Оптимизация проектных параметров перспективных многоразовых межорбитальных систем

Язык труда и переводы:
УДК:
629.78
Дата публикации:
21 января 2022, 00:28
Категория:
Секция 02. Летательные аппараты. Проектирование и конструкция
Авторы
Фадеенков Павел Васильевич
Самарский университет
Ишков Сергей Алексеевич
Самарский университет
Старинова Ольга Леонардовна
Самарский университет
Филиппов Григорий Александрович
Самарский университет
Аннотация:
Рассмотрена методика поиска оптимальных значений проектных параметров перспективных многоразовых межорбитальных систем, состоящих из разгонных блоков с жидкостными ракетными двигателями и электроракетными двигателями. Основным критерием оптимизации проектных параметров является относительная масса полезного груза. Проанализированы импульсные и многовитковые перелеты без пассивных участков с малой тягой. Проведена оптимизация проектных и баллистических параметров перелета с низкой околоземной орбиты с большим наклонением на геостационарную орбиту.
Ключевые слова:
околоземные орбиты, геостационарная орбита, разгонные блоки, полезная нагрузка, параметрические модели, оптимизация
Основной текст труда

Перспективные космические проекты сдерживаются высокой стоимостью вывода космических аппаратов на орбиту. В работах [1, 2] описывается ожидаемая тенденция увеличения годового трафика на высокую геоцентрическую орбиту и снижение стоимости утилизации. На втором этапе развития космических технологий стоимость запуска должна снизится до 2800 долл. за 1 кг. Основываясь на данных из работы [2], орбитальные бизнес-парки (производство материалов, биотехнология), низкоорбитальные группировки для глобального доступа в Интернет и мониторинг Земли, исследование и колонизация Луны и Марса, космические группировки спутников становятся прибыльными.

Для повышения общей эффективности миссий требуется многокритериальная оптимизация. Критериями являются удельная масса полезной нагрузки, продолжительность утилизации и эксплуатации, стоимость вывода полезной нагрузки на рабочую орбиту и вероятность успешного завершения миссии. В многочисленных работах по проектированию и оптимизации баллистических задач с использованием электродвигателей эти аспекты рассматривались отдельно и в различных комбинациях, но только несколько статей посвящены проблеме в целом.

В статье рассмотрена методика поиска оптимальных значений проектных параметров перспективных многоразовых межорбитальных систем. Транспортные операции по доставке полезного груза осуществляются при помощи космических аппаратов, использующих жидкостные ракетные (ЖРД) и электроракетные двигатели (ЭРД). Основным критерием оптимизации проектных параметров является относительная масса полезного груза. Параметрическая модель массы системы представляет собой сумму масс отдельных подсистем: энергосистемы, включая солнечную батарею; двигательной установки, включая блок накопления энергии, связанный с каждым разгонным блоком; массы топлива; баков, включая систему подачи и хранения топлива; конструкции.

Для расчета пространственных межорбитальных перелётов с традиционными двигательными установками, использована импульсная теория перелётов. Управляемое движение с малой тягой рассчитывалось с использованием приближенных аналитических зависимостей, не учитывающих наличие пассивных участков на траектории [3–6].

Рассматриваются одноразовые и многоразовые транспортные системы. Все виды операций включают в себя маневр утилизации использованного космического аппарата. Для всех рассмотренных постановок задачи получены аналитические выражения для оптимальных конструктивных параметров транспортного космического корабля в зависимости от ожидаемого грузопотока.

Проведена оптимизация проектных и баллистических параметров перелета с низкой околоземной орбиты с большим наклонением на геостационарную орбиту. Результаты расчетов позволяют сделать вывод, что для системы с последовательным применением ЖРД и ЭРД переходная орбита практически всегда эллиптическая, эксцентриситет которой тем больше, чем меньше заданная продолжительность перелёта. При заданном времени перелета менее 35 суток выгоднее использовать разгонные блоки только с ЖРД, от 35 до 105 суток — с последовательным применением ЖРД и ЭРД, более 105 суток — только с ЭРД.

Таким образом, статья охватывает многие практически важные задачи создания космической техники, которые могут быть использованы для научно-технического обоснования выполнения перспективных космических полётов.

Литература
  1. Tkatchova S. Space-based technologies and commercialized development: Economic implications and benefits. Pa.: Hershey, 2011. 265 p. DOI: 10.4018/978-1-60960-105-8
  2. Иваницкая В.В., Корепанова Е.Г. Частные космические организации и коммерциализация космических проектов // Актуальные проблемы авиации и космонавтики. 2015. Т. 2, № 11. С. 300–303.
  3. Petukhov V.G. A New Approach to Low-Thrust Perturbed Trajectory Optimization Based on the Use of Complex Dual Numbers // 71st international Astronautical Congress IAC-20-C1.4.12. 2020. Vol. 4. Pp. 1–8.
  4. Фадеенков П.В., Ишков С.А. Оптимальная программа управления малой непрерывной тягой при перелете между некомпланарными эллиптической и геостационарной орбитами // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П. Королёва (национального исследовательского университета). 2011. №1 (25). С. 31–37.
  5. Ахметшин Р.З. Влияние возмущений при многовитковых перелетах на геостационарную орбиту // Космические исследования. 2021. Т. 59, № 5. С. 377–384. DOI: 10.31857/S0023420621050010
  6. Белоусов С.В., Ивашкин В.В. Траектории перелета на геостационарную орбиту при использовании гравитационного поля Луны // Препринты ИПМ им. М.В. Келдыша. 2017. № 41. C. 1–36. DOI: 10.20948/prepr-2017-41
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.