Исследование неуправляемого движения относительно центра масс наноспутников формата CubeSat 6U под действием аэродинамического и гравитационного моментов
Опубликовано: 27.01.2025
Авторы: Баринова Е.В., Белоконов И.В., Тимбай И.А.
Опубликовано в выпуске: #1(157)/2025
DOI: 10.18698/2308-6033-2025-1-2419
Раздел: Авиационная и ракетно-космическая техника | Рубрика: Динамика, баллистика, управление движением летательных аппаратов
Исследование динамики пассивного движения наноспутников формата CubeSat 6U относительно центра масс проведено с учетом особенностей математической модели аэродинамической силы лобового сопротивления при движении на низкой круговой орбите. Получена система уравнений для определения положений равновесия наноспутника в орбитальной системе координат под действием аэродинамического и гравитационного моментов. Для частного случая смещения центра масс от геометрического центра наноспутника вдоль продольной оси найдено аналитическое решение данной системы уравнений. Показана возможность возникновения резонансных режимов движения при использовании аэродинамической стабилизации по вектору скорости. Получены соотношения для определения критических значений продольной угловой скорости наноспутника, при которых выполняются условия возникновения резонансных режимов движения, и даны рекомендации по их предотвращению.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-67-10007, https://rscf.ru/project/23-67-10007/
EDN XHCTPE
Литература
[1] Puig-Suari J., Turner C., Twiggs R.J. CubeSat: The development and launch support infrastructure for eighteen different satellite customers on one launch. In: 15th AIAA/USU Conference on Small Satellites, 2001.
[2] Puig-Suari J., Coelho R., Williams S. CubeSat design specification. Rev. 14.1, CubeSat program, Cal. Poly SLO, 2022.
[3] Nanosats Database. URL: https://www.nanosats.eu/ (дата обращения: 11.02.2023).
[4] Selva D., Krejci D. A survey and assessment of the capabilities of CubeSats for Earth observation. Acta Astronautica, 2012, vol. 74, pp. 50–68.
[5] Симаков С.П., Устюгов Е.В. Определение взаимного положения и ориентации наноспутников по анализу видеоизображений. Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение, 2016, т. 15, № 1, с. 122–131.
[6] Zharkikh R.N., Purikov A.V., Kuznetsov V.V., Shubin M.I., Svinareva A.M., Eletskaya L.L. Construction of wide-purpose space complexes based on the SXC6 platform. AIP Conference Proceedings, 2021, vol. 2318.
[7] Kim G.-N., Park S.-Y., Lee T., Kang D.-E., Jeon S., Son J., Kim N., Park Y.-K., Song Y. Development of CubeSat systems in formation flying for the solar science demonstration: The CANYVAL-C mission. Advances in Space Research, 2021, vol. 68, pp. 4434–4455.
[8] Fitzpatrick D.J., Palo S.E. Innovative systems engineering solutions for power-positive operations: navigating the multi-constraint challenges of the SWARM-EX CubeSat mission. Advances in Space Research, 2024. Available online 26 June 2024. https://doi.org/10.1016/j.asr.2024.06.057
[9] Chernyshov A.A., Chugunin D.V., Mogilevsky M.M., Petrukovich A.A. Studies of the ionosphere using radiophysical methods on ultra-small spacecrafts. Acta Astronautica, 2020, vol. 167, pp. 455–459.
[10] Бабанина О.В., Гасанбеков К.Н., Прохоренко И.С. Двигательная установка коррекции для наноспутников на фреоне. Вестник Московского авиационного института, 2023, т. 30, № 3, с. 136–146.
[11] Синицын Л.И., Белоконов И.В. Влияние производственных отклонений изготовления электротермической двигательной установки на точность маневрирования наноспутника. Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение, 2021, т. 20, № 1, с. 29–45.
[12] Poghosyan A., Golkar A. CubeSat evolution: Analyzing CubeSat capabilities for conducting science missions. Progress in Aerospace Sciences, 2017, vol. 88, pp. 59–83.
