Оптимальное управление тягой буксира при развертывании троса после захвата космического мусора гарпуном
Опубликовано: 11.05.2020
Авторы: Сизов Д.А., Асланов В.С.
Опубликовано в выпуске: #5(101)/2020
DOI: 10.18698/2308-6033-2020-5-1983
Раздел: Авиационная и ракетно-космическая техника | Рубрика: Динамика, баллистика, управление движением летательных аппаратов
Рассмотрен процесс уборки пассивного объекта активным космическим аппаратом, состоящий из трех этапов: захват объекта гарпуном, развертывание троса, буксировка. Ударный импульс от гарпуна используется для снижения угловой скорости объекта и перевода его в буксировочное состояние. Предложен алгоритм определения положения точки захвата на поверхности объекта. Уравнения относительного движения буксира на этапе развертывания троса даны в безразмерной форме, что позволяет исследовать движение в любом пространстве параметров. Предложен закон управления тягой буксира на этапе развертывания троса и определены оптимальные параметры управления, обеспечивающие безопасную буксировку. Найдены пределы применимости рассматриваемого закона управления с учетом конструктивных и прочностных ограничений системы. В качестве примера использования предлагаемого подхода выполнено численное моделирование уборки верхней ступени ракеты Ariane 4.
Литература
[1] Kessler D.J., Johnson N.L., Liou J.C., Matney M. The Kessler syndrome: implications to future space operations. Advances in the Astronautical Sciences, 2010, vol. 137, no. 8, pр. 1–15.
[2] Shan M., Guo J., Gill E. Review and comparison of active space debris capturing and removal methods. Progress in Aerospace Sciences, 2016, vol. 80, pp. 18–32. DOI: 10.1016/J.PAEROSCI.2015.11.001
[3] Hakima H., Emami M.R. Assessment of active methods for removal of LEO debris. Acta Astronautica, 2018, vol. 144, рр. 225–243. DOI: 10.1016/j.actaastro.2017.12.036
[4] Mark C.P., Kamath S. Review of active space debris removal methods. Space Policy, 2019, vol. 47, pp. 194–206. DOI: 10.1016/j.spacepol.2018.12.005
[5] Bombardelli C., Pelaez J. Ion beam shepherd for contactless space debris removal. Journal of guidance, control, and dynamics, 2011, vol. 34, no. 3, рр. 916–920. DOI: 10.2514/1.51832
[6] Kawamoto S., Makid T., Sasaki F., Okawa Y., Nishida S.I. Precise numerical simulations of electrodynamic tethers for an active debris removal system. Acta Astronautica, 2006, vol. 59, no. 1–5, рр. 139–148. DOI: 10.1016/j.actaastro.2006.02.035
[7] Nishida S.I., Kawamoto S., Okawa Y., Terui F., Kitamura S. Space debris removal system using a small satellite. Acta Astronautica, 2009, vol. 65, no. 1–2, рр. 95–102. DOI: 10.2514/6.IAC-06-B6.4.02
[8] Schaub H., Sternovsky Z. Active space debris charging for contactless electrostatic disposal maneuvers. Advances in Space Research, 2014, vol. 53, no. 1, рр. 110–118. DOI: 10.1016/J.ASR.2013.10.003
[9] Phipps C.R. L’ADROIT — a spaceborne ultraviolet laser system for space debris clearing. Acta Astronautica, 2014, vol. 104, no. 1, рр. 243–255. DOI: 10.1016/J.ACTAASTRO.2014.08.007
[10] Scharring S., Lorbeer R.A., Eckel H.A. Heat accumulation in laser-based removal of space debris. AIAA Journal, 2018, vol. 56, no. 6, рр. 2506–2508. DOI: 10.2514/1.J056718
[11] Kumar K., Ortiz Gómez N., Jankovic M., Romero Martín J.M., Topputo F., Walker S.J., Vasile M. Agora: Mission to demonstrate technologies to actively remove Ariane rocket bodies. Proc. 66th Int. Astronaut. Congr., Jerusalem, Israel, 12–16 October 2015. Paris, International Astronautical Federation, 2015, рр. 1–16.
[12] Qi R., Misra A. K., Zuo Z. Active debris removal using double-tethered space-tug system. Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 2016, vol. 40, no. 3, рр. 722–730. DOI: 10.2514/1.G000699
[13] Aslanov V.S. Chaos behavior of space debris during tethered tow. Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 2015, vol. 39, no. 10, рр. 2399–2405. DOI: 10.2514/1.G001460
[14] Aslanov V.S., Yudintsev V.V. Chaos in tethered tug–debris system induced by attitude oscillations of debris. Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 2019, vol. 42, no. 7, рр. 1630–1637. DOI: 10.2514/1.G004162
[15] Jasper L., Schaub H. Input shaped large thrust maneuver with a tethered debris object. Acta Astronautica, 2014, vol. 96, no. 1, рр. 128–137. DOI: 10.1016/J.ACTAASTRO.2013.11.005
[16] Cartmell M.P., McKenzie D.J. A review of space tether research. Progress in Aerospace Sciences, 2008, vol. 44, no. 1, рр. 1–21.
[17] Chen Y., Huang R., Ren X., He L., He Y. History of the tether concept and tether missions: a review. ISRN astronomy and astrophysics, 2013, vol. 2013, pp. 1–7. DOI: 10.1155/2013/502973
[18] Forshaw J.L., Aglietti G.S., Salmon T., Retat I., Roe M., Burgess C., Chaumette F. Final payload test results for the Remove Debris active debris removal mission. Acta Astronautica, 2017, vol. 138, рр. 326–342. DOI: 10.1016/J.ACTAASTRO.2017.06.003
[19] Dudziak R., Tuttle S., Barraclough S. Harpoon technology development for the active removal of space debris. Advances in Space Research, 2015, vol. 56, no. 3, рр. 509–527. DOI: 10.1016/J.ASR.2015.04.012
[20] Aglietti G.S., Taylor B., Fellowes S., Salmon T., Retat I., Hal A., Vinkoff N. The active space debris removal mission Remove Debris. Part 2: In orbit operations. Acta Astronautica, 2019, vol. 168, pp. 310–322. DOI: 10.1016/J.ACTAASTRO.2019.09.001
[21] Kang J., Zhu Z.H. Dynamics and control of de-spinning giant asteroids by small tethered spacecraft. Aerospace Science and Technology, 2019, vol. 94, 105394. DOI: 10.1016/J.AST.2019.105394
[22] Ortiz Gómez N., Walker S.J.I. Eddy currents applied to de-tumbling of space debris: Analysis and validation of approximate proposed methods. Acta Astronautica, 2015, vol. 114, рр. 34–53. DOI: 10.1016/J.ACTAASTRO.2015.04.012
[23] Kumar R., Sedwick R.J. Despinning orbital debris before docking using laser ablation. Journal of Spacecraft and Rockets, 2015, vol. 52, no. 4, рр. 1129–1134. DOI: 10.2514/1.A33183
[24] Wiggins L.E. Relative magnitudes of the space-environment torques on a satellite. AIAA Journal, 1964, vol. 2, no. 4, рр. 770–771.
[25] Kluever C.A. Space Flight Dynamics. John Wiley & Sons, 2018, 561 p.