Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.
Уборка космического мусора является одной из наиболее актуальных задач современной космонавтики. В работе рассматривается задача бесконтактной транспортировки объекта космического мусора ионным потоком, генерируемым активным космическим аппаратом. Предполагается, что активный космический аппарат подлетает на расстояние порядка десятка метров к объекту космического мусора и направляет на него струю своего ионного двигателя. Врезаясь в поверхность космического мусора, частицы струи оказывают на него силовое воздействие. Поскольку точка приложения генерируемой таким образом результирующей силы не совпадает с центром масс космического мусора, возникает момент, и объект начнет поворачиваться. При этом изменяется величина, направление и точка приложения результирующей ионной силы. Будем называть результирующую силу и создаваемый ей момент относительно центра масс космического мусора соответственно ионной силой и моментом. В настоящее время довольно хорошо исследован процесс уборки космического мусора ионным потоком без учета его движения относительно центра масс [1, 2], однако, проведенные в [3] расчеты показали, что движение космического мусора относительно центра масс в процессе бесконтактной транспортировки может оказывать существенное влияние на время спуска с орбиты, поэтому его необходимо учитывать при подготовке миссий и разработке законов управления.
Целью работы является исследование динамики объекта космического мусора в процессе его бесконтактной транспортировки ионным потоком; поиск законов управления двигателями активного космического аппарата и параметрами ионного потока, которые обеспечивают транспортировку космического мусора в наиболее благоприятном с точки зрения затрат топлива режиме движения.
При проведении исследования были приняты следующие допущения. Рассматривалось плоское движение системы. Космический мусор рассматривался как цилиндрическое тело, центр масс которого находится в его геометрическом центре, а ось симметрии лежит в плоскости орбиты. Активный космический аппарат рассматривался как материальная точка. Предполагалось, что ионы в генерируемым двигателем потоке распространяются в соответствии с автоподобной моделью распространения плазмы. При соударении ионов с поверхностью тела использовалась гипотеза о полном диффузионном отражении частиц. Предполагалось, что движение механической системы, состоящей из объекта космического мусора и активного космического аппарата происходит под действием гравитационных, аэродинамических и ионных сил и моментов. Для расчета сил и моментов, генерируемых ионным потоком, был разработан программный комплекс. Объект космического мусора представлялся как набор треугольников, и рассчитывалось силовое воздействие потока ионов на каждый из них, после этого производилось суммирование сил и моментов относительно центра масс объекта.
С помощью уравнений Лагранжа второго рода была разработана математическая модель, описывающая плоское движение механической системы, состоящей из активного космического аппарата и объекта космического мусора цилиндрической формы [4]. Было получено упрощенное дифференциальное уравнение, описывающее движение объекта космического мусора относительно центра масс на Кеплеровой орбите под действием ионного момента [5]. С помощью этого уравнения была проведена серия расчетов для случая неизменного относительного положения активного космического аппарата. Исследовано влияние высоты орбиты и тяги генерирующего ионный поток двигателя на топологию фазового пространства, описывающего плоские колебания космического мусора на круговой орбите. Был введен параметр, характеризующий отношение гравитационного и ионного момента, и построена бифуркационная диаграмма, описывающая расположение и тип положений равновесия объекта в зависимости от этого параметра. Показано, что в процессе спуска космического мусора с орбиты возможна бифуркация, которая проявляется в резком изменении характера его колебаний. Кроме того, с помощью сечений Пуанкаре и показателей Ляпунова показано наличие хаотических режимов движения цилиндрического космического мусора при его бесконтактной транспортировке ионным потоком [5].
Предложены законы управления тягой ионного двигателя и направлением ионного потока, обеспечивающие демпфирование угловых колебаний космического мусора [6], а также перевод космического мусора в требуемый режим угловых колебаний. Результаты численного моделирования подтверждают эффективность предлагаемых законов. Управление направлением потока обеспечивает более быстрый перевод космического мусора в требуемый режим. Предложено четыре стратегии управления угловыми колебаниями при бесконтактной транспортировке космического мусора: без учета его углового движения; транспортировка в положении устойчивого равновесия; транспортировка в режиме колебаний, соответствующем максимальной осредненной по периоду угловых колебаний ионной силе; транспортировка в угловом положении, соответствующем максимальной ионной силе. Оценка затрат топлива по результатам серии численных расчетов показала, что последняя стратегия является неэффективной, а наименьший расход топлива наблюдается при реализации второй стратегии управления [7].
Проведенные исследования показали, что управление угловым движением космического мусора в процессе его бесконтактной транспортировки ионным потоком позволяет заметно сократить время спуска и требуемые затраты топлива. Результаты проведенных исследований могут быть использованы при разработке принципиально новых образцов ракетно-космической техники.
