Новые сверхкомпьютерные симуляции демонстрируют, что поддержание стабильных спутниковых орбит между Землей и Луной гораздо сложнее, чем считалось ранее. Из миллиона смоделированных космических аппаратов менее 10% оставались работоспособными в течение шестилетнего периода, что подчеркивает значительные препятствия для расширения орбитальной инфраструктуры за пределы низкой околоземной орбиты (НОО).
Вызов Спутниковой Системы Земля-Луна: За Пределами НОО
Рост мега-созвездий, таких как Starlink от SpaceX и Thousand Sails от Китая, резко увеличил количество спутников на НОО. Поскольку НОО приближается к насыщению – по оценкам, максимальная вместимость составляет около 100 000 спутников, прежде чем риски столкновений возрастут – внимание переключается на окололунное пространство – регион между Землей и Луной – как на следующий рубеж для развертывания спутников.
Однако окололунные орбиты по своей природе нестабильны. В отличие от НОО, где гравитационные силы относительно предсказуемы, космические аппараты в этом регионе подвергаются воздействию гравитации Земли, Луны и Солнца в сложных взаимодействиях. Отсутствие магнитной защиты Земли также подвергает спутники дестабилизирующему солнечному излучению.
Суперкомпьютерное Моделирование: Задача на 1,6 Миллиона Часов CPU
Для картирования стабильности окололунных орбит исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора (LLNL) использовали суперкомпьютеры Quartz и Ruby для моделирования траекторий примерно одного миллиона объектов. Симуляции, требующие 1,6 миллиона часов CPU (эквивалентно 182 годам на одном компьютере), были завершены всего за три дня.
Результаты поразительны: примерно 54% смоделированных орбит оставались стабильными как минимум в течение одного года, но только 9,7% пережили полный шестилетний период симуляции. Это подчеркивает, что долгосрочная стабильность в окололунном пространстве значительно ниже, чем предполагалось ранее.
Несовершенства Земли: Тонкий, Но Критически Важный Фактор
Одним из неожиданных выводов стало влияние неравномерного гравитационного поля Земли. Симуляции показали, что распределение массы Земли неоднородно; гравитация меняется незначительно из-за географических особенностей (например, более низкая гравитация над Канадой). Эта «неровность» тонко влияет на орбитальные траектории, добавляя еще один уровень сложности.
Последствия и Будущие Исследования
Несмотря на низкий процент выживаемости, симуляции все же выявляют около 97 000 потенциально стабильных орбит в окололунном пространстве. Что еще более важно, набор данных предоставляет бесценную информацию о том, почему определенные орбиты терпят неудачу, что позволяет инженерам совершенствовать будущие проекты. По словам ведущего исследователя Трэвиса Йегера: «Понимание того, какие орбиты не сработали, так же ценно, как и знание того, какие сработали».
Окололунное пространство станет критически важным регионом для будущей инфраструктуры, включая лунные колонии и расширенные коммуникационные сети. Понимание орбитальной нестабильности – это первый шаг к реализации этого расширения.
