Положение относительного равновесия космического аппарата при бесконтактном способе увода космического мусора

Язык труда и переводы:
УДК:
531.13
Дата публикации:
04 января 2022, 18:50
Категория:
Секция 05. Прикладная небесная механика и управление движением
Авторы
Рязанов Владимир Владимирович
Самарский университет
Аннотация:
Рассмотрена проблема буксировки объекта космического мусора с геостационарной орбиты до орбиты захоронения бесконтактным способом с помощью ионного потока, создаваемым двигателем активного космического аппарата. Для плоского движения с помощью модифицированной задачи Хилла определены точки относительного равновесия активного космического аппарата относительно объекта космического мусора. Показано, что существует единственная точка относительного равновесия, пригодная для буксировки объекта увода на орбиту захоронения. Данная точка является неустойчивой, поэтому для стабилизации относительного движения необходима коррекция положения активного космического аппарата. Определено необходимое количество топлива, необходимое для буксировки при одновременной работе ионных двигателей активного космического аппарата. Сделаны выводы, что полученные результаты могут быть использованы при отработке технологии буксировки космического мусора бесконтактным способом с помощью ионного потока.
Ключевые слова:
космический мусор, бесконтактный способ, ионный поток, устойчивость
Основной текст труда

Космический мусор представляет собой серьезную угрозу при использовании околоземного космического пространства, негативно влияет на качество функционирования космических аппаратов на орбите, создает угрозу безопасности пилотируемых миссий, создает помехи астрономическим наблюдениям. В настоящее время предложены различные способы очистки околоземного космического пространства от объектов космического мусора, которые можно разбить на два способа- контактный и бесконтактный [1, 2]. При контактном способе происходит создание механической связи с последующей фиксацией между активным космическим аппаратом (АКА) и объектом увода. При бесконтактном способе активный КА находится на некотором удалении от космического мусора.

В работе рассматривается бесконтактный способ увода космического мусора с помощью активного КА, оборудованным ионными двигателями. С помощью обдувающего ионного двигателя происходит взаимодействие испускаемых ионов с объектом космического мусора. С помощью маршевого двигателя, установленного на противоположной стороне активного космического аппарата, происходит управление системой «АКА — космический мусор». Активный КА буксирует объект увода с геостационарной орбиты до орбиты захоронения, после чего переходит к следующему объекту.

В зависимости от расстояния между активным КА и объектом увода возможно частичное или полное покрытие ионным потоком объекта космического мусора. В работе рассматривается вариант полного нахождения удаляемого объекта внутри ионного потока, так как в этом случае задача буксировки легче реализуема в части отслеживания попадания ионного потока на объект космического мусора, определения передаваемой силы от ионного потока обдувающего двигателя, например, с помощью аэродинамических характеристик объекта увода [3].

Целью данной работы является определение точки относительного равновесия активного КА относительно объекта увода и оценка ее устойчивости на этапе буксировки. Такие точки относительного равновесия можно использовать для решения задач буксировки объектов космического мусора с помощью ионного потока, если они расположены на приемлемом удалении от космического мусора (между активным космическим аппаратом и объектом увода). В самом деле, находясь в точке относительного равновесия АКА неподвижен в орбитальной системе координат космического мусора, активный КА вместе с объектом увода будет раскручиваться по спирали с начальной геостационарной орбиты на более высокую орбиту захоронения. Если точка относительного равновесия, расположенная в нужном месте, устойчива, то возможно построение простого алгоритма поддержания системы «активный КА — космический мусор», заключающий в постоянной работе обдувающего и маршевого двигателей. Если нужная точка относительного равновесия неустойчива, то требуется периодическая коррекция относительного положения активного КА.

При проведении исследования были приняты следующие предположения. Рассматривалось плоское движение системы. Космический мусор представляет собой сферу. Угол полураствора ионного потока, величины тяги обдувающего и маршевого двигателей не меняются на всем этапе буксировки. Изменение массы активного космического аппарата и космического мусора мало, и этой величиной можно пренебречь. Рассматривается движение системы в центральном гравитационном поле, внешние возмущающие ускорения не учитываются. Расстояние между активным КА и объектом увода мало по сравнению со средним радиусом их орбиты. Предполагается, что на борту космического аппарата имеется информация только об относительной дальности до объекта увода.

Получены уравнения движения космического мусора и активного КА относительно заданной точки опорной орбиты. Получена система дифференциальных уравнений, представляющая собой модифицированные уравнения задачи Хилла, в которой сила притяжения между активным космическим аппаратом и объектом космического мусора заменена на равную по величине, но обратную по направлению силу (силу отталкивания). Показано, что в зависимости от значений радиального ускорения существует до 6 точек относительного равновесия, но лишь одна из них пригодна для стабилизации движения. Данная точка неустойчива, поэтому для стабилизации относительного движения активного космического аппарата относительно объекта увода необходима периодическая коррекция относительного положения космического аппарата. Определено необходимое количество топлива, затрачиваемой активным космическим аппаратом при одновременной работе обдувающего и маршевого двигателей [4, 5]. Результаты работы могут быть использованы при отработке технологии буксировки космического мусора с помощью ионного потока.

Грант
Работа поддержана грантом Российского Научного Фонда (Проект №19-19-00085).
Литература
  1. Shan M., Guo J., Gill E. Review and comparison of active space debris capturing and removal methods // Progress in Aerospace Sciences. 2015. Vol. 80. Pp. 18–32. DOI: https://doi.org/10.1016/j.paerosci.2015.11.001
  2. Пикалов Р.С., Юдинцев В.В. Обзор и выбор средств увода крупногабаритного космического мусора // Труды МАИ. 2018. № 100. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=93299 (дата обращения 01.09.2021).
  3. Рязанов В.В., Ледков А.С. Увод наноспутника с низкой орбиты с помощью ионного потока // Известия Саратовского университета. Серия: Математика. Механика. Информатика. 2019. Т. 19. № 1. С. 82–93. DOI: https://doi.org/10.18500/1816-9791-2019-19-1-82-93
  4. Kluever C.A. Space Flight Dynamics. Hoboken: John Wiley and Sons Ltd., 2018. 584 p.
  5. Петухов В.Г., Рязанов В.В. Искусственные точки либрации в задаче буксировки космического мусора ионным потоком // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Математика. Механика. Информатика. 2021. Т. 21. № 2. С. 202–212. DOI: https://doi.org/10.18500/1816-9791-2021-21-2-202-212
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.