Управление движением в космосе

Подпись : «Мой интерес к науке возник из Вселенной и попыток понять наше место в ней», — говорит Линарес. Автор фото : Адам Гланцман

Скорее всего, вы уже сегодня пользовались спутниками. Благодаря спутникам мы можем смотреть любимые телепередачи, звонить и писать друзьям, проверять погоду и пользоваться навигационными приложениями, а также совершать покупки в интернете. Спутники также отслеживают климат Земли, площадь сельскохозяйственных угодий, среду обитания диких животных и последствия стихийных бедствий.

По мере того, как мы находили им все больше применений, число спутников резко возросло. Сегодня на низкой околоземной орбите работает более 10 000 спутников. Еще 5000 выведенных из эксплуатации спутников дрейфуют в этом регионе вместе с более чем 100 миллионами обломков, включающих в себя все, от отработанных ступеней ракет до пятен краски космических аппаратов.

Для Ричарда Линареса из Массачусетского технологического института стремительное увеличение количества спутников поднимает насущные вопросы: как безопасно управлять потоком и растущей загруженностью космического пространства? И в какой момент мы достигнем предельной орбитальной емкости, после которой добавление новых спутников станет нецелесообразным и может фактически поставить под угрозу космические аппараты и услуги, от которых мы зависим?

«Обществу предстоит решить, какую пользу мы получаем от запуска большего количества спутников», — говорит Линарес, недавно получивший должность доцента на кафедре аэронавтики и космонавтики (AeroAstro) Массачусетского технологического института. «Одна из задач, которую мы пытаемся решить, — это рассматривать вопросы управления движением и орбитальной пропускной способности как инженерные проблемы».

Линарес возглавляет лабораторию астродинамики, космической робототехники и управления (ARCLab) Массачусетского технологического института, исследовательскую группу, которая применяет астродинамику (движение и траекторию орбитальных объектов) для отслеживания и управления миллионами объектов на орбите вокруг Земли. Группа также разрабатывает инструменты для прогнозирования изменений в космическом трафике и количестве космического мусора по мере запуска операторами крупных спутниковых «мегагруппировок» в космос.

Он также изучает влияние космической погоды на спутники, а также то, как изменение климата на Земле может ограничить количество спутников, которые могут безопасно вращаться в космосе. И, предвидя, что спутникам придется стать умнее и быстрее, чтобы ориентироваться в более загроможденной среде, Линарес изучает возможности искусственного интеллекта, чтобы помочь спутникам автономно обучаться и рассуждать, адаптироваться к меняющимся условиям и устранять неполадки на борту.

«Наши исследования довольно разнообразны, — говорит Линарес. — Но в целом мы хотим реализовать все эти экономические возможности, которые предоставляют нам спутники. И мы разрабатываем инженерные решения, чтобы это стало возможным».

Практические проблемы заземления

Линарес родился и вырос в Йонкерсе, штат Нью-Йорк. Оба его родителя работали водителями школьных автобусов, чтобы содержать детей; Линарес был младшим из шести детей. Он был активным ребенком и любил спорт, играл в футбол на протяжении всей учебы в старшей школе.

«Спорт помог мне оставаться сосредоточенным и организованным, а также развить трудовую этику, — говорит Линарес. — Он научил меня усердно работать».

При поступлении в колледжи, вместо того чтобы, как некоторые из его товарищей по команде, стремиться в университеты первого дивизиона, Линарес искал программы, сильные в области науки, особенно в аэрокосмической отрасли. В детстве он был очарован документальным сериалом Карла Сагана «Космос». А поскольку он жил недалеко от Манхэттена, он регулярно посещал планетарий Хайдена, чтобы посмотреть захватывающие проекции космоса и технологии, используемые для его исследования.

«Мой интерес к науке возник из интереса к Вселенной и попыток понять наше место в ней», — вспоминает Линарес.

Решив остаться поближе к дому, он подал заявки в местные вузы с сильными факультетами аэрокосмической инженерии и, к своему счастью, поступил в Государственный университет Нью-Йорка в Буффало (SUNY Buffalo), где в конечном итоге получил степень бакалавра, магистра и доктора наук, все по специальности «аэрокосмическая инженерия».

Будучи студентом, Линарес взялся за исследовательский проект в области астродинамики, стремясь решить проблему определения относительной ориентации спутников, летящих в строю.

«В начале 2000-х годов тема групповых полетов была очень популярна, — говорит Линарес. — Мне нравилась математическая составляющая, которая позволила мне углубиться в поиск решения».

Он математически доказал, что когда три спутника летят вместе, они образуют треугольник, углы которого можно рассчитать, чтобы определить положение каждого спутника относительно двух других в любой момент времени. Его работа представила новый подход к управлению, позволяющий спутникам безопасно летать вместе. Исследование имело прямое применение в ВВС США, которые оказали финансовую поддержку этой работе.

