پژوهشگران دانشگاه کویمبرا پرتغال با شبیهسازی ۳۰ میلیون مسیر فضایی، مسیر تازهای برای سفر به ماه پیدا کردند که میتواند مصرف سوخت مأموریتهای فضایی را بهطور محسوسی کاهش دهد.
به گزارش سرویس هوافضا تکناک،در مأموریتهای فضایی، حتی کاهش چند متر بر ثانیه در تغییر سرعت میتواند هزینه پرتاب را میلیونها دلار کاهش دهد یا امکان حمل تجهیزات بیشتری را فراهم کند. حالا پژوهش تازهای که در نشریه Astrodynamics منتشر شده، نشان میدهد شاید مسیر کمهزینهتری برای سفر به ماه وجود داشته باشد؛ مسیری که از ساختار طبیعی میدانهای گرانشی میان زمین و ماه استفاده میکند.
پژوهشگران اعلام کردهاند این مسیر جدید نسبت به بهترین مسیرهای شناختهشده قبلی، دستکم ۵۸.۸ متر بر ثانیه صرفهجویی در نیاز سوخت ایجاد میکند. «آلن کاردک دِ آلمیدا جونیور» پژوهشگر دانشگاه کویمبرا و نویسنده اصلی مقاله گفت هر متر بر ثانیه کاهش در مأموریتهای فضایی، به معنای صرفهجویی قابل توجه در سوخت است.
برخلاف تصور معمول، این مسیر جدید مستقیمترین راه رسیدن به ماه نیست. فضاپیما ابتدا به ماه نزدیکتر میشود و سپس وارد مسیر گرانشی ویژهای در اطراف نقطه لاگرانژی L1 میشود؛ منطقهای که در آن نیروی گرانش زمین و ماه تا حدی یکدیگر را خنثی میکنند.
یکی از بزرگترین چالشهای سفر میان زمین و ماه، تعداد بسیار زیاد مسیرهای ممکن است. میدان گرانشی مشترک زمین و ماه سامانهای بسیار پیچیده ایجاد میکند که در آن حتی تغییرات بسیار کوچک در شرایط اولیه، میتواند نتیجه کاملاً متفاوتی بهدنبال داشته باشد.
برای حل این مشکل، تیم تحقیقاتی از چارچوبی ریاضی به نام Theory of Functional Connections یا TFC استفاده کرد. این روش به پژوهشگران اجازه داد محدودیتهای فیزیکی اصلی مأموریت را مستقیماً وارد معادلات کنند و بدون نیاز به جستوجوی کاملاً brute-force، میلیونها مسیر ممکن را بررسی کنند.
مدلسازی حرکت فضاپیما بر پایه مسئله سهجسمی محدود دایرهای انجام شد؛ مدلی که فقط زمین، ماه و یک فضاپیمای بدون جرم را در نظر میگیرد. در این چارچوب، پژوهشگران روی مدارهای ناپایداری موسوم به Lyapunov در اطراف نقطه L1 تمرکز کردند.
این مدارها بهدلیل وجود مسیرهای طبیعی ورود و خروج ناشی از گرانش، مانند بزرگراههای نامرئی فضایی عمل میکنند. فضاپیما با ورود به این مسیرها میتواند مسافتهای طولانی را با مصرف بسیار کم سوخت طی کند، زیرا بخش زیادی از حرکت را خود گرانش هدایت میکند.
پژوهشگران حدود ۳۰ میلیون مسیر مختلف را شبیهسازی کردند؛ عددی که در مقایسه با حدود ۲۸۰ هزار مسیر بررسیشده در مطالعات پیشین، جهش بسیار بزرگی محسوب میشود. همین جستوجوی عظیم باعث شد الگویی غیرمنتظره آشکار شود.
نتایج نشان داد کمهزینهترین مسیرها آنهایی نیستند که مستقیماً از سمت زمین وارد مسیر گرانشی میشوند. در عوض، بهترین گزینه ابتدا یک عبور نزدیک از کنار ماه انجام میدهد و سپس وارد کریدور انتقالی L1 میشود. این عبور نزدیک مانند کمکگرانشی عمل میکند و نیاز به روشن کردن موتور در لحظات حساس را کاهش میدهد.
در بخش نخست مأموریت، فضاپیما از مدار ۱۶۷ کیلومتری زمین خارج میشود و وارد مسیر گرانشی پایدار به سمت L1 میشود. در مرحله دوم، فضاپیما از طریق مسیر ناپایدار به سمت مدار ماه حرکت میکند.
بهترین مسیر کشفشده برای انتقال از زمین به L1 به تغییر سرعت کلی ۳۳۴۲.۹۶ متر بر ثانیه نیاز دارد. این کار با دو مانور دقیق موتوری انجام میشود؛ یکی برای خروج از زمین و دیگری برای ورود به مسیر گرانشی نزدیک ماه. پس از آن، گرانش بیشتر کار را انجام میدهد.
طبق نتایج مطالعه، کل مأموریت از خروج از زمین تا ورود به مدار ماه حدود ۳۹۹۱.۶ متر بر ثانیه تغییر سرعت نیاز دارد و مدت زمان سفر نیز نزدیک به ۳۲ روز است. اگرچه این مسیر سریعترین راه رسیدن به ماه نیست، اما مزایای عملیاتی مهمی مانند انعطافپذیری بیشتر، امکان طراحی مأموریتهای مرحلهای و کاهش هزینه را فراهم میکند.
پژوهشگران میگویند بخش مهم این دستاورد فقط کشف یک مسیر جدید نیست، بلکه توسعه سامانه محاسباتی پیشرفتهای است که میتواند دهها میلیون مسیر فضایی را بررسی و بهینهترین گزینهها را پیدا کند.
با این حال، مدل فعلی هنوز محدودیتهایی دارد. در این شبیهسازی اثر گرانش خورشید و دیگر اجرام آسمانی لحاظ نشده است. پژوهشگران معتقدند اگر این عوامل نیز وارد مدل شوند، احتمالاً مسیرهای حتی ارزانتری نیز کشف خواهد شد، اما این مسیرها فقط در بازههای زمانی خاص و همراستاییهای مناسب اجرام آسمانی قابل استفاده خواهند بود.
