Введение к работе
Актуальность работы. Космическая тросовая система (КТС) - это комплекс искусственных космических объектов, соединённых длинными тонкими гибкими элементами, совершающий орбитальный полет. В наиболее простом виде КТС представляет собой связку двух космических аппаратов (КА), соединенных тросом длиной в десятки километров.
Использование КТС дает широкий спектр возможностей для реализации задач, связанных с исследованием космического пространства. Исследования, проводимые в данной области, являются актуальными для современной космонавтики. Большой вклад в развитие теории о движении космических тросовых систем внесли ученые: Белецкий В.В., Левин Е.М., Алпатов А.П., Пироженко А.В., Асланов B.C., Заболотнов Ю.М., Ишков С.А., Садов Ю.А., Ледков А.С., Щербаков В.И., Pearson J., Zimmerman F., Kruijiff M., Lorenzini E.C., Misra A.K., Williams P. и другие. Следует отметить, что практические эксперименты с КТС проводятся, начиная с 1966 года.
В существующих работах, задаче исследования нештатных режимов движения КТС уделяется недостаточное внимание. В частности, в диссертации Стратилатова Н.Р. проведен анализ нештатных ситуаций, связанных со сбоями в системе ориентации КА. Настоящая работа посвящена вопросам, не затронутым ранее: исследованию последствий заклинивая троса на движение транспортной КТС с учетом физических свойств троса, массово-инерционных характеристик КТС и влияния хаотических режимов на движение КА в составе КТС.
Среди множества проектов КТС наиболее близкими к практической реализации являются транспортные КТС, предназначенные для доставки грузов с орбиты на поверхность Земли, когда на орбите формируется временная связка, состоящая из базового КА, троса и концевого груза, которая позволяет без потерь передавать механическую энергию и момент количества движения от одного связанного тела к другому.
К настоящему времени проведено несколько экспериментов, доказавших возможность реализации транспортной КТС. В 1993-1994 годах были выполнены эксперименты «SEDS-1» и «SEDS-2», целью которых была отработка системы доставки груза с орбиты. Оба эксперимента были основаны на статическом методе развертывания КТС. В каждом случае от последней ступени ракеты-носителя «Дельта-2» тросы развертывались на длину, равную 20 км. В первом эксперименте осуществлялось неуправляемое развертывание троса, а во втором, для регулирования натяжения троса, использовался закон развертывания троса с обратной связью, благодаря которому удалось добиться остановки груза в конце развертывания. Европейский проект «Young Engineers'
Satellite 2» (YES2) был осуществлен в 2007 году в составе российского научного спутника «Фотон-М» (ФГУП ГНПРКЦ «ЦСКБ-ПРОГРЕСС»). При реализации проекта YES2 использовалась динамическая схема развертывания КТС, которая позволяет получить, по сравнению со статическим способом, выигрыш во времени спуска груза. Спускаемая капсула YES2 имел массу 14 кг и трос длиной 30 км.
Диссертация посвящена исследованию нештатных режимов работы КТС, предназначенной для доставки груза с орбиты, при заклинивании троса в процессе развёртывания, обрыве троса, намотке троса на КА.
Актуальность работы обусловлена необходимостью обеспечения безопасности базового КА и спускаемого груза при осуществлении операции доставки груза с орбиты с использованием КТС. Система доставки является вспомогательной, и ее функционирование и возможные нештатные ситуации не должны препятствовать выполнению других задач, выполняемых на базовом КА. Важно заранее оценить возможные последствия нештатных ситуаций и принять необходимые меры для предотвращения их возникновения.
Целью работы является построение и выбор математических моделей и исследование на их основе нештатных режимов работы транспортных КТС, предназначенных для доставки полезной нагрузки на Землю.
К основным методам исследования, используемым в работе, относятся общие методы классической механики, методы хаотической динамики и элементы компьютерного моделирования.
Научная новизна работы состоит в следующем:
-
Для начального этапа развёртывания предложен алгоритм моделирования заклинивания невесомого упругого троса с учетом коэффициента восстановления и выявлены опасные временные промежутки заклинивания. Под коэффициентом восстановления понимается отношение модуля скорости груза после заклинивания к модулю скорости до заклинивания.
-
Разработана методика исследования последствий заклинивания троса в зависимости от массово-инерционных параметров транспортной КТС.
-
Изучено влияния заклинивания троса на движение системы при динамическом развёртывании весомого упругого троса на основе многоточечной модели КТС. На интервале развёртывания выделены характерные временные зоны для последствий заклинивания, соответствующие соударению груза и КА, намотки троса, безопасных отскоков груза без столкновения с КА.
4. Для радиальной КТС на основе метода Пуанкаре исследованы
хаотические режимы движения КА при малых колебаниях троса в
окрестности устойчивого вертикального положения в случаях натянутого
и свободного (ненатянутого) тросов.
Практическая ценность работы заключается в возможности использования полученных результатов для выбора массово-инерционных характеристик груза и КА, материала для изготовления троса, для определения условий безопасной ориентации КА. Представленные результаты позволяют осуществлять анализ последствий нештатных ситуаций и выдать рекомендации по их исключению.
Теоретическая значимость работы. Полученные в работе результаты являются развитием элементов теории возмущенного движения многомерных динамических систем для важных прикладных задач.
Апробация результатов, полученных в работе, осуществлялась на различных конференциях: Всероссийском конкурсе научно-исследовательских работ студентов и аспирантов в области математических наук (Ульяновск, 2012); Всероссийском семинаре. Аналитическая механика, устойчивость и управление движением (Ульяновск, 2010); XXXIV Самарской областной студенческой научной конференции (Самара, 2008).
Результаты исследований вошли в научно-технические отчеты по проекту Российского фонда фундаментальных исследований 12-01-31114 мол-а «Динамика космических тросовых систем, предназначенных для выполнения транспортных операций на орбите» и 12-01-00317-а «Динамика возмущенного орбитального движения систем твердых тел».
Достоверность результатов обеспечивается корректностью математической постановки задачи и строгостью применяемых методов решения.
Публикации. Автором опубликовано 7 научных работ по теме диссертации, 4 из которых в журналах из списка, рекомендованного Высшей аттестационной комиссией: «Известия Самарского научного центра РАН», «Известия Саратовского университета», «Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. СП. Королева», электронный журнал «Труды МАИ».
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из ПО наименований. Общий объем диссертации составляет 113 страниц.
