Cosmic ResearchCosmic ResearchКосмические исследования0023-42063034-5502The Russian Academy of Sciences67240810.31857/S0023420624030069JJVLMJArticlesСтатьиResearch ArticleУправление процессом сближения тросовой системы с пассивным космическим объектом на околокруговой орбитеУправление процессом сближения тросовой системы с пассивным космическим объектом на околокруговой орбитеЗаболотновЮ. М.
Russian Federation
yumz@yandex.ruВанЧанцин
China
yumz@yandex.ruМиньЧжэн
Russian Federation
yumz@yandex.ruСамарский национальный исследовательский университет имени академика С. П. КоролеваСеверо-Западный политехнический университет2911202462328529427022025Copyright ©; 2024, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2024, Российская академия наук2024Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://journals.eco-vector.com/0023-4206/article/view/672408

В работе рассмотрено управление процессом сближения тросовой системы с пассивным космическим объектом (грузом, космическим мусором и т. д.) на почти круговой околоземной орбите. Предполагается, что активный космический аппарат, имеющий в составе тросовую систему с устройством захвата (не развернутую), находится на близкой (по отношению к орбите груза) орбите, которая была сформирована с помощью некоторого известного алгоритма дальнего наведения. Управление процессом сближения начинается в переводе космического аппарата на промежуточную орбиту, точнее в сближении с некоторой фиктивной точкой, перемещающейся по этой орбите. Положение фиктивной точки выбирается так, чтобы после развертывания тросовой системы устройство захвата оказалось в окрестности груза сразу или после некоторого небольшого участка пассивного движения по орбите. Управление процессом сближения космического аппарата с фиктивной точкой в пространственном случае строится с использованием принципа динамического программирования Беллмана с применением линеаризованной системы. Используется непрерывное управление с помощью реактивных двигателей с конечной тягой. Компоненты реактивных сил, для которых строится управление, направлены по трансверсали и бинормали в орбитальной системе координат. Предполагается, что неизбежно возникающие ошибки наведения могут быть скорректированы с помощью изменения длины троса или каким-либо другим способом. Приводится численный пример моделирования рассматриваемых процессов по нелинейным уравнениям движения, иллюстрирующий предлагаемую схему управления.

В работе рассмотрено управление процессом сближения тросовой системы с пассивным космическим объектом (грузом, космическим мусором и т. д.) на почти круговой околоземной орбите. Предполагается, что активный космический аппарат, имеющий в составе тросовую систему с устройством захвата (не развернутую), находится на близкой (по отношению к орбите груза) орбите, которая была сформирована с помощью некоторого известного алгоритма дальнего наведения. Управление процессом сближения начинается в переводе космического аппарата на промежуточную орбиту, точнее в сближении с некоторой фиктивной точкой, перемещающейся по этой орбите. Положение фиктивной точки выбирается так, чтобы после развертывания тросовой системы устройство захвата оказалось в окрестности груза сразу или после некоторого небольшого участка пассивного движения по орбите. Управление процессом сближения космического аппарата с фиктивной точкой в пространственном случае строится с использованием принципа динамического программирования Беллмана с применением линеаризованной системы. Используется непрерывное управление с помощью реактивных двигателей с конечной тягой. Компоненты реактивных сил, для которых строится управление, направлены по трансверсали и бинормали в орбитальной системе координат. Предполагается, что неизбежно возникающие ошибки наведения могут быть скорректированы с помощью изменения длины троса или каким-либо другим способом. Приводится численный пример моделирования рассматриваемых процессов по нелинейным уравнениям движения, иллюстрирующий предлагаемую схему управления.

