Математическая модель маневрирующего наноспутника с гелиотермической двигательной установкой и маховичной системой ориентации и стабилизации
Опубликовано: 18.05.2021
Авторы: Жумаев З.С.
Опубликовано в выпуске: #5(113)/2021
DOI: 10.18698/2308-6033-2021-5-2078
Раздел: Авиационная и ракетно-космическая техника | Рубрика: Проектирование, конструкция и производство летательных аппаратов
Рассмотрена возможность использования гелиотермической двигательной установки для построения созвездий наноспутников формата CubeSat типоразмера 6U. Наличие такой двигательной установки на борту каждого спутника созвездия подразумевает прямой нагрев рабочего тела сфокусированным солнечным излучением. По сравнению с электрореактивными двигателями предлагаемый движитель имеет тягу на порядки выше, что позволяет построить созвездие наноспутников на низкой околоземной орбите менее чем за 6 суток. Если сравнивать с электротермическими двигателями, то в представленном решении достигается более высокая эффективность преобразования энергии солнечного излучения в тепловую энергию рабочего тела. Было проведено моделирование движения космического аппарата с учетом взаимного влияния работы двигательной установки, системы ориентации и стабилизации, системы электропитания, а также прохождения теневых участков орбиты, на которых происходит потеря электрической и тепловой энергий.
Литература
[1] Buchen E. 2014 nano/microsatellite market assessment. SpaceWorks Enterpri-ses, 2014, vol. 12. URL: https://digitalcommons.usu.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=3018&context=smallsat (дата обращения 27.03.2021).
[2] Swartwout M. The first one hundred CubeSats: A statistical look. J. Small Satell., 2013, vol. 2, no. 2, pp. 213–233.
[3] Foster C., Mason J., Vittaldev V., Leung L., Beukelaers V., Stepan L., Zimmerman R. Differential drag control scheme for large constellation of planet satellites and on-orbit results. arXiv preprint, 2018, arXiv:1806.01218. URL: https://arxiv.org/abs/1806.01218 (дата обращения 27.03.2021).
[4] Lemmer K. Propulsion for CubeSats. Acta Astronautica, 2017, vol. 134, pp. 231–243.
[5] Rysanek F., Hartmann J., Schein J., Binder R. Microvacuum arc thruster design for a CubeSat class satellite. 16th Annual/USU Conference on Small Satellites, 2002. SSC02-I-2. URL: https://www.researchgate.net/publication/228693381_Microvacuum_arc_thruster_design_for_a_CubeSat_class_satellite (дата обращения 27.03.2021).
[6] Schein J., Gerhan A., Rysanek F., Krishnan M. Vacuum arc thruster for cubesat propulsion. IEPC-0276, 28th IEPC, 2003, vol. 100. URL: http://electricrocket.org/IEPC/0276-0303iepc-full.pdf (дата обращения 27.03.2021).
[7] Guarducci F., Coletti M., Gabriel S. Design and testing of a micro pulsed plasma thruster for CubeSat application. 32nd International Electric Propulsion Confe-rence, 2011, pp. 2011–2239. URL: http://electricrocket.org/IEPC/IEPC-2011-239.pdf (дата обращения 27.03.2021).
[8] Coletti M., Guarducci F., Gabriel S. A micro ppt for CubeSat application: Design and preliminary experimental results. Acta Astronautica, 2011, vol. 69, no. 3–4, pp. 200–208.
[9] Krejci D., Mier-Hicks F., Fucetola C., Lozano P., Schouten A.H., Martel F. Design and characterization of a scalable ion electrospray propulsion system, 2015. Researchgate URL: https://www.researchgate.net/profile/David-Krejci-2/publication/280098850_Design_and_Characterization_of_a_Scalable_ion_Electrospray_Propulsion_System/links/55a9135808aea3d086802b63/Design-and-Characterization-of-a-Scalable-ion-Electrospray-Propulsion-System.pdf (дата обращения 27.03.2021).
[10] Mathur R. Low thrust trajectory design and optimization: Case study of a lunar CubeSat mission. Proceedings of the 6th International Conference on Astrodynamics Tools and Techniques, 2016, pp. 1–11. URL: https://indico.esa.int/event/111/contributions/372/attachments/379/422/ICATT6_PAPER-Lunar_CubeSat_Trajectory_Design-Mathur.pdf (дата обращения 27.03.2021).
