Оптимизация миссий увода объектов крупного космического мусора на орбиты захоронения и динамика захвата этих объектов многозвенным манипулятором

Язык труда и переводы:
УДК:
629.78
Дата публикации:
14 января 2022, 23:11
Категория:
Секция 05. Прикладная небесная механика и управление движением
Авторы
Баранов Андрей Анатольевич
Институт прикладной математики имени М.В. Келдыша РАН, РУДН
Аннотация:
Рассмотрены миссии увода крупных объектов космического мусора на орбиты захоронения. Исследуемые объекты расположены в двух сферических слоях: на низких орбитах с высотами 700–1000 км и в окрестности геостационарной орбиты. Предложены схемы облета, основанные на использовании естественных возмущений орбиты, что позволяет заметно уменьшить затраты на маневрирование при перелетах между объектами. Доказана предпочтительность конкретного варианта увода объектов (буксировка или отделяемые модули) из обеих высотных зон, определено рациональное количество отделяемых модулей на борту одного космического аппарата. Проведено численное моделирование углового движения системы «космический аппарат — объект космического мусора». Выполнен анализ динамики захвата при различных начальных угловых скоростях объектов космического мусора. Представлены результаты расчета переходных колебательных процессов.
Ключевые слова:
маневрирование, космический аппарат, крупный космический мусор, низкие околокруговые орбиты, геостационарная орбита, схемы облета, варианты увода на орбиты захоронения, манипулятор, динамика процесса захвата, колебательный процесс, двигательный модуль, компоновочная схема, математическое моделирование
Основной текст труда

Начиная с 2013 года, сотрудники ИПМ им. М.В. Келдыша РАН и МГТУ им. Н.Э. Баумана совместно работают [1] над проблемой увода крупных объектов космического мусора (ОКМ) с наиболее загрязненных околоземных орбит с использованием специального космического аппарата (КА). Под крупными ОКМ понимаются, прежде всего, последние ступени ракет-носителей и разгонные блоки. Проводимые исследования охватывают низкие орбиты (5 групп объектов) с высотами 700–1100 км и окрестность геостационарной орбиты.

Последние три года ознаменовались успехами коммерческих компаний SSTL, Northrop Grumman и Astroscale при проведении экспериментов в миссиях «RemoveDebris», «MEV-1», «MEV-2» и «Elsa-D». Положительно были оценены и результаты более ранних миссий, например, «Orbital Express Advanced Technology» (DARPA) 2007 года. Устойчивый интерес к сервисным операциям, показываемый как бизнесом, так и космическими агентствами (JAXA, NASA, ESA, CNES), в перспективе приведет к возникновению востребованного рынка услуг по очистке ценного орбитального ресурса от нефункционирующих крупных объектов [2].

В докладе сравнивается эффективность двух основных вариантов миссий, которые могут быть организованы для увода нескольких ОКМ на орбиты захоронения (ОЗ). Первый вариант предполагает наличие на борту КА-сборщика модулей, оснащенных двигателем (далее — двигательные модули, ДМ), которые могут быть закреплены на ОКМ и независимо от КА-сборщика обеспечивают увод объекта на ОЗ. При втором варианте КА-сборщик играет роль буксира, уводя объекты на ОЗ и возвращаясь обратно за следующим объектом. Эффективность обоих вариантов увода ОКМ можно полноценно сравнить, используя оценки сухой массы КА-сборщиков и имея рассчитанные параметры маневров, обеспечивающих облет группы ОКМ [3].

При перелетах между объектами в случае низких орбит было целенаправленно использовано свойство прецессии долготы восходящего узла орбиты в нормальном гравитационном поле [4]. Последовательность облета объектов определяется при помощи портрета эволюции отклонений долгот восходящих узлов. При выборе «последовательной» схемы облета активный КА переводится на специально рассчитываемую орбиту ожидания, скорость прецессии которой отличается от скорости прецессии орбиты цели. При выборе «диагональной» схемы облета роль орбиты ожидания выполняет орбита очередного уводимого объекта [5, 6]. При маневрировании между ОКМ в окрестности геостационарной орбиты последовательность облета объектов определялась исходя из долговременной эволюции наклонения под действием земных и лунно-солнечных возмущений. Были рассмотрены две близкие по смыслу схемы облета объектов в приэкваториальной области [7, 8].

