Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.
Юпитер имеет 79 спутников, одним из них является Каллисто. Он второй по величине среди всех естественных спутников планеты. Каллисто находится в синхронном вращении с Юпитером. Спутник имеет форму шара и по своим характеристикам очень схож с Луной. На нем огромное количество метеоритных кратеров, а также большое количество водяного пара, однако поверхность Каллисто темная, скорее всего, она загрязнена пылью и различными примесями. Температура на спутнике может повышаться до 150 К, но быстро понижается после захода Солнца. Совсем недавно ученые предположили, что на поверхности естественного спутника Юпитера Каллисто, возможно, есть солевой океан, который может лежать под ледовой корой. В связи с этими событиями, изучение поверхности спутника является крайне интересной задачей.
Целью данного исследования является проектирование космического аппарата (КА) и расчет его движения от выхода из сферы действия Земли до посадки на спутник Юпитера Каллисто с минимальными энергетическими затратами. Для прямого перелета к Юпитеру необходима ракета-носитель с характеристической скоростью выше 16 км/с (например, Falcon Heavy). В исследовании была реализована баллистическая схема перелета с использованием гравитационного маневра Земля–Земля и найдена траектория, обеспечивающая минимальные затраты рабочего тела на гелиоцентрический перелет. Использование гравитационного маневра позволит использовать для запуска КА ракету-носитель среднего класса, например Союз-5.
Выбранная схема проведения исследований предполагает, что исследовательский КА будет разделен на орбитальный и спускаемый модули. Основной, орбитальный, модуль будет использоваться для передачи информации на Землю, а также для картографирования поверхности и изучении пространства вблизи Каллисто, посадочный модуль предназначен для исследований на поверхности.
Головной модуль посадочного модуля КА имеет массу 21,48 кг, а нижнего модуля (двигательная установка) — 62,7 кг. На нем располагаются 4 двигателя с тягой 10 Н каждый. В соответствии с задачами миссии определена масса научных приборов посадочного модуля, составившая 6,47 кг.
Этап посадки космического аппарата рассматривается в однородном поле силы тяжести Каллисто. В качестве допущений принимается, что на КА действуют только силы тяги двигательной установки и притяжения. Движение рассматривается в плоскости орбиты ожидания в связанной системе координат. Процесс мягкой посадки реализуется в два этапа: этап гравитационного поворота и этап вертикального спуска [1].
Метод гравитационного поворота является наиболее простым способом управления, при котором система управления ориентирует вектор тяги двигателя против вектора скорости [2]. При этом обеспечивается расход топлива близкий к минимальному. В конце участка торможения величина скорости КА стремится к нулю, а ориентация продольной оси за счет действия гравитационного ускорения к вертикальному положению.
Минимальный расход топлива на этапе вертикального спуска обеспечивается однократным включением двигателя [3]. Траектория движения включает пассивный участок, на котором спускаемый аппарат разгоняется под действием силы гравитации, и активный участок, на котором происходит торможение под действием силы тяги двигателей [4]. Длительность совершения активного участка составляет 333 с, а пассивного — 869 с.
В результате исследования была сформирована проектная модель орбитального и посадочного модулей КА и проведено моделирование движения для полета к спутнику Юпитера — Каллисто, с применением гравитационного маневра Земля–Земля. Оценена минимальная необходимая тяга двигателей и длительность маневра мягкой посадки посадочного модуля КА с заданной массой на спутник.