Фонд фундаментальных исследований для центральных университетовFundamental Research Fund for the Central UniversitiesD5000220031Ключевая научно-исследовательская программа провинции ШэньсиKey Research and Development Program of Shaanxi2023-GHZD-32Williams P., Blanksby C., Trivailo P., Fujii H. A. In-plane payload capture using tethers // Acta Astronautica. 2005. V. 57(10). P. 772–787.Trushlyakov V., Yudintsev V. Dynamics of rotating tethered system for active debris removal // Acta Astronautica. 2022. V. 195. P. 405–415. DOI: 10.1016/j.actaastro.2022.03.023.Zhu W., Pang Z., Si J., Gao G. Dynamics and configuration control of the Tethered Space Net Robot under a collision with high-speed debris // Advances in Space Research. 2022. V. 70. Iss. 5. P. 1351–1361. DOI: 10.1016/j.asr.2022.06.019.Wang B., Meng Z., Huang P. Attitude control of towed space debris using only tether // Acta Astronautica. 2017. V. 138. P. 152–167. DOI: 10.1016/j.actaastro.2017.05.012.Aslanov V.S., Ledkov A. S. Survey of Tether System Technology for Space Debris Removal Missions // J. Spacecraft and Rockets. 2023. V. 60. Iss. 5. P. 1355–1371. https://doi.org/10.2514/1.A35646.Lu H., Li Ai., Wang Ch., Zabolotnov Yu. Impact Stabilization of Spinning Tether Systems after Nonideal Rendezvous // J. Spacecraft and Rockets. 2022. V. 60. Iss. 1. P. 59–67. https://doi.org/10.2514/1.A35293.Aslanov V. S., Pikalov R. S., Gunchin E. R. Control of the Rendezvous of Two Spacecraft Using a Tether System // Russian Aeronautics. 2020. V. 63. Iss. 1. P. 171–175. DOI: 10.3103/S1068799820010249.Sean Cl., William J. Control of Space Debris Using an Elastic Tether and Wave-Based Control // J. Guidance, Control, and Dynamics. 2016. V. 39. Iss. 6. P. 1–15. DOI: 10.2514/1.G001624.Zhang Y., Huang P., Meng Zh., Liu Zh. Precise Angles-Only Navigation for Noncooperative Proximity Operation with Application to Tethered Space Robot // IEEE Trans. Control Systems Technology. 2018. V. 27. Iss. 3. P. 1139–1150. DOI: 10.1109/TCST.2018.2790400.Основы теории полета космических аппаратов / под ред. Нариманова Г. С. и Тихонравова М. К. М.: Машиностроение, 1972. 608 с.Балахонцев В.Г., Иванов В. А., Шабанов В. И. Сближение в космосе. М.: Воениздат, 1973. 240 с.Ермилов Ю.А., Иванова Е. Е., Пантюшин С. В. Управление сближением космических аппаратов. М.: Наука. 1977. 448 с.Миронов В.И., Миронов Ю. В., Фоминов И. В. Энергетически оптимальное управление сближением космических аппаратов в нецентральном гравитационном поле Земли на этапе дальнего наведения // Тр. СПИИРАН. 2019. Т. 18. № 1. С. 202–229. https://doi.org/10.15622/sp.18.1.202-229.Авксентьев А. А. Оптимальное управление угловым движением космического аппарата при оперативном сближении с орбитальным объектом // Изв. вузов. Приборостроение. 2016. Т. 59. № 2. С. 128–133.Заболотнов Ю. М. Управление развертыванием орбитальной тросовой системы, состоящей из двух малых космических аппаратов // Косм. исслед. 2017. Т. 55. Вып. 3. С. 236–246. https://doi.org/10.7868/S002342061702008X.Trushlyakov V., Yudintsev V. Systems engineering design and optimization of an active debris removal mission of a spent rocket body using piggyback autonomous module // Advances in the Astronautical Sciences. 2017. V. 161. P. 667–681.Williams P., Blanksby C., Trivailo P., Fujii H. A. In-Plane Payload Capture Using Tethers // Acta Astronautica. 2005. V. 57. Iss. 10. P. 772–787.Kruijff M. Tethers in Space: A propellantless propulsion in-orbit demonstration. Netherlands: Delta-Utec Space Research, 2011. 423 с.Сихарулидзе Ю. Г. Баллистика и наведение летательных аппаратов. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2011. 407 с.Беллман Р. Динамическое программирование. М.: Изд-во иностр. лит., 1960. 400 с.Летов А. М. Динамика полета и управление. М.: Наука, 1969. 360 с.Калман Р., Фалб П., Арбиб М. Очерки по математической теории систем. М.: Едиториал УРСС, 2004. 400 с.Дмитриевский А.А., Иванов Н. М., Лысенко Л. Н., Богодистов С. С. Баллистика и навигация ракет. М.: Машиностроение, 1985. 310 с.