Динамика захвата ОКМ во многом определяется компоновочной схемой аппарата [9]. Захват объекта за сопло маршевого жидкостного ракетного двигателя осуществляется телескопическим многозвенным манипулятором. Для исследования переходного процесса, возникающего после захвата ОКМ, был использован программный пакет моделирования MSC Adams. Проведенное численное моделирование показало возможность компенсации значительных рассогласований в начальных условиях стыковки и возможность уменьшения угловой скорости системы «КА — ОКМ» после стыковки с 12 до 0,3 град/с [10].

В проведенном комплексном исследовании доказана возможность запуска КА-сборщика при помощи существующих средств выведения. Анализ показывает, что очистку ГСО целесообразно выполнять в соответствии со вторым вариантом увода при помощи КА, играющего роль буксира. Очистку низких орбит выгоднее осуществлять в соответствии с первым вариантом увода посредством двухступенчатого космического комплекса, состоящего из активного КА с некоторым количеством ДМ на борту. Проведенные расчеты позволяют утверждать, что очистка низких орбит обходится существенно дороже, чем очистка ГСО, следовательно, контролю населенности низких орбит должно уделяться повышенное внимание.

 

Литература
  1. Баранов А.А., Гришко Д.А., Майорова В.И. Исследование затрат характеристической скорости, необходимой для обслуживания и восполнения спутниковых систем на круговых орбитах // Инженерный журнал: наука и инновации. 2013. № 3 (15). DOI: 10.18698/2308-6033-2013-3-642
  2. Zelentsov V., Shcheglov G., Mayorova V., Biushkina T. Spacecrafts Service Operations as a Solution for Space Debris Problem // International Journal of Mechanical Engineering and Technology. 2018. Vol. 9. Iss. 7. Pp. 1503–1518.
  3. Baranov A.A., Grishko D.A., Shcheglov G.A., Sholmin A.S., Stognii M.V., Kamenev N.D. Feasibility analysis of LEO and GEO large space debris de/re-orbiting taking into account launch mass of spacecraft-collector and its configuration layout // Advances in Space Research. 2021. Vol. 67. Pp. 371–383. DOI: 10.1016/j.asr.2020.09.005
  4. Баранов А.А., Гришко Д.А. Вопросы минимизации затрат суммарной характеристической скорости, необходимой для обслуживания и восполнения спутниковых систем на некомпланарных круговых орбитах // Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2013. № 9. C. 289–312. DOI: 10.7463/0913.0598333
  5. Гришко Д.А. Исследование схем облета объектов крупногабаритного космического мусора на низких орбитах: автореф. дисс. … канд. физ.-мат. наук. М., ИПМ им. М.В. Келдыша РАН, 2018. 24 с.
  6. Баранов А.А., Гришко Д.А. Способ определения последовательности перелетов между объектами космического мусора при значительном отличии в долготе восходящего узла их орбит. Патент № 2688120 Российская Федерация, 2019.
  7. Baranov A.A., Grishko D.A., Khukhrina О.I., Chen D. Optimal transfer schemes between space debris objects in geostationary orbit // Acta Astronautica. 2020. Vol. 169. Pp. 23–31. DOI: 10.1016/j.actaastro.2020.01.001
  8. Баранов А.А., Гришко Д.А. Способ определения последовательности перелетов между объектами космического мусора в окрестности геостационарной орбиты. Патент № 2759026 Российская Федерация, 2021.
  9. Щеглов Г.А., Стогний М.В. Космический комплекс для утилизации группы объектов крупногабаритного космического мусора. Патент № 2695155 Российская Федерация, 2019, бюл. № 21.
  10. Mayorova V.I., Shcheglov G.A., Stognii M.V. Analysis of the space debris objects nozzle capture dynamic processed by a telescopic robotic arm // Acta Astronautica. 2021. Vol. 187. Pp. 259–270. DOI: 10.1016/j.actaastro.2021.06.013
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.