Рассматривается задача оптимизации траектории
межпланетного пространственного перелёта космического аппарата
(КА) от Земли к астероиду. Гравитационные поля Солнца и Земли
считаются центральными ньютоновскими. Притяжение КА и
астероида не учитывается, предполагается, что они представляют из
себя материальные точки, координаты и вектора скоростей их центров
масс совпадают в конечный момент времени. В начальный момент
времени КА находится на круговой орбите искусственного спутника
Земли (КО ИСЗ), соответствующей выведению с космодрома
Байконур. Моменты старта, финиша КА, положение КА на КО ИСЗ в
начальный момент времени, долгота восходящего узла данной орбиты
оптимизируются. Управление осуществляется двумя импульсными
воздействиями, аппроксимирующими разгон КА около Земли и
торможение около астероида. Минимизируется сумма величин
импульсов.
Задача решается в двух различных системах координат ―
геоцентрической и гелиоцентрической с осями, параллельными осям
системы отсчёта J2000. Для вычисления координат и скоростей Земли
и астероида используется пакет NASA SPICE, позволяющий
вычислить эфемериды в нужный момент времени. При этом
учитывается множество факторов, влияющих на траектории небесных
тел, в том числе: притяжение трёхсот наиболее крупных тел
Солнечной системы, релятивистские эффекты, солнечный ветер.
Задача космодинамики формализуется как задача
оптимального управления в импульсной постановке. На основе
принципа Лагранжа её решение сводится к решению краевой задачи.
Краевая задача решается численно методом стрельбы с
использованием метода Ньютона с модификацией Исаева-Сонина.
Задачи Коши интегрируются численно методом Рунге-Кутты с
автоматическим выбором шага. Системы линейных уравнений
решаются методом Гаусса с выбором главного элемента и повторным
пересчётом.
Основной результат: поставленную задачу удалось решить. На
языке C разработан соответствующий программно-аппаратный
комплекс. В результате решения краевой задачи построены траектории
перелётов к различным астероидам, проводится их анализ в
зависимости от параметров задачи.
В качестве начального приближения для построения
траекторий решались серии задач Ламберта. На основе же решения
задач в импульсной постановке в дальнейшем строились траектории
перелёта КА с ограниченной большой тягой. В том числе были
просчитаны экспедиции к спутникам Марса ― Фобосу и Деймосу в
различных постановках: с возвратом к Земле и без, с использованием
лишь двигателей большой тяги и с комбинированным управлением
двигателями большой и малой тяги. Численно построены экстремали
Понтрягина.
Проектирование миссий к астероидам с выравниваем
скоростей в конце является актуальной научной проблемой, связанной
с такими задачами как установка маяка на потенциально опасный для
Земли астероид с целью уточнения его орбиты, изучение состава
вещества небесных тел, испытание новых технологий, и другими
исследованиями Солнечной системы.