Расширяя область исследований до уровня магистерской диссертации, Линарес также воспользовался возможностью напрямую сотрудничать с ВВС по вопросам слежения и ориентации спутников. Он прошёл две стажировки в Исследовательской лаборатории ВВС США: одну на авиабазе Киртланд в Альбукерке, штат Нью-Мексико, а другую на острове Мауи, Гавайи.

«Возможность сотрудничать с ВВС в то время позволила сосредоточить исследования на решении практических проблем», — говорит Линарес.

В рамках своей докторской диссертации он обратился к другой практической проблеме — «некоррелированным траекториям». В то время ВВС эксплуатировали сеть телескопов для наблюдения за более чем 20 000 объектами в космосе, которые они пытались маркировать и заносить в каталог, чтобы отслеживать их перемещение во времени. Но если обнаружение объектов было относительно простым, то сложность заключалась в сопоставлении обнаруженного объекта с тем, что уже было в каталоге. Другими словами, видели ли они то, что уже видели?

Линарес разработал методы анализа изображений для выявления ключевых характеристик объектов, таких как их форма и ориентация, что помогло ВВС «идентифицировать» спутники и обломки космического мусора, а также отслеживать их активность — и потенциальную возможность столкновений — с течением времени.

После защиты докторской диссертации Линарес работал постдоком в Национальной лаборатории Лос-Аламоса и Военно-морской обсерватории США. В это время он расширил свою работу в области аэрокосмической техники, включив в нее и космическую погоду, используя спутниковые измерения для моделирования того, как ионосфера Земли — верхний слой атмосферы, ионизированный солнечным излучением, — влияет на сопротивление спутников.

Затем он занял должность доцента кафедры аэрокосмической инженерии в Университете Миннесоты в Миннеаполисе. В течение следующих трех лет он продолжал свои исследования в области моделирования космической погоды, отслеживания космических объектов и координации полетов спутников в составе роев.

Создание пространства

В 2018 году Линарес перешёл в Массачусетский технологический институт.

«Я очень уважал людей и историю работы, которая здесь проводилась», — говорит Линарес, которого особенно вдохновлял легендарный Чарльз Старк «Док» Дрейпер, разработавший в 1940-х годах первые инерциальные системы наведения, которые на десятилетия вперед позволили самолетам, подводным лодкам, спутникам и космическим аппаратам самостоятельно управлять своими аппаратами. «Это была, по сути, моя область, и я знал, что MIT — лучшее место для продолжения моей карьеры».

Будучи молодым преподавателем в области аэрокосмической техники, Линарес первые годы посвятил решению назревавшей проблемы: устойчивому развитию космической отрасли. Примерно в то время на низкую околоземную орбиту запускались первые спутниковые группировки — Starlink от SpaceX, целью которой было обеспечение глобального интернет-покрытия через огромную сеть из нескольких тысяч координирующих спутников. Запуск такого количества спутников на орбиты, где уже находились другие активные и неактивные спутники, а также миллионы обломков космического мусора, поднял вопросы о том, как безопасно управлять спутниковым трафиком и какой объем трафика может выдержать орбита.

«На каком уровне мы достигнем критической точки, когда у нас окажется слишком много спутников на определенных орбитальных режимах?» — спрашивает Линарес. «В то время это была довольно известная проблема, но решений было немного».

Группа Линареса применила знания астродинамики и физики движения объектов в космосе, чтобы определить наилучший способ размещения спутников в орбитальных «оболочках» или полосах, которые с наибольшей вероятностью предотвратили бы столкновения. Они также разработали современную модель орбитального движения, способную моделировать траектории более 10 миллионов отдельных объектов в космосе. Предыдущие модели были гораздо более ограничены в количестве объектов, которые они могли точно моделировать. Открытая модель Линареса, называемая MIT Orbital Capacity Assessment Tool (MOCAT), может учитывать миллионы обломков космического мусора в дополнение к множеству целых спутников на орбите.

Разработанные его группой инструменты сегодня используются операторами спутников для планирования и прогнозирования безопасных траекторий космических аппаратов. Его команда продолжает работать над проблемами управления космическим движением и орбитальной пропускной способности. Они также расширяют свою деятельность в области космической робототехники. Команда тестирует способы дистанционного управления человекоподобным роботом, что потенциально может помочь в создании будущей инфраструктуры и выполнении длительных задач в космосе.

Компания Linares также изучает возможности искусственного интеллекта, в том числе способы, позволяющие спутнику автономно «учиться» на основе полученного опыта и безопасно адаптироваться к неопределенной среде.

«Представьте, если бы на каждом спутнике был виртуальный Док Дрейпер, который мог бы проводить ту же самую отладку, что и мы с Земли во время миссий «Аполлон», — говорит Линарес. — Таким образом, спутники мгновенно стали бы более надежными. И это не исключает участия человека. Это позволяет усилить роль человека. Я думаю, это вполне достижимо».

Источник: news.mit.edu