[11] Imken T.K., Stevenson T.H., Lightsey E.G. Design and testing of a cold gas thruster for an interplanetary CubeSat mission. J. Small Satell., 2015, vol. 4, no. 2, pp. 371–386.
[12] Manzoni G., Brama Y.L. CubeSat micropropulsion characterization in low Earth orbit. Proceedings of the 15th Small Satellite Conference, 2015, vol. 4, no. 5. URL: https://digitalcommons.usu.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=3190&context=smallsat (дата обращения 27.03.2021).
[13] CubeSat design specification Rev. 13. California Polytechnic State University. URL: https://static1.squarespace.com/static/5418c831e4b0fa4ecac1bacd/t/56e9b62337013b6c063a655a/1458157095454/cds_rev13_final2.pdf (дата обращения 14.03.2021).
[14] Cofer A.G., O’Neill W.J., Heister S.D., Alexeenko A., Cardiff E.H. Film-evaporation mems tunable array for low-mass smallSat propulsion: Design improvements and thrust characterization. 51st AIAA/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference, 2015, paper no. 3993. https://arc.aiaa.org/doi/abs/10.2514/6.2015-3993
[15] Cervone A., Zandbergen B., Guerrieri D.C., Silva M.D.A.C., Krusharev I., van Zeijl H. Green micro-resistojet research at Delft University of technology: New options for CubeSat propulsion. CEAS Space Journal, 2017, vol. 9, no. 1, pp. 111–125.
[16] Polman A., Knight M., Garnett E.C., Ehrler B., Sinke W.C. Photovoltaic materials: Present efficiencies and future challenges Science. American Association for the Advancement of Science, 2016, vol. 352, no. 6283, paper no. aad4424.
[17] Pottinger S., Krejci D., Scharlemann C. Development of a ppt for CubeSat applications. 44th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, 2008, paper no. 4532. https://arc.aiaa.org/doi/abs/10.2514/6.2008-4532
[18] BET-100 Busek electrospray thruster, datasheet. Busek Co. Inc. URL: http://www.busek.com/index_htm_files/70008516F.PDF (дата обращения 14.03.2021).
[19] Грилихес В.А. Космические солнечные энергостанции. Ленинград, Наука, 1986, с. 51–61.
[20] Финогенов С.Л., Коломенцев А.И., Кудрин О.И. Использование различных окислителей для дожигания водорода, нагреваемого в ракетном двигателе за счет солнечной энергии. Сибирский журнал науки и технологий, 2015, т. 16, № 3, с. 680–689.
[21] Коротеев А.С. и др. Солнечные энергодвигательные установки — эффективный путь развития средств межорбитальной транспортировки. Известия Российской академии наук. Энергетика, 2004, № 5, с. 46–58.
[22] Zhumaev Z.S., Shcheglov G.A. Operations dynamics analysis of solar thermal propulsion for CubeSats. Advances in Space Research, 2019, vol. 64, no. 4, pp. 815–823.
[23] Markley F.L., Crassidis J.L. Fundamentals of spacecraft attitude determination and control. Springer, 2014, vol. 33, pp. 287–423.
[24] Weisstein E.W. Lune. Mathworld–a Wolfram web resource. URL: https://mathworld.wolfram.com/Lune.html (дата обращения 14.03.2021).
[25] Беленький А., Васильев В. Управление минимально избыточной системой электродвигателей-маховиков. Известия РАН. МТТ,1996, № 2, c. 75–81.
[26] Беленький А.Д. и др. Алгоритм управления системой четырех двигателей-маховиков космических аппаратов серии МЕТЕОР-м. Вопросы электромеханики. Труды ВНИИЭМ № 2, 2013, т. 134, № 3. c. 9–14.
[27] Thermal control coatings developed and made by the PJSC “Composite”. JSC «Kompozit». URL: http://kompozit-mv.ru/index.php/en/nonmetallic-materials/127-thermal-control-coatings (дата обращения 14.03.2021).