Анализ движения наноспутника с неизолированным проводящим ток тросом
Автор: Т. А. Быстранова, Ю. М. Заболотнов
Журнал: Космические аппараты и технологии.
Рубрика: Информационные технологии
Статья в выпуске: 3, 2024 года.
Бесплатный доступ
Анализируется движение электродинамической тросовой системы, состоящей из наноспутника и вспомогательного тела (эмиттера электронов). Наноспутник и эмиттер соединены неизолированным проводящим ток тросом. Задача связана с актуальной проблемой удаления из космоса выработавших свой ресурс наноспутников или малых космических аппаратов без использования реактивных двигателей. Взаимодействие проводящего троса с магнитным полем Земли приводит к появлению силы Ампера (Лоренца), которая обеспечивает быстрое торможение тросовой системы. Для анализа движения рассматриваемой космической системы используется метод математического моделирования с применением уравнений движения, построенных с помощью формализма Лагранжа. Особенностью математической модели движения системы является учет неравномерного распределения тока вдоль оголенного проводящего троса, которое зависит от разности потенциалов между концевыми телами. Изучаются влияние концентрации электронов в ионосфере и наклонения на распределение тока вдоль троса и изменение орбитальных параметров центра масс системы. Установлено, что для неэкваториальных орбит движение тросовой системы имеет сложный пространственный характер (она совершает колебания относительно орбитальной плоскости). Приводятся численные результаты, иллюстрирующие влияние концентрации электронов и наклонения на приращения параметров орбиты центра масс тросовой системы.
Электродинамическая тросовая система, сила Ампера, ионосфера, неизолированный проводящий трос, наноспутник, уравнения Лагранжа, концентрация электронов, наклонение орбиты, распределение тока
Короткий адрес: https://sciup.org/14132184
IDR: 14132184 | УДК: 629.7.087.81
Analysis of the motion of a nanosatellite with an uninsulated conductive tether
The motion of an electrodynamic tether system consisting of a nanosatellite and an auxiliary body (electron emitter) is analyzed. The nanosatellite and the emitter are connected by an uninsulated conductive tether. The task is related to the urgent problem of removing exhausted nanosatellites or small spacecraft from space without using jet engines. The interaction of the conductive tether with the Earth's magnetic field leads to the appearance of an Ampere (Lorentz) force, which provides rapid braking of the tether system. To analyze the motion of the considered space system, a mathematical modeling method is used using equations of motion constructed using the Lagrange formalism. A feature of the mathematical model of the system motion is the consideration of the uneven current distribution along the bare conductive tether, which depends on the potential difference between the end bodies. The effect of electron concentration in the ionosphere and inclination on the current distribution along the tether and the change in the orbital parameters of the center of mass of the system is studied. It is established that for non-equatorial orbits, the motion of the tether system has a complex spatial character (it oscillates relative to the orbital plane). Numerical results are presented illustrating the effect of electron concentration and inclination on the increments of the parameters of the orbit of the center of mass of the tether system.
Список литературы Анализ движения наноспутника с неизолированным проводящим ток тросом
- Zhong R., Zhu Z. H. Dynamics of Nanosatellite Deorbit by Bare Electrodynamic Tether in Low Earth Orbit // J. of Spacecraft and Rockets. 2013. Vol. 50. № 3. P. 691–700.
- Белецкий В. В., Левин Е. М. Динамика космических тросовых систем. М.: Наука, 1990. 336 с.
- Кульков В. М., Егоров Ю. Г., Тузиков С. А. Исследование конфигурации и формирование проектного облика развернутой электродинамической тросовой системы в составе орбитальных космических аппаратов // Известия РАН. Энергетика. 2018. № . 3. С. 119–130.
- Кульков В. М., Егоров Ю. Г., Тузиков С. А., Фирсюк С. О. Особенности построения малоразмерных космических электродинамических тросовых систем // Известия РАН. Энергетика. 2019. № 3. С. 52–67.
- Ohkawa Y., Kawamoto S., Okumura T., etc. Review of KITE – Electrodynamic tether experiment on the H-II Transfer Vehicle // Acta Astronautica. 2020. Vol. 177, рр. 750–758.
- Chen X., Sanmartin J. R. Bare-tether cathodic contact through thermionic emission by low-work-function materials // Physics of Plasmas. 2012. Vol. 19, рр. 1–8.
- Sanchez-Arriaga G., Bombardelli C., Chen X. Impact of Nonideal Effects on Bare Electrodynamic Tether Performance // J. of Propulsion and Power. 2015. Vol. 31(3), рр. 951–955.
- Liang F., Xia Q., Wang N., etc. Power Generation on a Bare Electrodynamic Tether during Debris Mitigation in Space // Int. J. of Aerospace Engineering. 2021. Art. ID 8834196. 13 p.
- Li G., Zhu Z. H. Parameter influence on electron collection efficiency of a bare electrodynamic tether // Science China Information Sciences. 2018. Vol. 61, Iss. 2. No. 022201.
- Luo C., Hao W. H., Jin D. Libration control of bare electrodynamic tether for three-dimensional deployment // Astrodynamics. 2018. Vol. 2, рр. 187–199.
- Zhang J., Zhu Z., Sun Z. Reduction of Libration Angle in Electrodynamic Tether Deployment by Lorentz Force // J. of Guidance Control and Dynamics. 2017. Vol. 40. No. 1, рр. 164–169.
- Воеводин П. С., Заболотнов Ю. М. Моделирование процесса торможения наноспутника с помощью электродинамической тросовой системы // Проблемы управления и моделирования в сложных системах. Труды XXI Международной конференции. В 2-х т. 2019. С. 232–237.
- Охоцимский Д. Е., Сихарулидзе Ю. Г. Основы механики космического полета. М.: Наука, 1990. 448 с.
- Воеводин П. С., Заболотнов Ю. М. Анализ динамики и выбор параметров электродинамической космической тросовой системы, работающей в режиме генерации тяги // Космические исследования. 2020. Т. 58. № 1. С. 61–72.
- Menon C., Kruijff M., Vavonliotis A. Design and Testing of a Space Mechanism for Tether Deployment // J. Spacecraft and Rockets. 2007. Vol. 44. No. 4, рр. 927–939.
- Li G., Zhu Z. H. Precise analysis of deorbiting by electrodynamic tethers using coupled multiphysics finite elements // J. of Guidance, Control, and Dynamics. 2017. Vol. 40. Iss. 12, рр. 3343–3352.
- Xie K., Yuan H., Liang F. and oth. Lorentz Force Characteristics of a Bare Electrodynamic Tether System with a Hollow Cathode // J. of the Astronautical Sciences. 2021. Vol. 68, рр. 327–348.
