Ученые Самарского университета разработали инновационный метод эффективной очистки космических орбит от мусора. Этот подход, основанный на математическом моделировании «сдувания» объектов ионным пучком, призван защитить космические станции и спутники от потенциальных аварий. Результаты их исследования были опубликованы в научном журнале Vestnik St. Petersburg University, Mathematics.
Известно, что столкновение космического аппарата даже с мельчайшими фрагментами мусора представляет серьезную угрозу из-за высоких скоростей их движения. Более крупные объекты, например, вышедшие из строя спутники или обломки ракет, могут привести к полному разрушению даже таких массивных сооружений, как Международная космическая станция (МКС).
Стремясь найти решение проблемы накопления космического мусора, специалисты Самарского национального исследовательского университета имени академика С.П. Королева ранее предложили размещать на орбитальных аппаратах специальные устройства, способные бесконтактно «сдувать» опасные объекты. Позже они развили эту идею, представив «гибридный» метод очистки.
Как пояснил доцент кафедры теоретической механики Самарского университета Александр Ледков, гибридный метод предполагает комбинированное воздействие: электростатическое притяжение или отталкивание объекта в сочетании с обдуванием его потоком из электрореактивного двигателя космического аппарата-уборщика.
«Принцип действия довольно прост, — объяснил Ледков. — Аппарат-уборщик направляет струю своего электрореактивного двигателя на мусорный объект. Частицы струи, сталкиваясь с поверхностью мусора, создают небольшую силу, которая используется для его транспортировки. В результате космический мусор постепенно замедляется и сходит с орбиты».
В процессе разработки бесконтактной системы уборки ионным потоком, ученые столкнулись с серьезными вычислительными сложностями. Из-за крайне малой ионной силы (всего лишь сотые доли ньютона) процесс смещения мусора с орбиты может длиться месяцами. Точный расчет такого продолжительного воздействия, с учетом влияния угловых колебаний мусорного объекта на генерируемую силу, требует огромных вычислительных ресурсов.
«Хотя наш университет располагает суперкомпьютером, он не может быть полностью задействован в данной задаче, так как численное интегрирование уравнений движения требует последовательных вычислений, — уточнил Ледков. — Для планирования и анализа миссии необходима обширная серия расчетов, каждый из которых занимает значительное время. Это напомнило нам о ранних этапах космонавтики, когда ограниченные вычислительные мощности подталкивали к развитию приближенных асимптотических методов. Эти методы позволяют создавать менее ресурсоемкие математические модели, сохраняя при этом нужную точность. Похоже, спустя полвека `старые` наработки вновь обретают актуальность».
Для преодоления этих вычислительных трудностей, исследователи Самарского университета разработали упрощенную математическую модель, позволяющую эффективно анализировать процесс бесконтактного ионного перемещения космического мусора.
Соавтор исследования, студент направления «Механика и математическое моделирование» Данил Бакулин, рассказал: «Используя уравнения Гаусса в осциллирующих переменных и метод усреднения Волосова, мы вывели приближенные уравнения движения космического мусора. Результаты их интегрирования показывают хорошее соответствие с более сложной исходной моделью, при этом новая модель значительно менее требовательна к вычислительным ресурсам».
Ученые подчеркивают, что новая модель особенно эффективна при расчете траекторий вращающегося космического мусора. Этот усовершенствованный инструмент позволит им углубленно изучить различные аспекты миссии по бесконтактной очистке орбиты и значительно продвинуться в решении этой критически важной проблемы.
Дмитрий Верхов 
Максим Соколов