Проблема оптимизации космической миссии для исследований ближайших окрестностей Солнца

Тема 5

Двухуровневая оптимизация исследовательской миссии в ближайшее околосолнечное пространство с использованием перспективных космических технологий.

Рассматриваются методика и некоторые результаты оптимизации научно-исследовательской миссии в ближайшее околосолнечное пространство с использованием гравитационных маневров у планет и движителей малой тяги, в частности, электрореактивных двигателей. Большое разнообразие вариантов миссии не позволяет искать решение поставленной задачи в рамках одного класса баллистических схем, реализуемых единым базовым космическим комплексом. Поэтому многокритериальную оптимизацию миссии предлагается проводить по двухуровневой схеме: сначала внутри каждого класса отдельно, а затем среди конкурентоспособных вариантов.

Критерии эффективности перспективных космических миссий для исследований Солнца.

Многолетние дистанционные исследования Солнца и его короны, как с поверхности Земли, так и с орбит различных КА пока не позволили получить исчерпывающую информацию о физической природе околосолнечных процессов, зарождающихся в недрах короны. «Механизмы» этих процессов имеют относительно мелкие масштабы и поэтому не могут быть изучены по данным дистанционных наблюдений, даже с гелиоцентрических орбит КА, близких к эфемеридам Меркурия. Только прямые исследования, осуществляющиеся внутри или вблизи короны и включающие наблюдения этих чрезвычайно тонких структур с борта специального КА – Солнечного зонда, могут дать информацию, которая поможет осуществить прорыв в фундаментальных исследованиях природы ближайшего околосолнечного пространства и Солнца.

Зарубежный и отечественный опыт исследований Солнечной системы автоматическими космическими аппаратами (исследования Луны, Венеры, Марса и др.) показывает, что чаще всего эффективность конкретных космических миссий оценивается по четырем главным (генеральным) критериям:

· Результативность научно-исследовательской миссии;

· Надежность выполнения миссии;

· Суммарная стоимость миссии, включая затраты на: разработку, производство, испытания и эксплуатацию;

· Продолжительность осуществления миссии, включая время на разработку, производство, испытания и эксплуатацию.

Очевидно, что многокритериальный отбор вариантов миссии из различных классов миссий, существенно отличающихся схемами полета и составами космических комплексов, не может быть осуществлен в рамках одноуровневой процедуры, поскольку имеет иерархическую структуру взаимоподчиненных факторов, влияющих на значения критериев.

Требованиями к космической миссии в ближайшие окрестности Солнца являются рекомендации и ограничения, выдвинутые заказчиками анализируемых космических миссий. Основные из них следующие.

- Радиус перигелия финальной орбиты прохождения Солнечным зондом короны Солнца должен быть минимальным.

- Финальная орбита Солнечного зонда должна проходить как можно ближе к полярным областям короны Солнца.

- Масса научной аппаратуры на борту Солнечного зонда должна быть максимальной.

- Продолжительность миссии должна быть минимальной.

Кроме того, для нормального функционирования бортовых систем Солнечного зонда система обеспечения теплового режима (СОТР) Солнечного зонда должна поддерживать нормальные тепловые условия в пределах от -20^ОС до +60^ОС в течение всего полета, включая прохождение короны Солнца.

С точки зрения космической миссии к Солнцу как транспортной операции по доставке Солнечного зонда в ближайшее околосолнечное пространство эта миссия относится к числу дальних космических миссий, которые имеют множество вариантов реализации. Причем эта много вариантность связана не только с обилием всевозможных схем перелета к Солнцу, но и с множеством возможных вариантов космических комплексов, которые могли бы реализовать эти варианты миссий (см., например, раздел 4).

Обобщение опыта научных исследований различных объектов солнечной системы позволяет сформировать некоторую сбалансированную стратегию исследований, присущую современным космическим исследованиям. По существу, она сводится к разбиению всего процесса исследований на три характерные этапа:

· этап разведывательных (предварительных) исследований;

· этап регулярных (основных) исследований;

· этапы специальных (углубленных) исследований.

