Проектно-баллистический анализ миссии длительного исследования астероида Апофис наноспутником с электроракетной двигательной установкой

Автор: О.Л. Старинова, Е.А. Сергаева, А.Ю. Шорников

Журнал: Космические аппараты и технологии.

Статья в выпуске: 3, 2020 года.

Бесплатный доступ

В работе рассматриваются объекты несферической формы с малым гравитационным притяжением, например, астероиды, спутники планет и кометы. Рассматривается возможность осуществления миссии к малым телам Солнечной системы неправильной формы на примере астероида Апофис. Авторы статьи предлагают использовать для длительной миссии изучения Апофиса космический аппарат нано-класса с электроракетной двигательной установкой. Целью данной работы является определение необходимых затрат рабочего тела на все этапы миссии, включающей достижение астероида, формирование и поддержание заданной орбиты относительно него. При моделировании управляемого движения космического аппарата учитывается гравитационное притяжение Земли, Солнца и астероида. На этапе движения космического аппарата относительно астероида его гравитационное поле описывается как суперпозиция гравитационных полей двух вращающихся массивных точек. В работе предлагается для предварительного баллистического проектирования миссии разбить ее на два участка. Первый – оптимальный по быстродействию гелиоцентрический перелет Земля – астероид Апофис с выравниванием скорости космического аппарата относительно астероида. Второй – движение в окрестности астероида, включающее оптимальный по быстродействию маневр формирования рабочей орбиты и поддержание рабочей орбиты в течение заданного времени.

Еще

Наноспутник, астероид, математическая модель, управление движением, траектория движения, проектно-баллистические характеристики

Короткий адрес: https://sciup.org/14117448

IDR: 14117448 | DOI: 10.26732/j.st.2020.3.04

Список литературы Проектно-баллистический анализ миссии длительного исследования астероида Апофис наноспутником с электроракетной двигательной установкой

