Оценка энергетических затрат межорбитального перехода с эллиптической орбиты на геометрически устойчивую орбиту вокруг Марса

Авторы

Ельников Р. В.^*, Жуков Г. Е.^**

Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), 125993, г. Москва, Волоколамское шоссе, д. 4

*e-mail: elnikov_rv@mail.ru
**e-mail: zhykov99@gmail.com

Аннотация

Рассмотрен перевод космического аппарата на полярную околокруговую геометрически устойчивую орбиту вокруг Марса. Такая орбита может быть использована для эффективного зондирования планеты.
Предполагается, что перелет космического аппарата (КА) в грависфере Марса осуществляется с промежуточной эллиптической орбиты с помощью двигательной установки малой тяги. Оптимизируются параметры промежуточной орбиты.
Проанализированы характеристики целевой геометрически устойчивой («замороженной») орбиты и влияние нецентральности гравитационного поля Марса на ее эволюцию. Получены зависимости энергетических и временных затрат, требуемых для осуществления перелета. 

Ключевые слова:

перелет с малой тягой, оптимальный межорбитальный перелет, формализм принципа максимума Понтрягина, геометрически устойчивая орбита Марса, солнечно-синхронная орбита, дистанционное зондирование Марса

Список источников

1.  Wang Y., Lu P., Fu T. Transfers to Frozen Orbits Around Planetary Moons Using Manifolds of Averaged Dynamics // Journal of Guidance, Control, and Dynamics. 2024. Vol. 47. No. 2, pp. 262-278. DOI: 10.2514/1.G007774
2.  Wu Z., Jiang F., Li J. Artificial Martian frozen orbits and sun-synchronous orbits using continuous low-thrust control // Astrophysics and Space Science. 2014. Vol. 352, pp. 503–514. DOI: 10.1007/s10509-014-1962-3
3.  Noullez A., Tsiganis K. Design of low-altitude Martian orbits using frequency analysis // Advances in Space Research. 2021. Vol. 67. No. 1, pp. 477–495. DOI: 10.1016/j.asr.2020.10.032
4.  Cinelli M., Ortore E., Mengali G. et al. Lunar orbits for telecommunication and navigation services // Astrodynamics. 2024. Vol. 8. No. 1, pp. 209-220. DOI: 10.1007/s42064-023-0191-3
5.  Ortore E., Cinelli M., Circi C. Optimal initial conditions for science orbits around Ganymede // Advances in Space Research. 2023. Vol. 72. No. 8, pp. 3308–3320. DOI: 10.1016/j.asr.2023.06.019
6.  Liu X., Baoyin H., Ma X. Analytical investigations of quasi-circular frozen orbits in the Martian gravity field // Celestial Mechanics and Dynamical Astronomy. 2011. Vol. 109, pp. 303–320. DOI: 10.1007/s10569-010-9330-2
7.  Кугаенко Б.В., Эльясберг П.Е. Эволюция почти круговых орбит ИСЗ под влиянием зональных гармоник // Космические исследования. 1968. Т. VI. № 2. C. 186–202.
8.  Виноградов Д.Ю., Давыдов Е.А. Методика формирования устойчивых околокруговых солнечно-синхронных орбит при длительных сроках существования космического аппарата // Инженерный журнал: наука и инновации. 2017. № 6(66). DOI: 10.18698/2308-6033-2017-6-1630
9.  Константинов М.С., Мин Т. Метод оптимизации траектории выведения КА с электроракетной двигательной установкой на ГСО. // Вестник Московского авиационного института. 2009. Т. 16. № 5. С. 282-290. URL: https://vestnikmai.ru/publications.php?ID=12386
10.  Петухов В.Г. Оптимизация многовитковых перелетов между некомпланарными эллиптическими орбитами // Космические исследования. 2004. Т. 42. № 3. С. 260-279.
11.  Петухов В.Г., Паинг Сое Т.У. Оптимизация многовитковых траекторий межорбитального перелета с идеально-регулируемым двигателем малой тяги // Известия Российской академии наук. Энергетика. 2019. № 3. С. 140–154.
12.  Петухов В.Г. Методы оптимального управления в проектировании траекторий космических аппаратов с электроракетными двигательными установками // X Поляховские чтения: Материалы международной научной конференции по механике (23–27 сентября 2024; Санкт-Петербург). СПб.: Изд-во ВВМ, 2024. С. 41-45. 
13.  Shirobokov M., Trofimov S., Ovchinnikov M. Lunar Frozen Orbits for Small Satellite Communication/Navigation Constellations // 72nd International Astronautical Congress (25-29 October 2021; Dubai, UAE). Paper IAC-21.C1.4.6.
14.  Razoumny Yu.N. Locally Geostationary Orbits: Optimal Geometry of Elliptic Orbit for Earth Coverage // Journal of Spacecraft and Rockets. 2019. Vol. 56. No. 4, pp. 1017-1023. DOI: 10.2514/1.A33699
15.  Чернов А.А., Чернявский Г.М. Орбиты спутников дистанционного зондирования Земли. Лекции и упражнения. -М.: Радио и связь, 2004. -200 с.
16.  Разумный Ю.Н., Самусенко О.Е., Нгуен Н.К. Анализ оптимальных вариантов двухъярусных спутниковых систем непрерывного обзора сферического слоя околоземного космического пространства // Вестник Московского авиационного института. 2018. Т. 25. № 3. С. 171-181.
17.  Понтрягин Л.С., Болтянский В.Г., Гамкрелидзе Р.В. и др. Математическая теория оптимальных процессов. М.: Наука, 1976. 392 с. 
18.  Konstantinov M.S., Petukhov V.G. Easy engineering technique of optimal electric propulsion trajectory estimation // 57th International Astronautical Congress (02-06 October 2006; Valencia, Spain). DOI: 10.2514/6.IAC-06-C4.4.06
19.  Константинов М.С., Каменков Е.Ф., Перелыгин Б.П. и др. Механика космического полета: Учебник / Под. ред. В.П. Мишина. М.: Машиностроение, 1989. 406 с.
20.  Ельников Р.В., Жуков Г.Е. Методика поддержания геометрически устойчивых солнечно-синхронных орбит с помощью электроракетных двигателей // Космонавтика и ракетостроение. 2024. № 3(136). C. 5-19.
21.  Konopliv A.S., Sjogren W.L. The JPL Mars Gravity Field, Mars50c, Based Upon Viking and Mariner 9 Doppler Tracking Data. NASA-CR-198881. Jet Propulsion Laboratory. California Institute of Technology. Pasadena, California, 1995. 83 p.