Каждый этап исследований имеет свои отличительные особенности, хотя основные цели и главные (генеральные) критерии качества исследований сохраняются. Эти различия проявляются в приоритетах критериев качества. Например, на этапе разведывательных исследований определяющую роль играет критерий стоимости миссии, а на этапе специальных исследований – научной эффективности.

Проблема оптимизации космической миссии для исследований ближайших окрестностей Солнца

В силу объективных причин разработка вариантов миссии для исследований ближайшего околосолнечного пространства имеет важные отличительные особенности, которые придают задачам (обычно решаемым при предварительном проектировании) принципиальную новизну и требуют применения новых подходов и новых космических технологий. К таким задачам в первую очередь относятся:

- разработка и создание КА - Солнечного зонда, который, находясь в экстремальных условиях короны Солнца, будет способен обеспечить: проведение запланированных научных исследований и высокоскоростную передачу получаемой телеметрической информации на Землю (в почти синхронном режиме);

- целенаправленный синтез существенно разноплановых баллистических схем перелета Земля ‑ Солнце, обеспечивающих высокоэффективное осуществление миссии;

- моделирование и оптимизация сложных межпланетных траекторий перелета Земля-Солнце, включающих многократные гравитационные маневры у планет и длительные участки активного полета КА с электрореактивными двигателями, обеспечиваемыми различными типами энергоустановок;

- разработка и создание транспортно-энергетической платформы с применением различных электрореактивных двигателей и различных типов энергоустановок, обеспечивающей длительный перелет КА в существенно отличных условиях солнечной системы, в том числе на значительном удалении от Солнца (например, у Юпитера) и вблизи Солнца;

- разработка и создание вариантов служебных систем КА, удовлетворяющих всем требованиям реализации перелета и проведения научных экспериментов, способных надежно функционировать длительное время в условиях дальнего космоса и в ближайших окрестностях Солнца;

- создание вариантов космической головной части, имеющих различные составы разгонных ракетных средств (включая электрореактивные двигательные установки в сочетании с разными энергоустановками) для выведения КА на широкий спектр межпланетных траекторий и базирующихся на тяжелых, средних и легких (конверсионных) ракетах носителях;

- разработка сложных баллистических схем, моделирование и оптимизация траекторий выведения КА на различные межпланетные траектории с использованием промежуточных орбит и разгона электрореактивными двигательными установками.

Конечно, перечисленные задачи не исчерпывают всех задач, связанных с предварительным проектированием вариантов рассматриваемой космической миссии, однако они, в основном, формируют облики альтернатив миссии, а также позволяют, что очень важно, оценить основные характеристики вариантов миссии, включая значения критериев качества миссии. Кроме того, они выявляют новизну и основные особенности миссии к Солнцу, которые необходимо учесть при разработке методического аппарата решения этих задач.

Как правило, исследования того или иного небесного тела солнечной системы не ограничивается одной миссией, тем более, если это тело или область космического пространства изучаются в различных аспектах и с учетом новых знаний, появляющихся в процессе исследований. Поэтому для повышения эффективности исследований целесообразно рассматривать сразу несколько этапов исследований, с учетом меняющихся в процессе изучения приоритетов критериев.

Исходя из этого, предлагается все задачи, связанные с предварительным проектированием дальних космических миссий, объединить в рамках одной проблемы, которая в рассматриваемом приложении формулируется следующим образом:

Разработать методику и провести оптимизацию вариантов космической миссии для исследований ближайшего околосолнечного пространства по указанным выше критериям.

Очевидно, что многокритериальный выбор (выбор по векторному критерию) в общем случае предполагает многовариантный результат, который может быть сформулирован в виде рекомендаций для принятия решения неким ответственным лицом, например, главным конструктором проекта. Ясно также, что для каждого этапа исследований может быть рекомендован свой собственный ранжированный ряд вариантов, соответствующий приоритетам критериев.