На протяжении десятилетий ученые пытались выяснить минимальное количество спутников, которые могли бы видеть каждую точку на Земле. Этот вопрос частично мотивирован растущей проблемой космического мусора, а также соображениями стоимости и эффективности. К середине 1980-х годов исследователь Джон Э. Дрейм предложил решение этой проблемы в серии исследований, утверждая, что все, что было необходимо, - это созвездие из четырех спутников.
К сожалению, его решение просто не было практичным в то время, так как для удержания спутников на орбите потребовалось бы огромное количество топлива. Но благодаря недавнему совместному исследованию, команда исследователей нашла правильную комбинацию факторов, чтобы сделать возможным созвездие из четырех спутников. Их результаты могут способствовать развитию телекоммуникаций, навигации и дистанционного зондирования, а также сокращать расходы.
Исследование, которое описывает их результаты, недавно появилось в журнале Связи природы и руководил Патрик Рид, профессор гражданского и экологического проектирования в Корнелльском университете. К Риду присоединились инженеры и ученые из Аэрокосмической корпорации и Калифорнийского университета в Дэвисе при поддержке Национального научного фонда (NSF).
Чтобы решить вопрос о том, как сохранить функционирующее созвездие с минимальным количеством спутников, команда рассмотрела все факторы, которые вызывают спутывание спутников с течением времени. К ним относятся гравитационное поле Земли, атмосферное сопротивление, гравитационное влияние Луны и Солнца и давление солнечной радиации. Как объяснил Рид:
«Один из интересных вопросов, который у нас возник, был, можем ли мы на самом деле преобразовать эти силы? Вместо того, чтобы деградировать систему, можем ли мы перевернуть ее так, чтобы созвездие собирало энергию у этих сил и использовало их для активного контроля над собой? »
Совместное исследование объединило опыт Аэрокосмической корпорации в области современной астрофизики, оперативной логистики и моделирования с собственным опытом Рида в вычислительных инструментах поиска на основе ИИ. Команда также использовала суперкомпьютер Blue Water в Иллинойском университете, чтобы просеять сотни тысяч возможных орбит и комбинаций возмущений.
Как объяснил Лейк А. Сингх, системный директор отдела будущей архитектуры Aerospace Corporation:
«Мы воспользовались опытом проектирования созвездий Aerospace с лидерством Cornell в области интеллектуальной аналитики поиска и обнаружили реально осуществимую альтернативу конструкции созвездия Draim. Эти планы созвездий могут предоставить существенные преимущества планировщикам миссий для концепций на геостационарных орбитах и за их пределами »
Со временем команда смогла сузить дизайн созвездий до двух моделей. В одном из них спутники могут вращаться на орбите в течение 24 часов и достичь 86% глобального охвата. С другой стороны, спутники будут вращаться на орбите в течение 48 часов и достигнут 95% покрытия. Несмотря на то, что оба не достигли 100%, команда обнаружила, что отказ от небольшого запаса покрытия приведет к значительному компромиссу.
Это включает в себя способность использовать больше энергии от той же гравитационной и солнечной радиации, которая обычно затрудняет управление спутниками и приводит к ухудшению их орбит. Кроме того, операторы спутников смогут контролировать, где будут возникать разрывы в охвате, и они будут длиться не более 80 минут в день. Как сказал Рид, этот компромисс стоит того:
«Это одна из тех вещей, где стремление к совершенству фактически может помешать инновациям. И вы на самом деле не отказываетесь от драматической суммы. Могут быть миссии, в которых вам абсолютно необходимо охватить всюду на Земле, и в этих случаях вам просто нужно будет использовать больше спутников, сетевых датчиков или гибридных платформ ».
Другие преимущества этого типа пассивного спутникового контроля включают способ, которым он может потенциально продлить срок службы созвездия с 5 до 15 лет. Они также потребовали бы меньше топлива и могли бы плавать на более высоких высотах, таким образом уменьшая риск столкновения с космическими кораблями и другими орбитальными объектами. Но самое большое преимущество в том, насколько экономически выгодна эта установка по сравнению с обычными спутниковыми группировками.
Это делает его особенно привлекательным для стран или коммерческих аэрокосмических компаний, которые не имеют необходимых финансовых ресурсов для развертывания крупных созвездий.
«Даже один спутник может стоить сотни миллионов или миллиарды долларов, в зависимости от того, какие датчики на нем и какова его цель. Таким образом, наличие новой платформы, которую вы можете использовать во всех существующих и новых миссиях, довольно изящно. Существует большой потенциал для дистанционного зондирования, телекоммуникаций, навигации, широкополосного зондирования и обратной связи по всему пространству, и это развивается очень, очень быстро. Вероятно, существуют всевозможные приложения, которые могут выиграть от долгоживущего, самоадаптирующегося спутникового созвездия с почти глобальным охватом ».
Это исследование не только решает постоянный вопрос о спутниковом покрытии и обслуживании созвездий. Это также стоит за достижения в области телекоммуникаций, навигации и дистанционного зондирования. В ближайшем будущем бесчисленные спутники будут отправлены в космос для обеспечения спутникового интернета (созвездия StarX SpaceX), проведения научных экспериментов и мониторинга атмосферы и поверхности Земли.
Между этим и связанными с этим заботами о космическом мусоре, возможность сделать больше с меньшими затратами (и с меньшими затратами) окажется очень полезной!
