Ces dernières années, l'humanité a visité plusieurs astéroïdes presque terres (NEAS), dont Ryugu (Hayabusa2) et Didymos (DART). Cependant, nous aurons besoin de missions plus fréquentes pour commencer à collecter des informations plus utiles sur cette classe de plus de 37 000 roches spatiales. Les cubesats ont des composants standard et une taille relativement petite, ce qui en fait un candidat potentiellement bon pour un tel programme d'exploration.
Mais comment atteindreraient-ils ces emplacements d'astéroïdes compte tenu de leur charge utile relativement limitée et de leur capacité de propulsion? C'est l'objectif d'un nouvel article d'Alessandro Quarta de l'Université de Pise publié dans Télédétection. Il examine la planification potentielle de la trajectoire des cubesats compte tenu de l'une des nombreuses configurations de disques ioniques. Il montre combien de NEA sont accessibles en entrant simplement une orbite héliocentrique et en attendant l'arrivée de l'astéroïde dans le cadre de son orbite.
La plupart des NEA ont des orbites elliptiques, ce qui signifie qu'ils passeront par une orbite de référence deux fois pendant leur orbite et un point appelé point nodal. L'idée sous-jacente derrière le papier est d'essayer de positionner un cubeat au point nodal d'une NEA alors qu'elle traverse l'orbite du cubeat – effectuant un voleur sans avoir à utiliser les ressources de carburant pour rattraper l'astéroïde lui-même.
Pour atteindre ces points nodaux, le Cubeat s'appuie sur une merveille de la technologie moderne – le moteur ionique. Plus précisément, l'article analyse les caractéristiques de poussée du propulseur RF Bit-3 de Busek, une entreprise basée dans le Massachusetts. Il s'agissait à l'origine du premier propulseur d'ions griddé à l'iode au monde, publié en 2016. Plus important encore, ses propriétés sont bien connues et ont été décrites dans les articles précédents, ce qui facilite l'utilisation comme modèle de base.
Une variable analysée dans l'article est le nombre de propulseurs RF Bit-3 utilisés dans le système. L'analyse a révélé que même si trois moteurs pouvaient obtenir plus rapidement le Cubesat au point de rendez-vous, il l'a fait avec un compromis pour nécessiter plus de masse, à la fois sous la forme du propulseur et des moteurs eux-mêmes. En fin de compte, ce compromis a diminué davantage de l'ajout d'un troisième moteur que de l'ajout d'une seconde, comme on pourrait s'y attendre.
La masse est toujours une considération significative sur les opérations de vol spatial, et le Dr Quarta n'a pas négligé les autres parties du vaisseau spatial que les ingénieurs de propulsion préfèrent généralement ignorer. Il a attribué 4 kg à la charge utile scientifique utilisée pour détecter l'astéroïde, et environ 40% de la masse du cubeat à d'autres systèmes, y compris la production d'électricité fournie par un réseau solaire Hawk de MMA.
Cependant, la partie passionnante de l'article est l'optimisation de la trajectoire. Contrôle les problèmes, comme déterminer quelle trajectoire porter à un point donné dans l'espace, peut avoir plusieurs réponses en fonction des résultats et contraintes souhaités. L'ajustement du poids de l'importance de différents facteurs est la clé de tout problème de contrôle.
Le Dr Quarta utilise une technique appelée principe maximum de Pontryagin pour aider à déterminer les solutions au problème de contrôle qu'il a défini, qui se concentre sur la détermination de la « loi d'orientation optimale » – en raison, où pointer les propulseurs et la difficulté de les licencier. Pour résoudre numériquement le problème, il utilise une autre technique mathématique connue sous le nom de solveur Adams-Bashforth-Moulton, qui fournit des nombres réels aux solutions des problèmes qu'il a définis.
Avec ces nombres, le Dr Quarta a résolu 180 problèmes de vecteurs de poussée de contrôle optimaux différents en utilisant des propulseurs 1, 2 ou 3 ion, pour des orbites héliocentriques entre 0,85 Au et 1,15 Au. Sur les 37 000 NEA connus, 18 644 ont été identifiés comme traversant quelque part dans ces orbites. Dans ces contraintes, 1 870 avaient à la fois des points « ascendants » et « descendants ».
Le Dr Quarta a décidé d'analyser, en particulier, 1685 Toro, par lequel il a analysé une mission en utilisant trois propulseurs d'ions qui prendraient environ 150 jours, ou cinq mois, pour atteindre un point où un cubeat pourrait en rendre avec lui, tout en n'utilisant qu'environ 8% de la masse du cubesat en carburant.
L'analyse de la trajectoire est souvent le héros méconnu des missions spatiales, car ce n'est pas aussi flashy que de libérer un impacteur rapide qui fracasse un astéroïde ou ramassant un échantillon de la surface de cet astéroïde. Si tout se passe bien, un observateur occasionnel ne remarquerait jamais la trajectoire d'une mission. Cependant, il est essentiel à son succès, et des analyses comme celle-ci sont une façon dont le monde de l'exploration spatiale fait un pas en avant.
Bien qu'il n'y ait actuellement aucune mission prévue qui pourrait profiter de ces plans de trajectoire, il y aura sans aucun doute un jour, et notre connaissance des astéroïdes, et donc du système solaire précoce, sera mieux pour cela.
