Исследование сложных задач динамики околоземных объектов методами компьютерного моделирования и машинного анализа данных

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 19-72-10022

НазваниеИсследование сложных задач динамики околоземных объектов методами компьютерного моделирования и машинного анализа данных

Руководитель Александрова Анна Геннадьевна, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" , Томская обл

Конкурс №41 - Конкурс 2019 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-701 - Небесная механика

Ключевые слова околоземное космическое пространство; космический мусор; отработавшие космические аппараты; окололунные спутники; астероиды, сближающиеся с Землей; динамика околоземных объектов; орбитальные резонансы; вековые резонансы; многопроцессорная вычислительная система; машинное обучение; нейронные сети

Код ГРНТИ41.03.02, 41.03.15, 41.51.41

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Целью проекта является исследование методами компьютерного моделирования и машинного анализа данных динамических структур околоземного орбитального пространства, включая всю внеатмосферную часть этого пространства до орбиты Луны, окололунные объекты и группу астероидов, сближающихся с Землей и имеющих малые перигелийные расстояния. Идея исследования динамических структур заданных систем объектов c использованием численного моделирования приобретает все большую популярность (Morbidelli, 2004), особенно в связи с изучением динамики больших совокупностей околоземных объектов, появившихся в результате деятельности человека в космосе. По околоземному пространству до Луны планируется: изучить динамические особенности зон, расположенных между областями орбитальных резонансов низких порядков, так как динамические структуры этих зон уже рассмотрены авторами проекта; изучить динамическую структуру зоны, расположенной между геостационарной орбитой и орбитой Луны; обобщить все имеющиеся и полученные в рамках данного проекта результаты для построения общей динамической структуры околоземного орбитального пространства. Знание этой структуры будет полезно как при разработке новых спутниковых систем, так и для поиска зон паркинга отработавших объектов уже существующих систем. Планируется создание высокоточной численной модели движения окололунных спутников, и проведение с его помощью анализа влияния особенностей селенопотенциала на долговременную орбитальную эволюцию окололунных объектов, а также исследование резонансной структуры окололунного орбитального пространства при помощи нейронных сетей. Актуальность данной задачи обусловлена тем, что намеченное на ближайшие десятилетия рядом стран (Россия, США, КНР, Евросоюз) освоение Луны потребует создания долговременных спутниковых систем связи и навигации. Для оптимального размещения таких систем в окололунном пространстве необходимо знание динамической структуры этого пространства. В связи с этим в последнее время появился ряд работ (Song et al., 2010; Gupta and Sharma, 2011; Ramanan and Adimurthy,2005; Hai-Hang Wang, Lin Liu, 2005; Zeile et al., 2010; Tzirti et al., 2014), в которых авторы изучают орбитальную эволюцию окололунных спутников. При этом исследуется в основном динамика низколетящих объектов под действием гравитационного поля Луны, либо поля и притяжения Земли и Солнца, рассматриваемых как материальные точки. Высота полета во всех работах не превосходит 1000 км над поверхностью Луны. Однако общая структура влияния основных возмущений на динамику окололунных объектов все еще остается в значительной степени неизученной. Все указанные выше авторы фиксируют зависимость времени жизни спутника от высоты и наклона орбиты, но никто не пытается выяснить причину этого явления. В ходе выполнения данного проекта именно этим исследованиям будет уделено особое внимание. Планируется исследование динамической структуры различных зон околоземного и окололунного орбитального пространства с учетом влияния светового давления для различных значений парусности объектов. Данная задача весьма актуальна, поскольку для объектов с большими значениями парусности (отношением площади миделева сечения к массе объекта) световое давление является вторым по величине воздействия возмущающим фактором после гравитационного поля Земли (Кузнецов и др., 2014) и способно кардинально менять их эволюцию. В связи с обнаружением сотен объектов космического мусора с парусностью от 1 до 50 м2/кг (Früh, Schildkecht, 2012) на несколько порядков превышающей парусности космических аппаратов (КА), для которых характерны значения парусности до 0.1 м2/кг, в последнее время возрос интерес и к исследованию движения таких объектов. Исследования совместного влияния вековых резонансов и светового давления, начиная с первой работы Кукка (Cook, 1962) и кончая самой последней работой на эту тему (Alessi и др., 2018), сосредоточено вокруг векового резонанса со средним движением Солнца. Действие данного резонанса ограничивается узкой областью орбитального пространства в зоне LEO (Low Earth Orbits). В наших работах 2017 и 2018 годов было рассмотрено совместное влияние светового давления и ряда апсидально-нодальных резонансов на объекты из области пространства, ограниченной большими полуосями от 15000 до 45000 км. В рамках данного проекта планируется более комплексное рассмотрение данной задачи с охватом высоких орбит, включая окололунные. В данной работе планируется также исследовать динамику реальных и модельных астероидов с малым перигелийным расстоянием с учетом влиянием ряда гравитационных и негравитационных сил, в частности, таких как световое давление и эффект Ярковского. Актуальность данного исследования обусловлена проблемой астероидной опасности – рассматриваемые объекты могут приближаться к Земле со стороны Солнца незаметно для земного наблюдателя. Поэтому необходимо осуществлять долгосрочный прогноз движения, точность которого должна быть увеличена за счет учета слабых возмущающих факторов. В настоящее время большое внимание уделяется изучению динамики одного из таких объектов – астероида 3200 Phaethon (Hanus J. et al., 2018; Todorovic N., 2018; Hui M., Jewitt D., 2017), но ощущается недостаток подобных исследований для других потенциально опасных астероидов с меньшим перигелийным расстоянием. Световое давление и эффект Ярковского могут оказывать значительное влияние на движение астероидов при приближении к Солнцу (Farnocchia D. et al., 2018; Greenberg A.H. et al., 2017; Del Vigna A. et al., 2018). Однако в настоящее время параметры данных эффектов известны не более чем для 20% астероидов с малыми перигелийными расстояниями. В работе планируется получить оценки для всех объектов этого класса. Особое внимание предполагается уделить объектам, движущимся в окрестности орбитальных и вековых резонансов с Землей, поскольку, как известно, устойчивый резонанс может служить защитным механизмом от сближений, неустойчивый же в ряде случаев способствует хаотичности и неустойчивости движения. Влияние эффекта Ярковского в основном сказывается на изменении большой полуоси, что вкупе с тесными сближениями может приводить к входу или выходу из орбитального резонанса. В работе планируется оценить такую возможность на ряде реальных и модельных астероидов. Следует отметить, что для обоснованных выводов требуется рассмотреть большое число объектов с различными параметрами, что требует привлечения значительных вычислительных ресурсов и машинных методов обработки. Использование машинных методов анализа данных является новым в исследовании динамики астероидов. Отдельного внимания требует вопрос возможности определения физических параметров астероидов на основе их наблюдений. Для ответа на него планируется рассмотреть модельные наблюдения с заданной точностью, что позволит найти уровень их точности, необходимый для определения параметров негравитационных эффектов.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