Da mehr Satelliten, Teleskope und andere Raumschiffe als reparierbar gebaut werden, wird es zuverlässige Flugbahnen für Service -Raumschiffe benötigen, um sie sicher zu erreichen. Forscher der Abteilung für Luft- und Raumfahrttechnik am Grainger College of Engineering der University of Illinois Urbana-Champaign entwickeln eine Methodik, mit der mehrere Cubesats als Wartungsmittel fungieren können, um ein Weltraumteleskop zusammenzustellen oder zu reparieren. Ihre Methode minimiert den Kraftstoffverbrauch, garantiert, dass Wartungsmittel niemals näher an die anderen 5 Meter herankommen, und können verwendet werden, um die Leitungsprobleme für Pfade zu lösen, die nicht räumlich zusammenhängen.
„Wir haben ein Schema entwickelt, mit dem die Cubesats effizient arbeiten können, ohne zu kollidieren“, sagte Aerospace Ph.D. Student Ruthvik Bimma. „Diese kleinen Raumschiffe haben nur begrenzte Berechnungsfunktionen an Bord, sodass diese Trajektorien von Mission Designingenieuren vorberechnet werden.“
Bimma und sein Fakultätsberater Robyn Woollands zeigten die Leistung des Algorithmus, indem er zwei, drei oder vier Fahrzeugschwärme simulierte, die gleichzeitig modulare Komponenten zwischen einem Servicefahrzeug und einem Weltraumteleskop transportieren, das sich in der Raumwartung unterhält.
„Dies sind schwierige Trajektorien, um zu berechnen und zu berechnen, aber wir haben eine neuartige Technik entwickelt, die ihre Optimalität garantiert“, sagte Bimma.
Bimma sagte, der schwierigste Aspekt sei das Ausmaß der Entfernungen. Die Umlaufbahn des Weltraum Teleskops von James Webb liegt etwa 1,5 Millionen Kilometer entfernt am Sonnenuntergang LaGrange Point 2. Hier ist die Gravitationskraft von Sonne und Erde einander ausbalancieren und macht es zum perfekten Ort im Raum für Tiefenbeobachtungssatelliten zu. Behalten Sie die Umlaufbahn bei, während Sie sich von der Sonne wegblicken.
„Ohne zu technisch zu werden, haben wir indirekte Optimierungsmethoden verwendet, um sicherzustellen, dass die Ausgangslösung Kraftstoff optimal ist. Direkte Methoden garantieren dies nicht.“
„Wir haben auch die Einschränkungen der Anti-Kollisions-Pfad-Ungleichheit in die optimale Kontrollformulierung als harte Einschränkung einbezogen, sodass das Raumfahrzeug die Einschränkung während der Flugbahn nicht verletzt.“
Bommen erklärte, dass traditionelle direkte oder indirekte Methoden mit Einschränkungen wie Kollisionsvermeidung die Flugbahn in mehrere Bögen einteilen und die Komplexität exponentiell erhöhen.
„Unsere Methodik ermöglicht es, dass die Trajektorien als einzelne Bögen gelöst werden. Wir gehen nur vom Ausgangspunkt direkt zum Zielpunkt. Es ist optimaler und rechnerisch effizienter.“
Ein weiteres wichtiges Ergebnis aus der Forschung ist die Entwicklung eines neuartigen zielrelativen zirkulären, zirkulierten Drei-Körper-Problemsdynamikmodells.
„Wir mussten die numerischen Herausforderungen mildern, die aus der großen Entfernung zwischen Sonne und Erde zurückzuführen sind“, sagte Bimma. „Um das zu tun, haben wir zunächst die Mitte des Rahmens entlang der x-Achse vom Sonnenererer-Barycenter auf die Position des Lagrange Point L2 verschoben und dann die Bewegungsgleichungen relativ zum Zielraumfahrzeug abgeleitet. Wir haben auch eine neue Entfernung eingeführt Einheit durch Anwenden eines Skalierungsfaktors, der sich proportional in Bezug auf die ursprüngliche Entfernungsmessung anpasst. „
Bimma sagte, er und Woollands hätten ungefähr anderthalb Jahre an diesem Projekt gearbeitet. Sein Durchbruch kam auf einem Fernflug.
„Die Mathematik arbeitete auf Papier. Das Hauptproblem, das wir hatten, war das Ringen mit Numerikern. Ich habe während eines langen Fluges codiert. Ich habe ein paar Dinge ausprobiert und plötzlich konvergierte die Lösung. Zuerst glaubte ich es nicht. Das war Ein sehr aufregender Moment und die nächsten Tage fühlten sich großartig an. „
Obwohl die Anwendung für diese Arbeit darin besteht, in den Raumwartungen und -baugruppen sicherer und effizienter zu gestalten, ist die von ihnen entwickelte Methodik sehr vielseitig und kann in anderen Szenarien für die Trajektorienoptimierung mit unterschiedlichen Einschränkungen verwendet werden.
Diese Arbeit wurde teilweise von Ten One Aerospace durch ein Forschungsstipendium der NASA STTR Phase I unterstützt.