Энеев Т. М., Ахметшин Р. З., Ефимов Г. Б. К вопросу об астероидной опасности // Препринты ИПМ им. М. В. Келдыша. 2011. № 35. С. 1–40.
Медведев Ю. Д., Свешников М. Л., Сокольский Г. А., Тимошкова Е. И., Чернетенко Ю. А., Шор В. А. Астеродно-кометная опасность. СПб. : ИТА РАН, 1996. С. 244.
Соколов Л. Л., Башаков А. А., Питьев Н. П. Особенности движения астероида 99942 Апофис // Астрономический вестник. 2008. Т. 42. №. 1. С. 20–29.
Yeomans D. K., Chodas P. W., Keesey M. S., Ostro S. J., Chandler J. F., Shapiro I. I. Asteroid and comet orbits using radar data // Astronomical Journal, 1992, vol. 103, pp. 303–317.
Шустов Б. М., Нароенков С. А., Емельяненко В. В., Шугаров А. С. Астрономические аспекты построения системы обнаружения и мониторинга опасных космических объектов // Астрономический вестник. Исследования солнечной системы. 2013. Т. 47. №. 4. С. 312–320.
Geisslera P., Petit J.-M., Durdaa D. D., Greenberga R., Bottkea W., Nolana M., Moore J. Erosion and ejecta reaccretion on 243 Ida and its moon // Icarus, 1996, vol. 120, issue 1, pp. 140–157.
Scheeres D. J. Orbital mechanics about small bodies // Acta Astronautica, 2012, vol. 72, pp. 1–14.
Хартов В. В. Новый этап создания автоматических космических аппаратов для фундаментальных научных исследований // Вестник ФГУП НПО им. С. А. Лавочкина. 2011. № 3. С. 3–10.
Кульков В. М., Егоров Ю. Г., Крайнов А. М., Шаханов А. Е., Ельников Р. В. К вопросу проектирования малых космических аппаратов с электроракетной двигательной установкой для исследования малых тел Солнечной системы // Вестник НПО им. С.А. Лавочкина. 2015. № 1. С. 48–54.
Кульков В. М., Егоров Ю. Г., Крайнов А. М., Шаханов А. Е., Ельников Р. В. К вопросу проектирования малых космических аппаратов с маршевой электроракетной двигательной установкой для исследования окололунного пространства // Вестник НПО им. С.А. Лавочкина. 2013. № 4. С. 68–74.
Ломакин И. В., Мартынов М. Б., Поль В. Г., Симонов А. В. К вопросу реализации программы исследования малых тел Солнечной системы // Вестник НПО им. С. А. Лавочкина. 2013. № 4. С. 10–17.
Ивашкин В. В., Лан А. Анализ оптимальности траекторий экспедиции Земля–астероид–Земля // Препринты ИПМ им. М. В. Келдыша. 2017. № 113. 25 с. doi: 10.20948/prepr-2017-113.
Полищук Г. М., Пичхадзе К. М. Автоматические космические аппараты для фундаментальных и прикладных научных исследований. М. : МАИ-ПРИНТ, 2010.
Кульков В. М. Исследование проектных параметров и анализ эффективности применения унифицированных платформ с электроракетными двигателями в составе малых космических аппаратов // Вестник Московского авиационного института. 2012. Т. 19. № 2. С. 18–28.
Мартынов М. Б., Петухов В. Г. Концепция применения электроракетной двигательной установки в научных космических проектах: преимущества и особенности, примеры реализации // Вестник НПО им. С. А. Лавочкина. 2011. № 2. С. 3–11.
Власенков Е. В., Комбаев Т. Ш., Крайнов А. М., Черников П. С., Шаханов А. Е. Проектный облик перспективного малого космического аппарата с маршевой электроракетной двигательной установкой // Вестник МАИ. 2012. № 11. С. 33.
Ахметжанов Р. В., Богатый А. В., Дьяконов Г. А., Попов Г. А. Применение электроракетной двигательной установки на базе высокочастотного ионного двигателя мощностью до 600 Вт для межпланетных космических аппаратов // Известия Российской академии наук. Энергетика. 2019. № 3. С. 14–25.
Константинов М. С., Орлов А. А. Анализ влияния характеристик энергетической установки при использовании ЭРДУ в проекте исследования Меркурия // Известия Российской академии наук. Энергетика. 2018. № 3. С. 106–118.
Woolley R., Olikara Z. Optimized Low-Thrust Missions from GTO to Mars // 2019 IEEE Aerospace Conference, 2019, pp. 1–10.
He S., Zhu Zh. Optimal design of near-Earth asteroid sample-return trajectories in the Sun–Earth–Moon system // Acta Mechanica Sinica, 2016, vol. 32, no. 4, pp. 753–770. doi: 10.1007/s10409-015-0527-1.
Kulumani S., Lee T. Systematic Design of Optimal Low-Thrust Transfers for the Three-Body Problem // The Journal of the Astronautical Sciences, 2019, vol. 66, no. 1, pp. 1–31.
Petukhov V. G., Konstantinov M. S., Wook W. S. Simultaneous optimization of the low-thrust trajectory and the main design parameters of the spacecraft // Advances in the Astronautical Sciences, 2017, pp. 639–653.
Willis M., D'Amico S. Analytical approach to spacecraft formation-flying with low-thrust relative spiral trajectories // Acta Astronautica, 2018, vol. 153, pp. 175–190. doi: 10.1016/j.actaastro.2018.02.002.
Петухов В. Г., Иванюхин А. В., Вук В. С. Совместная оптимизация управления и основных траекторных и проектных параметров межпланетного космического аппарата с электроракетной двигательной установкой // Космические исследования. 2019. Т. 57. № 3. С. 212–228.