[13] He L., Chen X., Kumar K. D., Sheng T., Yue C. et. al. A novel three-axis attitude stabilization method using in-plane internal mass-shifting. Aerospace Science and Technology, 2019, vol. 92, pp. 489–500.
[14] Chesi S., Gong Q., Romano M. Aerodynamic three-axis attitude stabilization of a spacecraft by center-of-mass shifting. Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 2017, vol. 40, no. 7, pp. 1613–1626.
[15] Rawashdeh S.A. Attitude analysis of small satellites using model-based simulation. International Journal of Aerospace Engineering, 2019, vol. 2019, article ID 3020581, 11 p.
[16] Psiaki M.L. Nanosatellite attitude stabilization using passive aerodynamics and active magnetic torqueing. Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 2004, vol. 27, no. 3, рp. 347–355.
[17] Белоконов И.В., Тимбай И.А., Баринова Е.В. Выбор проектных параметров наноспутника формата CubeSat c пассивной системой стабилизации. Гироскопия и навигация, 2020, т. 28, № 1, с. 81–100.
[18] Белецкий В.В. Движение искусственного спутника относительно центра масс. Москва, Наука, 1965, 416 c.
[19] Сарычев В.А., Овчинников М.Ю. Динамика спутника с пассивной аэродинамической системой ориентации. Космические исследования, 1994, т. 32, № 6, с. 561–575.
[20] Сарычев В.А., Гутник С.А. Динамика спутника под действием гравитационного и аэродинамического моментов. Исследование устойчивости положений равновесия. Космические исследования, 2016, т. 54, № 5, с. 415–426.
[21] Баринова Е.В., Тимбай И.А. Положения относительного равновесия динамически симметричного наноспутника формата CubeSat под действием гравитационного и аэродинамического моментов. Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение, 2019, т. 18, № 2, с. 21–32.
[22] Barinova E.V., Timbai I.A. Determining of equilibrium positions of CubeSat nanosatellite under the influence of aerodynamic and gravitational moments. In: 27th Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems. ICINS 2020. Proceedings, 2020. DOI: 10.23919/ICINS43215.2020.9133842
[23] Ярошевский В.А. Движение неуправляемого тела в атмосфере. Москва, Машиностроение, 1978.
[24] Aslanov V.S., Boiko V.V. Nonlinear resonant motion of an asymmetrical spacecraft in the atmosphere. Космические исследования, 1985, т. 23, № 3, с. 408–415.
[25] Заболотнов Ю.М., Любимов В.В. Применение метода интегральных многообразий для построения резонансных кривых в задаче входа КА в атмосферу. Космические исследования, 2003, т. 41, № 5, с. 481–487.
[26] Белоконов И.В., Тимбай И.А., Николаев П.Н. Анализ и синтез движения аэродинамически стабилизированных космических аппаратов нанокласса формата CubeSat. Гироскопия и навигация, 2018, т. 26, № 3 (102), с. 69–91.
[27] Баринова Е.В., Белоконов И.В., Тимбай И.А. Предотвращение возможности возникновения резонансных режимов движения для низковысотных спутников класса CUBESAT. Гироскопия и навигация, 2021, т. 29, № 4, с. 1–19.
[28] Barinova E.V., Belokonov I.V., Timbai I.A. Motion features of aerodynamically stabilized Cubesat 6U nanosatellites. In: 29th Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems. ICINS 2022. Proceedings, 2022. DOI: 10.23919/ICINS51784.2022.9815390
[29] Асланов В.С. Пространственное движение тела при спуске в атмосфере. Москва, Физматлит, 2004.
[30] Гантмахер Ф.Р. Лекции по аналитической механике. Москва, Наука, 1966.
[31] Platus D.H. Dispersion of spinning missiles due to lift non-averaging. AIAA J., 1977, vol. 15, no. 7, pр. 909–915.