того, как они построены. Каждый спутник группировки может включать сотни элементов и иметь сложную структуру, практические качества которой сложно предсказать даже специалистам. А математические расчеты позволяют заранее сказать, как будет работать аппарат, оценить достоинства и недостатки его баллистики и выявить ошибки, допущенные при проектировании.
— В современном мире любая разработка требует подробного моделирования уже на этапе проектирования. Она позволяет предсказать, сколько будет работать аппарат, какие у него преимущества и недостатки. Благодаря этому может быть вскрыто очень большое количество проектных ошибок, — сказал «Известиям» доцент кафедры прикладной механики Физтех-школы аэрокосмических технологий Иван Завьялов.
Теоретически «Интеграл» может просчитать и свойства национальной орбитальной космической станции — ее создание планируется как альтернатива Международной космической станции (МКС). Однако, по словам разработчиков модели, делать расчеты для подобного объекта намного сложнее, чем описывать работу спутника. В состав станции входят специфические системы, которых нет на других космических аппаратах, например система жизнеобеспечения. Кроме того, она намного крупнее спутника и может быть гораздо чувствительнее к различным эффектам — вибрации, деформации и т.д. Однако такой расчет вполне возможен. Он потребует дополнительных усилий, но поможет в проектировании станции, которая придет на замену МКС, рассказали создатели «Интеграла».
Космическое импортозамещение
На данный момент у России есть несколько действующих спутниковых группировок, например спутники связи «Гонец» или система ГЛОНАСС. Однако нет универсальной программы для их моделирования. До 2014 года для этих целей можно было использовать западный софт, но он уже восемь лет под санкциями. Поэтому встал вопрос создания отечественного аналога, рассказали эксперты. Разработчикам поставили задачу написать программу, которая сможет выполнять комплексное моделирование, включающее в себя расчеты движения спутников по орбите, маршрутизацию данных по межспутниковым каналам связи, решение аппаратом целевой задачи и другие. Это позволяет вычислить, сколько необходимо спутников для достижения тех или иных целей, на каких орбитах их нужно разместить.
Специалисты начали с описания математическими формулами баллистического движения космических аппаратов по орбитам, а затем в расчеты добавили все остальные важные аспекты работы группировки. Земля — не идеально круглое тело, поэтому в модели нужно учесть все его особенности, которые влияют на движение спутника.
— Мы должны были просчитать эту сложную форму, чтобы понимать движение космических аппаратов. Мы реализовали эту задачу настолько успешно, что смогли рассчитывать за раз десятки тысяч объектов, причем намного быстрее, чем это делалось раньше, — сказал Иван Завьялов.
До последнего времени задача каждому спутнику ставилась оператором отдельно в специальной программе. Однако размеры спутниковых группировок постоянно растут. Сейчас счет может идти на сотни, а в будущем и на тысячи аппаратов. Давать задания каждому вручную становится все сложнее, поэтому специалисты стремятся автоматизировать этот процесс. После распределения задач модель должна просчитать, сможет ли каждый конкретный спутник с ней справиться с помощью того оборудования, которое на него установлено. Затем программа формируют для каждого аппарата собственное полетное задание, а потом оценивает, справится ли он с ним.
«Интеграл» можно использовать для моделирования работы как гражданских, так и военных группировок спутников, рассказали в МФТИ. Также программа позволяет оценивать возможности космических аппаратов потенциального противника.
Разработчики планируют увеличивать точность своей математической модели. Например, следует учитывать, что связь между аппаратами группировки может нарушиться, а съемка земной поверхности может сорваться, если спутник неудачно повернут или ему не удалось остановить собственное вращение. В перспективе модель будет открытой для всех разработчиков космической техники.
Одна для всех
В программу заложен принцип сквозного проектирования крупных космических группировок. В нее включают сразу весь функционал системы, что позволяет увидеть, как решения, принимаемые на уровне проектирования, влияют на конечные свойства всей группировки, пояснил «Известиям» главный конструктор спутникового направления SR Space Дмитрий Монахов.
— Такой подход позволяет скорректировать требования к подсистемам, убрать что-то лишнее, вовремя внести изменения, — подчеркнул эксперт.
Часто создатели спутников делают модели своими силами, сами их разрабатывают для своих группировок. Поэтому существование готовой программы, где все это сделано на общем уровне, облегчит жизнь разработчикам таких группировок, как «Скиф», «Марафон» и других, уточнил Дмитрий Монахов.
— Однозначно программный комплекс для моделирования существующих и перспективных автоматических космических систем и комплексов — полезная и нужная разработка для отечественной космонавтики, тем более если она будет открытой для использования всеми разработчиками космических аппаратов, — сказал руководитель направления «Частная космонавтика» центра «Аэронет» НТИ Роман Жиц.
Комплекс позволит не просто просчитывать работу аппаратов на орбите до их запуска, что минимизирует риски возникновения возможных ошибок уже на орбите, но и поможет разработчикам быстрее проектировать и производить аппараты, подчеркнул специалист.
