Design of Low-Energy Trajectories for Multi-Purpose Missions to Near-Earth Asteroids Using Orbital Manifolds

Термином «орбитальное многообразие» называют набор орбит, выбранных для проектирования миссий определённого типа. В данном случае рассматривались миссии, задачей которых было изучение астероидов, сближающихся с Землёй. Ключевым моментом исследования было то, что все рассматриваемые небесные тела, а также сам космический аппарат являются спутниками Солнца, находящимися на орбитах, резонансных с орбитой Земли или Венеры.

Первый сценарий — проектирование траектории космического аппарата с гравитационными манёврами у Венеры для переходов между орбитами, движение по которым будет включать пролёт потенциально опасных астероидов. При использовании этого метода предварительно отбираются целевые астероиды с помощью геометрического сравнения параметров многообразия резонансных орбит аппарата и астероидов с последующей оптимизацией траектории. Результаты численного моделирования показали, что такой подход позволяет обеспечить исследование и самой планеты, и 7–8 астероидов при общей длительности миссии около 5 лет.

Во втором сценарии рассматривался космической аппарат, находящийся на гало-орбите в окрестности точки либрации L₂ системы «Солнце-Земля». Эта точка, находящаяся примерно в 1.5 млн км от Земли в сторону от Солнца, оказалась исключительно удобна как место для астрофизических наблюдений, «временная стоянка» для межпланетных станций и в том числе для проектирования миссий для исследования с пролётной траектории астероидов, сближающихся с Землёй.

Основой метода является использование неустойчивого многообразия орбит КА, позволяющее достичь астероида с малыми затратами характеристической скорости (< 40 м/с). Термин «неустойчивое многообразие» означает, что при движении по такой орбите КА уводится из окрестности точки либрации. Преимуществом этого метода является то, что после встречи с астероидом есть возможность вернуть КА в окрестность точки L₂.

В третьем сценарии, наиболее необычном, рассматривался перевод околоземных астероидов на гелиоцентрические орбиты, принадлежащие многообразию резонансных с орбитой Земли (т.е. имеющие период ~1 год). Показано, что использование орбиты, принадлежащей многообразию резонансных, позволяет перевести астероид на траекторию временного гравитационного захвата без высокоэнергетических тормозных манёвров. Данная стратегия открывает возможности как для исследований в целях планетарной защиты, так и для использования ресурсов астероидов.

Как показали результаты, такой подход позволяет создавать сложные многоцелевые миссии с минимальными затратами топлива. Это открывает новые возможности для планетарной обороны, исследования малых тел Солнечной системы и расширения возможностей управления космическими аппаратами.

Работа «Проектирование низкоэнергетических траекторий многоцелевых миссий к околоземным астероидам с использованием орбитальных многообразий» выполнена коллективом сотрудников отдела космической динамики и математической обработки информации ИКИ РАН под руководством ведущего научного сотрудника д.т.н. Эйсмонта Натана Андреевича и вошла в список наиболее значимых результатов, полученных ИКИ РАН в 2025 г. и представленных в Отделение физических наук Российской академии наук. Исследование выполнено в рамках темы государственного задания FFWG-2022-0005 УПРАВЛЕНИЕ рег. No122042500013-4, грант РНФ 25-79-00042. Направление ПФНИ: 2.3.1. Механика 2.3.1.1. Общая механика, навигационные системы, динамика космических тел, транспортных средств и управляемых аппаратов, механика живых систем.