Петухов В. Г., Попов Г. А. Автоматизация задач вычисления оптимальных траекторий космических аппаратов с электроракетными двигательными установками // Системный анализ, управление и навигация. 2018. С. 109–111.
Ивашкин В. В., Гуо П. Анализ возможности создания стабильного спутника астероида Апофис как однородного трехосного эллипсоида // Доклады Академии наук. 2019. Т. 489. № 1. С. 27–33.
Шорников А. Ю., Старинова О. Л. Моделирование гравитационного поля сложной конфигурации // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2015. Т. 17. № 2–1. С. 167–170.
Starinova O., Shornikov A., Nikolaeva E. Using the iESP Installed on the Space Station Moving in an Irregular Gravitational Field of the Asteroids Eros and Gaspra // Electrospinning and Electrospraying-Techniques and Applications, 2019. doi: 10.5772/intechopen.85615.
Ren Y., Shan J. On tethered sample and mooring systems near irregular asteroids // Advances in Space Research, 2014, vol. 54, no. 8, pp. 1608–1618.
Hu X., Jekeli C. A numerical comparison of spherical, spheroidal and ellipsoidal harmonic gravitational field models for small non-spherical bodies: examples for the Martian moons // Journal of Geodesy, 2015, vol. 89, no. 2, pp. 159–177.
Ивашкин В. В., Лан А. Анализ орбитального движения спутника астероида Апофис // Космические исследования. 2017. Т. 55. № 4. С. 268–277.
Wang X., Jiang Y., Gong S. Analysis of the potential field and equilibrium points of irregular-shaped minor celestial bodies // Astrophysics and Space Science, 2014, vol. 353, no. 1, pp. 105–121.
Grebow D. J., Bradley N., Kennedy B. Stability and Targeting in Dawn’s Final Orbit // Proceedings of the 29th AAS/AIAA Space Flight Mechanics Meeting, 2019, pp. 13–17.
Grebow D. J., Kennedy B. M., Han D., Whiffen G. J. Design and execution of Dawn HAMO to LAMO transfer at Ceres // AIAA/AAS Astrodynamics Specialist Conference, 2016.
Kennedy B., Abrahamson M., Ardito A., Han D., Haw R., Mastrodemos N., Nandi S., Park R., Rush B., Vaughan A. Dawn Orbit Determination Team: Trajectory and Gravity Prediction Performance during Vesta Science Phases, 2013.
Воронцов В. А., Лохматова М. Г., Мартынов М. Б., Пичхадзе К. М., Симонов А. В., Хартов В. В., Засова Л. В., Зеленый Л. М., Кораблев О. И. Перспективный космический аппарат для исследования Венеры. Проект «Венера-Д» // Вестник НПО им. С. А. Лавочкина. 2010. №. 4. С. 62–67.
Nikolaeva E. A., Starinova O. L., Shornikov A. U., Kiunov Y. S., Chernyakina I. V. Ballistic and Design of Nano-Class Spacecraft for Asteroid Exploration // 9th International Conference on Recent Advances in Space Technologies (RAST), 2019, pp. 89–94.
Ахметжанов Р. В., Богатый А. В., Дьяконов Г. А., Ким В. П., Меркурьев Д. В., Любинская Н. В., Семенихин С. А., Спивак О. О., Попов Г. А. Электрические ракетные двигатели нового поколения для малых космических аппаратов // Известия Российской академии наук. Энергетика. 2019. № 3. С. 3–13.
Ивашкин В. В., Лан А. Анализ динамики орбитального движения космического аппарата вокруг астероида Апофис // Актуальные проблемы российской космонавтики: труды XXXIX академических чтений по космонавтике, посвященных памяти академика С. П. Королева и других выдающихся отечественных ученых-пионеров освоения космического пространства. 2015. С. 90–91.
Лан А. Анализ космических траекторий для экспедиции Земля-Апофис-Земля и движения космического аппарата вокруг астероида Апофис // Инженерный журнал: наука и инновации. 2017. № 7 (67).
Константинов М. С., Петухов В. Г., Тейн М. Анализ влияния мощности солнечной энергетической установки на характеристики проекта «Интергелио-зонд» при использовании электроракетных двигателей // Известия Российской академии наук. Энергетика. 2016. № 2. С. 102–117.
Свид. 2018611032 Российская Федерация. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. Моделирование функционирования систем защиты Земли для преодоления астероидной опасности / О. Л. Старинова, Е. А. Николаева ; заявитель и правообладатель Самарский национальный исследовательский университет имени академика С. П. Королева (RU) ; заявл. 28.11.2017 ; опубл. 22.01.2018.
Шорников А. Ю. Оптимальное управление движением космического аппарата в поле притяжения астероида Эрос 433 // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. 2019. Т. 18. № 4. C. 146–156.
Свид. 2014618472 Российская Федерация. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. Программный комплекс моделирования и оптимизация перелета космического аппарата с электрореактивным двигателем малой тяги в задачах маневрирования в окрестности тел со сложными гравитационными полями / А. Ю. Шорников, О. Л. Старинова ; заявитель и правообладатель Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет) (RU) ; заявл. 26.06.2014 ; опубл. 21.08.2014.

Еще

Статья