Comme plus de satellites, de télescopes et d’autres vaisseaux spatiaux sont construits pour être réparables, il faudra des trajectoires fiables pour que le vaisseau spatial de service les atteigne en toute sécurité. Des chercheurs du Département de génie aérospatial du Grainger College of Engineering de l’Université de l’Illinois Urbana-Champaign développent une méthodologie qui permettra à plusieurs cubesats d’agir en tant qu’agents de service pour assembler ou réparer un télescope spatial.
Publié dans Le journal des sciences astronautiquesleur méthode Minimise la consommation de carburant, garantit que les agents d’entretien ne se rapprochent jamais les uns des autres que de 5 mètres et peuvent être utilisés pour résoudre les problèmes de guidage des voies qui ne sont pas liés à l’espace.
« Nous avons développé un schéma qui permet aux cubesats de fonctionner efficacement sans entrer en collision », a déclaré Aerospace Ph.D. Étudiant Ruthvik Bommena. « Ces petits vaisseaux spatiaux ont des capacités de calcul embarquées limitées, donc ces trajectoires sont précomposées par des ingénieurs de conception de mission. »
Bommena et son conseiller pédagogique Robyn Woollands ont démontré les performances de l’algorithme en simulant deux, trois ou quatre essaims de véhicules transportant simultanément des composants modulaires entre un véhicule de service et un télescope spatial subissant un entretien dans l’espace.
« Ce sont des trajectoires difficiles à calculer et à calculer, mais nous avons proposé une nouvelle technique qui garantit son optimalité », a déclaré Bommena.
Bommena a déclaré que l’aspect le plus difficile est l’ampleur des distances. L’orbite du télescope spatial James Webb est à environ 1,5 million de kilomètres, au Sun-Earth Lagrange Point 2. C’est là que la force gravitationnelle du soleil et de la terre s’équilibre, ce qui en fait l’endroit idéal dans l’espace pour les satellites d’observation en espace en profondeur à Maintenez l’orbite tout en faisant face au soleil.
« Sans devenir trop technique, nous avons utilisé des méthodes d’optimisation indirecte pour garantir que la solution de sortie est optimale de carburant. Les méthodes directes ne garantissent pas cela. »
« Nous avons également incorporé les contraintes d’inégalité du chemin anti-collision dans la formulation de contrôle optimale comme contrainte dure, de sorte que le vaisseau spatial ne viole pas la contrainte à aucun moment de la trajectoire. »
Bommena a expliqué que les méthodes traditionnelles directes ou indirectes avec des contraintes, telles que l’évitement des collisions, divisent la trajectoire en arcs multiples, augmentant la complexité de façon exponentielle.
« Notre méthodologie permet aux trajectoires d’être résolues sous forme d’arcs uniques. Nous passons simplement du point de départ directement au point de destination. Il est plus optimal de carburant et plus efficace sur le calcul. »
Un autre résultat majeur de la recherche est le développement d’un nouveau modèle dynamique de problème à trois corps restreint à trois corps liés à la cible.
« Nous devions atténuer les défis numériques qui proviennent de la grande distance entre le soleil et la terre », a déclaré Bommena. « Pour ce faire, nous avons d’abord déplacé le centre du cadre le long de l’axe des x de la Terre Soleil Barycenter à l’emplacement de Lagrange Point L2, puis avons dérivé les équations de mouvement par rapport au vaisseau spatial cible. Nous avons également introduit une nouvelle distance unité en appliquant un facteur de mise à l’échelle qui s’ajuste proportionnellement par rapport à la mesure de distance d’origine. «
Bommena a déclaré que lui et le Woollands ont travaillé sur ce projet pendant environ un an et demi. Sa percée est venue sur un vol à longue distance.
« Les mathématiques travaillaient sur du papier. Le problème majeur que nous avions eu était de lutter avec la numérique. Je codais pendant un long vol. J’ai essayé quelques choses et soudain, la solution a convergé. Au début, je ne le croyais pas. Un moment très excitant et les prochains jours étaient géniaux. «
Bommena a déclaré que bien que l’application de ce travail soit de rendre l’entretien dans l’espace et l’assemblage plus sûr et plus efficace, la méthodologie qu’ils ont développée est très polyvalente et peut être utilisée dans d’autres scénarios d’optimisation de la trajectoire avec différentes contraintes.
Plus d’informations:
Ruthvik Bommena et al, optimisation de la trajectoire indirecte avec des contraintes de chemin pour les opérations de proximité multi-agents, Le journal des sciences astronautiques (2024). Doi: 10.1007 / s40295-024-00470-7