Ich frage mich nur, ob es eine Expedition gibt, bei der einige Astronauten zum Mond geschickt werden, wie wählen sie die Flugbahn für das Spaceshuttle (oder so weiter)? Ich meine, es gibt viele mögliche Flugbahnen, abhängig von der Anfangsgeschwindigkeit, mit der das Schiff gestartet wird. Es muss eine Art optimale Flugbahn geben, die sie wählen, richtig? Welche Faktoren berücksichtigen sie bei der Wahl der Flugbahn? Dinge wie Kosten, Stabilität und so weiter? Was bedeutet Stabilität in diesem Zusammenhang?
Ich habe einen Kurs namens "Optimal Control" besucht, der Ihre Frage ziemlich genau beantwortet. Für eine Weltraummission ist es wahrscheinlich, dass Sie dafür ein ziemlich spezifisches Softwarepaket verwenden würden, aber es läuft auf ein Optimierungsproblem hinaus.
Allerdings wird die Optimierung mit ziemlicher Sicherheit empirisch sein. Zunächst benötigen Sie eine genaue "Karte" des Sonnensystems, die die Bewegung astronomischer Körper enthält. Dann benötigen Sie unter Verwendung dieser zeitabhängigen Karte einen Code, der eine Flugbahn basierend auf einer Eingabe des Schubs des Fahrzeugs berechnen kann. Dies geschieht durch eine Art numerische Integration, und einige Methoden sind besser als andere, während einige Methoden länger dauern als andere. Dann müssen Sie eine oder mehrere objektive Figure-of-Merit (FOM)-Funktion(en) festlegen. Der Kern eines Optimierungsproblems besteht darin, dass Sie jede FOM minimieren möchten, die Sie haben. Dies erfolgt durch numerisches Finden eines Minimums der FOM durch Anpassen eines Eingangsvektors. Die Auswahl dieser Eingabe kann ebenfalls schwierig sein. Es gibt nicht nur einen Schubvektor zum Optimieren, da dieser zeitabhängig ist. und in mehrere Intervalle aufteilen . Dann kannst du minimieren auf allen unabhängigen Variablen im zeitabhängigen Schubvektor. Es ist auch üblich, dies mehrmals zu tun, beginnend mit einem kleinen und dann die Anzahl der Zeitschritte zu erhöhen, um es weiter zu verfeinern.
Ein logisches wäre, die Kosten zu minimieren, die mit ziemlicher Sicherheit mit der Menge an Treibstoff zusammenhängen, die verwendet wird, um eine bestimmte Nutzlast innerhalb eines bestimmten Zeitrahmens an einen bestimmten Ort zu bringen. Alternativ kann die Zeit eine Floating-Variable sein, die Sie ebenfalls minimieren möchten. Ein großer Teil der Herausforderung und Raffinesse ergibt sich aus der Tatsache, dass hat viele, viele einzigartige lokale Minima und numerische Techniken können nur lokale Minima finden, kein globales Minimum. Das bedeutet, dass zum Beispiel bei einer Reise zum Mond jede gegebene Anzahl von Gravitationsunterstützungen wahrscheinlich zu einem eindeutigen lokalen Minimum führt und um die anderen zu finden, muss man mit anderen Anfangsbedingungen beginnen. Ein guter Astrophysiker sollte in der Lage sein, die potenziell guten Pfade vorherzusagen und dem Programm Anfangsbedingungen zu geben, die zu diesen unterschiedlichen lokalen Minima führen. Dann würde der Prozess darin bestehen, die verschiedenen Mindestwerte zu vergleichen und dasjenige auszuwählen, das am besten zu den Missionszielen passt.
Wenn Sie die Mission tatsächlich ausführen, gibt es die Tatsache, dass Ihre Systeme keine perfekte Genauigkeit haben. Während Sie möglicherweise eine Flugbahn ausgearbeitet haben, wird es Abweichungen von dieser Flugbahn geben, und eine der Aufgaben eines Missionskontrollzentrums während des Fluges des Raumfahrzeugs besteht darin, die Flugbahn zu analysieren und geeignete Korrekturen einzuprogrammieren. Das Mars Science Laboratory zum Beispiel befindet sich jetzt in diesem Teil seiner Mission. Es hat eine Handvoll zuvor geplanter Korrekturen, die routinemäßig durchgeführt werden.
Richard Terett