О выборе рациональной конфигурации тросовой системы, предназначенной для стабилизации движения окололунной космической станции

Язык труда и переводы:
УДК:
531.395
Дата публикации:
07 января 2022, 22:04
Категория:
Секция 05. Прикладная небесная механика и управление движением
Авторы
Ледкова Татьяна Александровна
Самарский университет
Аннотация:
Рассмотрена стабилизация движения космической станции на окололунной орбите с помощью тросовой системы с учетом влияния гравитационного поля Земли. Проводится сравнение двух конфигураций космической тросовой системы. Первая конфигурация включала в свой состав станцию и малый космический аппарат. Во втором случае космическая система состояла из станции и двух малых космических аппаратов. Предполагается, что космическая тросовая система совершает развертывание по заданной программе в направлении местной вертикали. Станция рассматривается как твердое тело вращения, малые космические аппараты — материальные точки. Тросы представляют собой невесомые и нерастяжимые механические связи. С помощью законов Ньютона и теоремы об изменении кинетического момента разработана математическая модель, описывающая плоское движение космической системы. Сделан вывод, что симметричная конфигурация системы с двумя малыми космическими аппаратами имеет преимущество с точки зрения решения задачи гравитационной стабилизации движения окололунной станции (погрешность стабилизации станции относительно вертикали уменьшается).
Ключевые слова:
космическая тросовая система, космическая станция, микроспутник, окололунная орбита, развертывание тросовой системы, программа управления, гравитационная стабилизация, возмущенное движение
Основной текст труда

Исследование динамики космических тросовых систем является актуальным направлением исследований в современной космонавтике. Это связано с возможностью создания легких протяженных космических систем различных конфигураций, которые могут быть применены во многих задачах [1, 2].

В работе исследуется развертывание космической тросовой системы при ее движении по возмущенной окололунной орбите. В качестве возмущения рассматривается притяжение Земли, как материальной точки, и влияние старших членов разложения гравитационного потенциала Луны. Тросовая система предназначена для гравитационной стабилизации космической станции вдоль местной вертикали [3]. Применение принципа гравитационной стабилизации для окололунной станции обеспечит экономию энергии и топлива, что является важным для космических систем, которые удалены от Земли на значительные расстояния. Также малые космические аппараты могут быть использованы для зондирования поверхности Луны, инспекции состояния станции, доставки грузов на поверхность Луны. Во многих проектах освоения Луны и Марса предлагается использовать базовую окололунную станцию [4, 5]. Предполагается, что станция будет использоваться для доставки грузов на поверхность Луны. Возможно применение окололунной станции как промежуточной базы при полетах на Марс или за пределы Солнечной системы. В настоящее время разрабатываются варианты лунной космической станции, например, Lunar Orbital Platform-Gateway [6].

Целью работы является исследование и сравнение процесса стабилизации двух конфигураций космической тросовой системы относительно местной вертикали при ее развертывании и после завершения выпуска тросов.

В работе рассматриваются две конфигурации космической тросовой системы. В первом случае она состоит из космической станции и одного малого космического аппарата, соединенных между собой тросом. Вторая конфигурации содержит станцию и два малых космических аппаратов, которые соединены со станцией тросами. Станция рассматривается как твердое тело вращения, малые космические аппараты — как материальные точки. Трос представлен как невесомый нерастяжимый стержень, длина которого меняется со временем. Движение механической системы в первом случае описывается шестью обобщенными координатами: угол истинной аномалии Луны; угол истинной аномалии первого спутника; радиус-вектор первого спутника; угол отклонения троса, соединяющего первый спутник и станцию, от местной вертикали; угол отклонения оси симметрии станции от троса; длина троса, соединяющего первый спутник и станцию. Во втором случае добавляются две координаты, связанные со вторым спутником: угол отклонения троса, соединяющего станцию и второй спутник, от оси симметрии станции; длина троса, соединяющего станцию и второй спутник.

С помощью второго закона Ньютона и теоремы об изменении кинетического момента составлены уравнения движения космической тросовой системы. Методика определения сил и моментов, действующих на космическую систему, и закон управления развертыванием тросовой системы описаны в работе [7]. Разработанная математическая модель позволяет проанализировать колебания системы вблизи местной вертикали в процессе и после ее формирования для различных массово-геометрических характеристик, параметров окололунной орбиты и начальных условий движения.

Было проведено численное моделирование процесса развертывания космической тросовой системы, результаты которого показали, что при развертывании тросовой системы в радиальном направлении происходит одновременная стабилизация движения станции и тросов относительно местной вертикали, которая представляет собой линию, проходящую через центр масс Луны и центр масс космической станции.

Сравнивая результаты, полученные для двух конфигураций тросовой системы, можно сделать вывод, что при формировании космической тросовой системы, состоящей из станции и одного спутника, амплитуда и частота колебаний станции около положения местной вертикали увеличиваются. Максимальное значение силы натяжения троса в этом случае увеличивается в 5–6 раз. Поэтому для стабилизации движения окололунной космической станции более предпочтительной является симметричная конфигурация космической тросовой системы, включающая в себя два малых космических аппарата. Установлено, что после окончания выпуска тросов для случая симметричной тросовой системы колебания станции и тросов относительно вертикали остаются ограниченными в течение достаточно большого промежутка времени.

 

Грант
Исследование поддержано грантом РФФИ и Государственного фонда естественных наук Китая в рамках научного проекта № 21-51-53002.
Литература
  1. Белецкий В.В., Левин Е.М. Динамика космических тросовых систем. М.: Наука, 1990. 329 с.
  2. Williams P. A review of space tether technology // Recent Patents on Space Technology. 2012.Vol. 2. No. 1. Pp. 22–36. DOI: 10.2174/1877611611202010022
  3. Zabolotnov Y.M. Control of the deployment of an orbital tether system that consists of two small spacecraft // Cosmic Research. 2017. Vol. 55. No. 3. Pp. 224–233. DOI: 10.1134/S0010952517020083
  4. Haws T. SLS, the DSG, and Lunar Landers in the mid-2030s // 2018 Joint Propulsion Conference. 2018. P. 4638. DOI: 10.2514/6.2018-4638
  5. Smitherman D., Schnell A. Gateway Lunar Habitat Modules as the Basis for a Modular Mars Transit Habitat // 2020 IEEE Aerospace Conference. IEEE. 2020. Pp. 1–12.
  6. Gill T. NASA's Lunar Orbital Platform-Gatway. The Space Congress Proceedings. URL: https://commons.erau.edu/space-congress-proceedings/proceedings-2018-45th/presentations/17 (дата обращения 15.11.2021).
  7. Ледкова Т.А., Заболотнов Ю.М. Развертывание и стабилизация движения космической тросовой системы на окололунной орбите // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. 2021. Т. 20. № 2. С. 63–73. DOI: https://doi.org/10.18287/2541-7533-2021-20-2-63-73
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.