Фото из открытых источников
Когда дело доходит до исследования Марса «на земле», марсоходы становятся довольно хорошими передовыми разведчиками. От Pathfinder до Perseverance мы наблюдали, как эти полуавтономные роботы делают то, что люди-исследователи хотят делать в будущем. Сейчас инженеры изучают способы расширить исследования Марса с помощью марсохода. Одна вещь, о которой они думают: созвездия спутников связи для навигации по поверхности Марса.
Марсоходы нынешнего поколения приземлялись в легкодоступных местах. Другие марсианские регионы, такие как полюса или Долина Маринера, остаются почти нетронутыми. Отчасти это связано с тем, что до них трудно добраться, а их погодные условия создают проблемы. Полюса содержат много ключей к разгадке марсианской климатической системы. Хотя известно, что одна шапка в основном состоит из водяного льда, обе шапки могут содержать (или скрывать) дополнительную воду либо в подземных озерах, либо замерзшую под шапками. Это товар, который понадобится любым будущим исследователям Марса для выживания и других операций. Все эти причины делают полярные регионы главной целью будущих марсоходов.
Сегодня орбитальные аппараты вокруг Марса выполняют тяжелую работу по связи между Землей и красной планетой. Но будущие исследования требуют более гибких систем связи, особенно если мы собираемся изучать полярные регионы. Итак, представьте себе такой сценарий: НАСА или другое агентство хочет отправить флот марсоходов к полярным шапкам Марса. Расстояние усложняет связь с землей для марсоходов при каждом их движении. Время прохождения света в несколько минут может затруднить навигацию в ситуациях «реального времени». Решение состоит в том, чтобы развернуть спутниковые группировки, которые могут «видеть» полярные регионы и помогать марсоходам ориентироваться более точно.
Команда инженеров под руководством к.т.н. студентка Серена Молли с факультета машиностроения и аэрокосмической техники Римского университета Сапиенца провела концептуальное исследование созвездий малых спутников (smallsat) на Марсе. Их цель состоит в том, чтобы спроектировать такой, который был бы почти полностью автономным и мог бы управлять относительным и абсолютным позиционированием своих узлов по всей планете. Созвездие должно поддерживать навигацию для других зондов, таких как объекты в фазах входа, спуска и посадки (EDL), а также для посадочных модулей, вездеходов или орбитальных аппаратов. Узлы будут связываться друг с другом через межспутниковую связь (ISL), а также с марсоходами и другими установками на поверхности.
В предстоящей статье в Acta Astronautica Молли и его команда описывают модели двух таких созвездий. Они сосредоточены на системах, которым не нужны постоянные обновления с Земли. Каждый использует пять спутников для связи друг с другом и с поверхностью. В зависимости от их орбитальной конфигурации, они могли обеспечить почти постоянное покрытие полярных регионов. Соответствующее исследование также было опубликовано в The Planetary Science Journal.
«Мы добились отличной производительности с этой автономной навигационной системой без необходимости программирования ИИ», — пояснил Молли. «Бортовое программное обеспечение основано на специальной теории и алгоритмах определения орбиты, адаптированных для решения задач новой автономной навигационной системы. Однако бортовое программное обеспечение для определения орбиты может выиграть от обновлений. Система допускает это. Нам нужна достаточно мощная бортовой компьютер и периодические контакты с Землей, как для проверки работоспособности системы, улучшения определения орбиты, так и, при необходимости, обновления программного обеспечения».
Предлагаемые командой навигационные системы основаны на малых спутниках, которые в настоящее время разрабатываются итальянской группой аэрокосмических инженеров Argotec. Они работают над предлагаемой микроспутниковой системой «интернет луны» под названием ANDROMEDA. В системах, предлагаемых командой Молли, используется необходимая технология ISL, которая способствует обмену данными между узлами-спутниками. Ранее это использовалось для наземной и планетарной геодезии, особенно в миссиях GRACE и GRAIL.
Применение его к Марсу требует большого количества данных о планете, чтобы система работала эффективно. «В нашей работе мы используем предыдущие знания о марсианском гравитационном поле из таких миссий, как MRO (Mars Reconnaissance Orbiter) и MGS (Mars Global Surveyor)», — сказал Молли. «Это позволяет космическому аппарату созвездия определять свое положение автономно или при спорадической связи с Землей, в зависимости от высоты орбит и, следовательно, от влияния гравитационных градиентов на динамику космического корабля».
Команда отмечает, что эти созвездия малых спутников имеют низкие затраты на разработку и запуск, а также короткое время разработки. Они также предлагают гибкость в реализации миссии. Это связано с тем, что несколько систем могут быть запущены одновременно с помощью специальных запусков или в качестве дополнительных полезных нагрузок более крупных миссий. Если все это сработает на Марсе, вполне возможно, что подобные спутниковые системы можно будет использовать и в других мирах Солнечной системы. Тем не менее, они приходят с большими неизвестными.
«Есть несколько проблем с развертыванием этой навигационной системы на других планетах и спутниках», — сказал Молли. «Условия окружающей среды совсем другие: радиационные поля, другая тепловая среда и т. д. Поэтому аппаратное обеспечение должно быть адаптировано к среде Луны. Кроме того, знание гравитационного поля и состояния вращения этих тел может не известны на требуемом уровне для выполнения точного позиционирования».
Первые испытания такой системы начнутся на Марсе, когда команды космических кораблей планируют полярные миссии. Таким образом, развитие группировок малых спутников имеет решающее значение. Они не только помогут в исследовании Марса, но в конечном итоге могут проложить путь для подобных созвездий вокруг миров за пределами красной планеты.