Анализ динамики и управление движением вращающейся тросовой системы при перелете Земля – Марс
Автор: Х. Лу, Ч. Ван, Ю.М. Заболотнов
Журнал: Космические аппараты и технологии.
Рубрика: Ракетно-космическая техника
Статья в выпуске: 1, 2021 года.
Бесплатный доступ
Рассматривается анализ динамики и управление движением вращающейся тросовой системы для межпланетной миссии на Марс. Космическая система состоит из двух космических аппаратов, соединенных тросом и имеющих реактивные двигатели для управления ее движением. Последовательно анализируется движение тросовой системы в сфере действия Земли, на межпланетном участке и в сфере действия Марса. На околоземной орбите рассматривается перевод системы во вращение с помощью реактивных двигателей, установленных на концевых космических аппаратах. Вращение системы используется для создания искусственной гравитации во время межпланетного перелета. Тросовая система вращается в плоскости, перпендикулярной плоскости орбитального движения центра масс системы. Для описания пространственного движения системы используется математическая модель, в которой трос представляется в виде совокупности материальных точек, соединенных вязкоупругими односторонними механическими связями. Космические аппараты рассматриваются как материальные точки. Уровень гравитации и вращение тросовой системы контролируется с помощью реактивных двигателей. Предлагается структура регулятора для управления угловой скоростью вращения тросовой системы. Приводятся результаты моделирования, подтверждающие эффективность предлагаемого алгоритма управления, обеспечивающего заданный уровень искусственной гравитации для рассматриваемой межпланетной миссии.
Вращающаяся тросовая система, реактивный двигатель, искусственная гравитация, межпланетный перелет
Короткий адрес: https://sciup.org/14118227
IDR: 14118227 | УДК: 629.785 | DOI: 10.26732/j.st.2021.1.03
Dynamic analysis and motion control of spinning tether system during its Earth to Mars flight
The dynamic analysis and motion control of a spinning tether system for an interplanetary mission to Mars is considered. The space system consists of two spacecraft connected by a tether with thrusts to control its movement. The movements of the tether system in the sphere of action of the Earth, on the interplanetary trajectory and in the sphere of action of Mars are consistently analyzed. In near-Earth orbit, the transfer of the system into rotation with the help of jet engines installed on the end spacecrafts is considered. The spin of the system is used to create artificial gravity during the interplanetary flight. The tether system spins in the plane perpendicular to the plane of the orbital motion of the center of mass of the system. To describe spatial motion of the system, a mathematical model is used, in which the tether is represented as a set of material points with viscoelastic unilateral mechanical connections. When calculating the movement of the system, an approach based on the method of spheres of action is used. Spacecrafts are considered as material points. The level of gravity and spin of tether system is controlled by thrusters. The structure of the controller for controlling the angular speed of rotation of the tether system is proposed. The simulation results are presented to confirm the effectiveness of the proposed control algorithm, which provides a given level of artificial gravity for th e interplanetary mission under consideration.
Список литературы Анализ динамики и управление движением вращающейся тросовой системы при перелете Земля – Марс
- Циолковский К. Э. Путь к звездам. М. : АН СССР, 1960. 258 с.
- Clement G., Bukley A. Artificial Gravity. New York : Springer, 2007. 357 p.
- Frett T., Petrat G., van Loon J., Hemmersbach W., Anken R. Hypergravity Facilities in the ESA Ground-Based Facility Program – Current Research Activities and Future Tasks // Microgravity Science & Technology. 2016. vol. 28. no. 3. pp. 205–214.
- Van Pelt M. Space Tethers and Space Elevators. Springer Science & Business Media, 2009. 215 p.
- Осипов В. Г., Шошунов Н. Л. Космические тросовые системы: история и перспективы // Земля и Вселенная. 1998. № 4.
- Gou X., Li A., Tian H., Wang C., Lu H. Overload control of artificial gravity facility using spinning tether system for high eccentricity transfer orbits // Acta Astronautica. 2018. vol. 147. pp. 383–392.
- Martin K. M., Landau D. F., Longuski J. M. Method to maintain artificial gravity during transfer maneuvers for tethered spacecraft // Acta Astronautica. 2016. vol. 120. pp. 138–153.
- DeLuca L. T., Bernelli F., Maggi F., Tadini P., Pardini C., Anselmo L., Grassi M., Pavarin D., Francesconi A., Branz F., Chiesa S., Viola N., Bonnal C., Trushlyakov V., Belokonov I. Active space debris removal by a hybrid propulsion module // Acta Astronautica. 2013. vol. 91. pp. 20–33.
- Zabolotnov Yu. M. Dynamics of the Formation of a Rotating Orbital Tether System with the Help of Electro-thruster // Procedia engineering. 2017. vol. 185. pp. 261–266.
- Yang B., Tang S., Li S., Xia C. Manned Mars Exploration Concept Using Nuclear Thermal Propulsion System // Yuhang Xuebao – Journal of Astronautics. 2018. vol. 39. no. 11. pp. 1197–1208.
- Wei Y., Guo S., Zhao J., Cao W., Xu Y. Design Characteristic and Verification of Propulsion System of Chang’e-4 Probe // Hangtianqi Gongcheng – Spacecraft Engineering. 2019. vol. 28. no. 4. pp. 51–59.
