2 3 4 РЕФЕРАТ Отчет 463 с., 105 рис., 54 табл., 128 источн., 3 прил. Расчет орбит, гравитационные маневры, астероидная опасность, пилотируемые миссии, точки либрации. В отчете представлены промежуточные результаты по запланированным направлениям работ в рамках проекта. Отчет разбит на семь глав. Первая глава отчета посвящена проблеме, касающейся навигации космического аппарата с помощью измерительных средств, имеющихся на борту. Имеются в виду оптические приборы, используемые в стандартном режиме как датчики ориентации аппарата. Известно, что во многих космических миссиях эти приборы применялись также в качестве источников информации для определения орбитальных параметров полета. Во второй главе отчета дается краткое описание математического аппарата, разработанного для расчетов и оптимизации орбит перелета к астероидам, представляющим практически полный список околоземных астероидов. При этом значительное внимание уделяется решению проблемы обширности этого списка. Разработанный комплекс программ позволяет проводить оптимизацию по сумме скоростей отлета от Земли и подлета к астероиду. В данном отчете публикуются результаты расчетов, выполненных с помощью упомянутого комплекса. В приводимых таблицах приводятся гиперболические скорости отлета, а также даты отлета и прилета для интервала старта вплоть до 2030 года. Значительная часть исследований была посвящена вопросам исследования траекторий перелетов к планетам и астероидам с использованием гравитационных маневров у планет с выходом на орбиту около планет, используемых для гравитационного маневра. Было показано, что такой подход позволяет 5 значительно расширить число окон возможностей для миссий, использующих гравитационный маневры. В третьей главе отчета рассмотрены вопросы управления орбитальным движением аппаратов в окрестности солнечно – земных коллинеарных точек либрации. В качестве одного из таких способов рассмотрено управление группировкой аппаратов с помощью солнечного паруса с изменяемыми отражательными характеристиками. В четвертой главе отчета приводятся результаты традиционного способа коррекции орбиты аппарата, функционирующего в окрестности точки либрации, т.е. способ с использованием ракетного двигателя. Задача решалась в постановке, когда аппарат требуется удерживать вблизи номинальной орбиты. В пятой главе развиваются идеи, предложенные исследовательской группой Международной академии астронавтики и представленные в 2008 году на Международном конгрессе по астронавтике в Глазго. В качестве первых миссий предлагается обслуживание крупных космических телескопов на орбитах вокруг точек либрации Земля-Солнце либо поддержка исследований обратной стороны Луны с гало-орбиты вокруг L2 системы Земля-Луна. В шестой главе рассмотрен один из вариантов отклонения опасных астероидов для предотвращения их столкновения с Землей. Существо концепции заключается в сообщении малому астероиду сравнительно небольшого импульса скорости с тем, чтобы перевести его на траекторию к Земле, где за счет гравитационного маневра при пролете Земли этот астероид будет направлен на траекторию столкновения с опасным околоземным объектом. Рассмотрена задача Ламберта как основная составляющая проектирования траекторий с использованием гравитационных маневров. В работе дается ответ на вопрос, существуют ли астероиды в имеющемся в настоящее время каталоге, которые можно перевести на траекторию столкновения с Апофисом до ожидаемой его встречи с Землей. Получены результаты первого этапа отбора астероидов- снарядов. Рассмотрен процесс нахождения оптимальных орбит перелета космического аппарата, направляемого к астероиду-снаряду. Сравнение 6 различных малых астероидов как кандидатов на роль управляемых объектов требует достаточно надежных оценок необходимых затрат на коррекцию траектории. В этой главе рассмотрен вопрос оценки точности определения параметров орбиты малого астероида по результатам измерений. В седьмой главе представлен обзор результатов исследований, направленных на изучение возможностей осуществления миссии по обнаружению, автоматическому захвату и транспортировке в окрестность Земли околоземного астероида небольшого размера. Эти работы были проведены Keck Institute for Space Studies (KISS) и в них участвовал целый ряд американских и европейских научных и исследовательских центров (Ames Research Center, Glenn Research Center, Goddard Space Flight Center, Jet Propulsion Laboratory, Johnson Space Center, Langley Research Center, Калифорнийский технологический институт, Carnegie Mellon, Гарвардский университет, the Naval Postgraduate School, Калифорнийский университет в Лос-Анжелесе, Калифорнийский университет в Санта-Круз, Университет Южной Калифорнии, Arkyd Astronautics, Inc., The Planetary Society, the B612 Foundation, Институт взаимодействия человека и машины во Флориде). Эти исследования показывают, что около 2025 года будет возможно перемещение на высокую лунную орбиту околоземного астероида массой примерно 500 тонн. Идея эксплуатации естественных ресурсов астероидов насчитывает уже более сотни лет, но только сейчас начинают появляться технологии, способные воплотить эту идею практически. Возможность осуществления данной идеи обуславливается развитием трех ключевых факторов: возможности обнаружения и классификации достаточно большого числа околоземных астероидов, достаточно малых для захвата и транспортировки на Землю; возможности осуществить достаточно мощную для транспортировки астероида реактивную тягу за счет солнечной энергии; предполагаемое участие человека в освоении окололунного пространства в 2020-х годах сделает возможным разработку и осуществление доставки околоземных астероидов на Землю. 7 СОДЕРЖАНИЕ Перечень сокращений ................................................................................................... 13 ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................... 14 1 Разработка методов траекторных измерений космического базирования для орбит в окрестности коллинеарных точек либрации ........... 19 1.1 Навигация космических аппаратов методом покрытия Землей и Луной экваториальной области Галактики на примере наблюдений с космической лаборатории ИНТЕГРАЛ ................................ 19 1.2 Эволюция орбиты и затмение Землей центра Галактики ............................ 21 1.3 Покрытие центра Галактики диском Луны ................................................... 34 Выводы по главе 1 ......................................................................................................... 39 Список литературы к главе 1 ....................................................................................... 40 2 Разработка миссий к астероидам с выходом на орбиту в окрестности астероида ................................................................................................................ 41 2.1 Получение данных о векторах состояния Земли и астероидов ................... 41 2.2 Решение задачи Ламберта ............................................................................... 42 2.3 Поиск оптимальных орбит перелета .............................................................. 43 2.4 Проверка полученных решений ...................................................................... 44 2.5 Результаты ......................................................................................................... 45 2.5.1 Амуры ........................................................................................................ 45 2.5.2 Аполлоны ................................................................................................... 47 2.5.3 Атоны ......................................................................................................... 50 Выводы по главе 2 ......................................................................................................... 52 Список литературы по главе 2 ..................................................................................... 53 3 Разработка методов управления орбитальным движением для траекторий в окрестности точек либрации .................................................. 54 3.1 Возмущающие гравитационные силы ............................................................ 55 3.2 Негравитационное возмущение ...................................................................... 63 3.3 Управление группировкой XEUS посредством солнечных парусов .......... 65 3.4 Построение траектории движения космического аппарата в окрестности точки либрации L2 ................................................................... 69 3.4.1 Описание математической модели движения КА ................................. 70 3.4.2 Уравнения движения аппарата ................................................................ 71 3.4.3 Уравнения движения Луны ..................................................................... 72 8 3.4.4 Уравнения движения Солнца .................................................................. 72 3.4.5 Уравнения в вариациях для матрицы Φ ................................................ 72 3.4.6 Построение траектории движения КА ................................................... 73 3.5 Построение гало-орбиты в окрестности точки либрации L2 ...................... 75 3.6 Коррекция траектории КА ............................................................................... 79 Выводы по главе 3 ......................................................................................................... 85 Список литературы к главе 3 ......................................................................................