Efterhånden som flere satellitter, teleskoper og andet rumfartøj er bygget til at kunne repareres, vil det tage pålidelige baner til service rumfartøjer for at nå dem sikkert. Forskere i Institut for Aerospace Engineering i Grainger College of Engineering, University of Illinois Urbana-Champaign udvikler en metode, der giver flere terninger mulighed for at fungere som serviceagenter at samle eller reparere et rumteleskop.
Offentliggjort i Journalen for de astronautiske videnskaberderes metode minimerer brændstofforbruget, garanterer, at serviceagenter aldrig kommer tættere på hinanden end 5 meter, og kan bruges til at løse vejvejledningsproblemer, der ikke er pladsrelateret.
“Vi udviklede en ordning, der giver Cubesats mulighed for at fungere effektivt uden at kollidere,” sagde Aerospace Ph.D. Student Ruthvik Bommena. “Disse små rumfartøjer har begrænset beregningskapaciteter ombord, så disse baner er forudgående af mission designingeniører.”
Bommena og hans fakultetsrådgiver Robyn Woollands demonstrerede ydeevnen for algoritmen ved at simulere to, tre eller fire køretøjs sværme samtidig transportere modulære komponenter mellem et servicekøretøj og et rumteleskop, der gennemgår servicering i rummet.
“Dette er vanskelige baner at beregne og beregne, men vi kom med en ny teknik, der garanterer dens optimalitet,” sagde Bommena.
Bommena sagde, at det vanskeligste aspekt er omfanget af afstandene. James Webb-rumteleskopets bane ligger ca. 1,5 millioner kilometer væk, ved Sun-Earth Lagrange Point 2. det er her, hvor solen og jord og jords gravitationskraft balanserer hinanden, hvilket gør det til det perfekte sted i rummet til dybe rumobservationssatellitter til Oprethold bane, mens du vender væk fra solen.
“Uden at blive for teknisk brugte vi indirekte optimeringsmetoder til at garantere, at outputopløsningen er brændstofoptimale. Direkte metoder garanterer ikke det.”
“Vi inkorporerede også anti-kollisionsstien ulighedsbegrænsninger i den optimale kontrolformulering som en hård begrænsning, så rumfartøjet krænker ikke begrænsningen på noget tidspunkt i løbet af banen.”
Bommena forklarede, at traditionelle direkte eller indirekte metoder med begrænsninger, såsom kollision-undgåelse, opdeler banen i flere buer, hvilket øger kompleksiteten eksponentielt.
“Vores metode gør det muligt at løse bane som enkeltbuer. Vi går bare fra udgangspunktet direkte til destinationspunktet. Det er mere brændstofoptimalt og mere beregningseffektivt.”
Et andet vigtigt resultat fra forskningen er udviklingen af en ny målrettet cirkulær begrænset tre-krops problemdynamisk model.
“Vi var nødt til at afbøde de numeriske udfordringer, der kommer fra den store afstand mellem solen og jorden,” sagde Bommena. “For at gøre det skiftede vi først midten af rammen langs x-aksen fra Sun-Earth Barycenter til placeringen af Lagrange Point L2 og derefter afledte bevægelsesligningerne i forhold til målrummet. Vi introducerede også en ny afstand Enhed ved at anvende en skaleringsfaktor, der proportionalt justeres i forhold til den originale afstandsmåling. “
Bommena sagde, at han og Woollands arbejdede på dette projekt i cirka halvandet år. Hans gennembrud kom på en langdistanceflyvning.
“Matematikken arbejdede på papir. Det største problem, vi havde, var at kæmpe med numerik. Jeg kodede under en lang flyvning. Jeg prøvede et par ting og pludselig konvergerede løsningen. Først troede jeg ikke på det. Det var Et meget spændende øjeblik, og de næste par dage føltes fantastisk. “
Bommena sagde, at selv om ansøgningen om dette arbejde er at foretage service og montering i rummet og mere effektivt, er metodikken, de udviklede, meget alsidig og kan bruges i andre baneoptimeringsscenarier med forskellige begrænsninger.