در سالهای اخیر، بشر موفق به بازدید از چندین سیارک نزدیک به زمین (NEA) شده است؛ از جمله ریوگو (با مأموریت هایابوسا۲) و دیدیموس (با مأموریت DART). با این حال، برای دستیابی به اطلاعات مفیدتر درباره این دسته از بیش از ۳۷٬۰۰۰ جرم فضایی، نیازمند مأموریتهای بیشتری هستیم. کیوبستها به دلیل بهرهگیری از قطعات آماده و اندازه کوچک، گزینهای مناسب برای چنین برنامه اکتشافی به نظر میرسند. اما سؤال اینجاست: این ماهوارههای کوچک چگونه میتوانند به مکان سیارکها برسند با توجه به محدودیتهای موجود در ظرفیت پیشرانش و بار مفیدشان؟ این موضوع محور مقالهای جدید از آلساندرو کوارتا از دانشگاه پیزا است.
او در این مقاله به برنامهریزی مسیر برای کیوبستها با استفاده از ترکیبهای مختلف موتور یونی پرداخته است. طبق یافتههای او، بسیاری از سیارکهای نزدیک زمین تنها با قرارگیری کیوبست در مدار خورشیدمرکزی و انتظار برای عبور سیارک، قابل دستیابی هستند.
اغلب این سیارکها مدارهایی بیضوی دارند، به این معنا که در هر گردش دو بار از یک مدار مرجع عبور میکنند، در نقاطی که “نقاط گرهای” نام دارند. ایده اصلی مقاله آن است که کیوبست در نقطه گرهای منتظر عبور سیارک باشد، بدون اینکه نیاز به صرف سوخت برای تعقیب آن داشته باشد؛ چیزی شبیه به یک “عبور نزدیک” بدون تلاش برای رسیدن مستقیم.
برای رسیدن به این نقاط گرهای، کیوبست به شاهکار فناوری مدرن یعنی موتور یونی متکی است. در این پژوهش، موتور یونی BIT-3 RF ساخت شرکت Busek در ماساچوست مورد بررسی قرار گرفته؛ نخستین موتور یونی شبکهای با سوخت ید که در سال1394 معرفی شد. این موتور بهدلیل مستندات فنی دقیق، انتخاب مناسبی برای مدلسازی بوده است.
یکی از متغیرهای مهم بررسیشده، تعداد موتورهای BIT-3 RF استفادهشده در سامانه پیشرانش است. یافتهها نشان دادند که هرچند استفاده از سه موتور رسیدن به نقطه ملاقات را سریعتر میکند، اما این کار نیازمند جرم بیشتر برای سوخت و خود موتورهاست. و این افزایش جرم، بهویژه در افزودن موتور سوم، کارایی سیستم را کاهش میدهد.
همانطور که در مأموریتهای فضایی همیشه مطرح است، جرم یک فاکتور کلیدی است. دکتر کوارتا نیز سایر اجزای فضاپیما را نادیده نگرفته است: ۴ کیلوگرم از جرم را برای بار علمی بهمنظور مشاهده سیارک در نظر گرفته و حدود ۴۰٪ از جرم کلی کیوبست را به سیستمهای دیگر مانند تأمین انرژی، که با پنل خورشیدی HaWK از شرکت MMA انجام میشود، اختصاص داده است.
اعتبار: کاربر ویکیمدیا Rocketscience14
اما بخش هیجانانگیز مقاله مربوط به بهینهسازی مسیر است. مسائلی مانند یافتن مسیر بهینه برای رسیدن به نقطهای خاص در فضا، پاسخهای متعددی دارند که وابسته به شرایط و اهداف هستند. برای حل این نوع مسائل، تنظیم وزن اهمیت عوامل مختلف نقش اساسی دارد. دکتر کوارتا از روشی به نام اصل بیشینه پونتریاگین (Pontryagin’s Maximum Principle) استفاده کرده تا مسیر بهینه یا همان «قانون هدایت بهینه» را مشخص کند؛ یعنی تعیین اینکه موتورها در چه جهتی و با چه شدتی عمل کنند. سپس برای حل عددی این مسأله، از روش آدامز-بشفورث-مولتون (Adams-Bashforth-Moulton) بهره گرفته است.
با این روشها، او موفق به حل ۱۸۰ مسأله مختلف از بردارهای رانش بهینه با استفاده از یک، دو یا سه موتور یونی برای مدارهایی بین ۰.۸۵ تا ۱.۱۵ واحد نجومی (AU) شد. از میان ۳۷٬۰۰۰ سیارک شناختهشده، ۱۸٬۶۴۴ عدد از آنها در این محدوده مداری قرار میگیرند و ۱۸۷۰ مورد از آنها دارای هر دو نقطه صعودی و نزولی هستند. یکی از سیارکهایی که بهصورت خاص بررسی شد، 1685 Toro است؛ که طبق محاسبات، با استفاده از سه موتور یونی، حدود ۱۵۰ روز (۵ ماه) طول میکشد تا کیوبست به نقطه ملاقات برسد، و تنها ۸٪ از جرم آن صرف سوخت خواهد شد.
تحلیل مسیر پروازی اغلب قهرمان گمنام مأموریتهای فضایی است؛ نه بهاندازه برخورد سریع با سیارک یا نمونهبرداری از سطح آن جذاب است، اما نقش حیاتی در موفقیت مأموریت دارد. اگر همه چیز طبق برنامه پیش برود، ممکن است هیچکس متوجه اهمیت آن نشود، اما بدون آن، بسیاری از مأموریتها غیرممکن خواهند بود. اگرچه در حال حاضر مأموریت مشخصی برای استفاده از این برنامههای مسیر پروازی وجود ندارد، اما روزی خواهد رسید که این مطالعات پایهای، دانش ما درباره سیارکها و در نتیجه درباره تاریخ اولیه منظومه شمسی را افزایش دهند.