Математическое моделирование движения спутника-инспектора в окрестности космического аппарата

Capa
  • Autores: 1, 1
  • Afiliações:
    1. Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева
  • Edição: Volume 1 (2022)
  • Páginas: 362-362
  • Seção: Теоретическая и прикладная механика
  • URL: https://journals.eco-vector.com/osnk-sr/article/view/107689
  • ID: 107689

Citar

Texto integral

Resumo

Обоснование. С постепенным освоением космоса, на орбите Земли появляется все больше спутников, космических аппаратов, исследовательских станций и т.д. Во время эксплуатации они подвержены разрушительному воздействию космического пространства, а значит могут выйти из строя и нуждаться в ремонте. Решить эту задачу может спутник-инспектор: малый космический аппарат, который может свободно перемещаться по орбите, проводя с минимально возможного расстояния внешний осмотр и бесконтактную диагностику объектов. Такой аппарат может подлететь к космическому объекту на расстояние, достаточное для сбора данных, необходимых для ремонта, исследований, сбора информации, проверки состояния объекта и т.д. В данной работе рассмотрен важнейший этап функционирования спутника-инспектора, а именно сближение с другим космическим аппаратом (КА).

Цель — вывести уравнения движения спутника-инспектора, определить управляющие импульсы, необходимые для маневра сближения, визуализировать полученные результаты.

Методы. Формулировка задачи имеет следующий вид: пусть КА находится на орбите радиуса R0, расстояние между инспектором и КА намного меньше радиуса орбиты КА ρR0. Будем рассматривать движение инспектора в подвижной системе координат, связанной с центрами масс Земли и КА. За начало отсчета берется КА, с которым будет сближаться инспектор. Выберем следующие направления осей системы координат: Ox0 проходит через центры масс Земли и КА, Oy0 направлена вдоль вектора скорости станции, Oz0 перпендикулярна плоскости орбиты.

С помощью основных теорем механики были выведены уравнения Клохесси – Уилтшира, описывающие движение спутника-инспектора в подвижной системе координат, связанной с центрами масс Земли и исследуемого КА [1]. Используя данные уравнения, удалось описать пассивное движение спутника-инспектора.

Главная часть работы — маневр сближения, который осуществляется с помощью двух импульсов: первый сокращает расстояние между КА и инспектором до заданных значений (импульс наведения), а второй уменьшает набранную скорость и завершает маневр (импульс торможения).

Используя математические преобразования, из уравнений пассивного движения спутника-инспектора были получены выражения для определения импульсов наведения и торможения в зависимости от начальных условий и значений параметров движения в конце соответствующего этапа движения.

Для визуального анализа построены графики зависимости параметров движения (координат и компонент вектора скорости) от времени, которые подтверждают выполнение поставленной задачи (наведение, торможение, совместное пассивное движение).

Результаты. Была разработана модель движения спутника-инспектора в окрестности КА на орбите Земли. Проведены расчеты для частного случая такого движения спутника-инспектора, а затем и для маневра сближения с КА и дальнейшего пассивного движения. Осуществлена визуализация параметров движения.

Выводы. В данной работе построена математическая модель движения спутника-инспектора, который безаварийно сближается с КА и сопровождает его в течение некоторого времени. Сближение осуществляется путем двухимпульсного маневра. Полученные результаты можно применять при проектировании систем управления движением КА, в задачи которых входят операции по сближению и сопровождению.

Texto integral

Обоснование. С постепенным освоением космоса, на орбите Земли появляется все больше спутников, космических аппаратов, исследовательских станций и т.д. Во время эксплуатации они подвержены разрушительному воздействию космического пространства, а значит могут выйти из строя и нуждаться в ремонте. Решить эту задачу может спутник-инспектор: малый космический аппарат, который может свободно перемещаться по орбите, проводя с минимально возможного расстояния внешний осмотр и бесконтактную диагностику объектов. Такой аппарат может подлететь к космическому объекту на расстояние, достаточное для сбора данных, необходимых для ремонта, исследований, сбора информации, проверки состояния объекта и т.д. В данной работе рассмотрен важнейший этап функционирования спутника-инспектора, а именно сближение с другим космическим аппаратом (КА).

Цель — вывести уравнения движения спутника-инспектора, определить управляющие импульсы, необходимые для маневра сближения, визуализировать полученные результаты.

Методы. Формулировка задачи имеет следующий вид: пусть КА находится на орбите радиуса R0, расстояние между инспектором и КА намного меньше радиуса орбиты КА ρR0. Будем рассматривать движение инспектора в подвижной системе координат, связанной с центрами масс Земли и КА. За начало отсчета берется КА, с которым будет сближаться инспектор. Выберем следующие направления осей системы координат: Ox0 проходит через центры масс Земли и КА, Oy0 направлена вдоль вектора скорости станции, Oz0 перпендикулярна плоскости орбиты.

С помощью основных теорем механики были выведены уравнения Клохесси – Уилтшира, описывающие движение спутника-инспектора в подвижной системе координат, связанной с центрами масс Земли и исследуемого КА [1]. Используя данные уравнения, удалось описать пассивное движение спутника-инспектора.

Главная часть работы — маневр сближения, который осуществляется с помощью двух импульсов: первый сокращает расстояние между КА и инспектором до заданных значений (импульс наведения), а второй уменьшает набранную скорость и завершает маневр (импульс торможения).

Используя математические преобразования, из уравнений пассивного движения спутника-инспектора были получены выражения для определения импульсов наведения и торможения в зависимости от начальных условий и значений параметров движения в конце соответствующего этапа движения.

Для визуального анализа построены графики зависимости параметров движения (координат и компонент вектора скорости) от времени, которые подтверждают выполнение поставленной задачи (наведение, торможение, совместное пассивное движение).

Результаты. Была разработана модель движения спутника-инспектора в окрестности КА на орбите Земли. Проведены расчеты для частного случая такого движения спутника-инспектора, а затем и для маневра сближения с КА и дальнейшего пассивного движения. Осуществлена визуализация параметров движения.

Выводы. В данной работе построена математическая модель движения спутника-инспектора, который безаварийно сближается с КА и сопровождает его в течение некоторого времени. Сближение осуществляется путем двухимпульсного маневра. Полученные результаты можно применять при проектировании систем управления движением КА, в задачи которых входят операции по сближению и сопровождению.

×

Sobre autores

Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева

Email: vijusvet06@gmail.com

студентка, группа 1305-010303D, институт авиационной и ракетно-космической техники

Rússia, Самара

Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева

Autor responsável pela correspondência
Email: alexeeff05@mail.ru

научный руководитель, кандидат технических наук, доцент; доцент кафедры теоретической механики

Rússia, Самара

Bibliografia

  1. Alfriend K.T., Vadali S.R., Gurfil P., et al. Space Formation Flying. Elsevier Astrodynamics Series. 2010. P. 90–94.

Arquivos suplementares

Arquivos suplementares
Ação
1. JATS XML

Declaração de direitos autorais © Игнатова А.А., Алексеев А.В., 2022

Creative Commons License
Este artigo é disponível sob a Licença Creative Commons Atribuição 4.0 Internacional.

Este site utiliza cookies

Ao continuar usando nosso site, você concorda com o procedimento de cookies que mantêm o site funcionando normalmente.

Informação sobre cookies