Храмов Д.А. Динамика спутника с тросовой системой гравитационной стабилизации. — Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.07.09 – динамика, баллистика и управление полетом летательных аппаратов. DOI:10.13140/RG.2.2.24534.65601

Автореферат: на украинском языке; на русском языке (предварительная редакция).

Диссертация посвящена определению закономерностей динамики спутника с тросовой системой гравитационной стабилизации в окрестности радиального положения равновесия и оценке на этой основе возможностей применения системы. Выделен новый класс систем гравитационной стабилизации спутников — системы, использующие гибкие связи и показано, что такие системы представляют собой перспективное направление космонавтики, находящееся на стыке традиционных задач стабилизации спутников и задач исследования динамики и стабилизации движения космических тросовых систем. Показано, что одной из основных проблем создания тросовых систем гравитационной стабилизации является малая изгибная жесткость нити и связанная с этим невозможность передачи через нить моментов сил, в том числе и демпфирующих. Одним из путей решения этой проблемы является использование специальных устройств крепления троса к космическому аппарату. Построена математическая модель динамики спутника с тросовой системой гравитационной стабилизации как системы твердых тел с шарнирными и упругими соединениями. Выполнен анализ динамики спутника с тросовой системой гравитационной стабилизации в окрестности радиального положения равновесия и построены аналитические зависимости частот колебаний системы от ее параметров. Показано, что собственные частоты системы можно соотнести с такими парциальными частотами как частота колебаний спутника относительно шарнирной точки, частота колебаний приставки относительно шарнирной точки, частота маятниковых колебаний системы в целом как твердого тела, частота продольных упругих колебаний и частота колебаний стабилизирующего груза относительно точки привязи. Проведенный анализ позволяет в случае необходимости целенаправленно изменять схему системы стабилизации. Разработана методика выбора конструктивных параметров тросовой системы гравитационной стабилизации, включающая в себя: построение аналитических зависимостей частот колебаний системы от ее конструктивных параметров; выделение наиболее существенно влияющих параметров и областей их изменения; численную оптимизацию параметров; определение влияния изменений параметров на динамику системы. Методика позволяет выбирать параметры, обеспечивающие минимальную длительность переходных процессов с учетом технической реализуемости параметров, влияния конструктивных и технологических погрешностей. Разработан комплекс программ для исследования динамики рассматриваемой системы. Основной отличительной особенностью комплекса является сочетание в нем программ для аналитических и численных расчетов. Определены условия, обеспечивающие скорейшее затухание переходных процессов в системе. Показано, что оптимальные по быстродействию переходные процессы стабилизации соответствуют следующим резонансам частот колебаний: между колебаниями спутника и маятниковыми колебаниями системы; между продольными и маятниковыми колебаниями; между колебаниями спутника, продольными и маятниковыми колебаниями. Показано, что наиболее перспективным для использования в тросовых системах стабилизации является случай, когда конструктивные параметры системы подобраны так, что обеспечивается резонанс между колебаниями спутника и маятниковыми колебаниями системы. Показано, что два других резонанса в рассматриваемой системе достигаются при весьма низкой жесткости связи. Построены оценки влияния конструктивных параметров системы на длительность переходных процессов, в частности, оценки влияния неточности задания параметров. Построены модели и проведены оценки влияния на точность стабилизации углового движения спутника с тросовой системой гравитационной стабилизации различных возмущающих факторов, в том числе аэродинамических, электромагнитных, солнечного давления, отклонения орбиты от круговой. Построены оценки влияния длины и диаметра тросового соединения на величину аэродинамического момента. На основе сравнительного анализа влияния аэродинамических моментов на движение спутника с тросовой системой гравитационной стабилизации и спутника с гравитационной штангой показано, что использование тросовой системы позволяет значительно ослабить влияние аэродинамических моментов на отклонение системы от положения равновесия.

Публикации

Аннотированный список публикаций по теме диссертации. Полные тексты находятся здесь.

  1. Пироженко А.В., Храмов Д.А. Схема гравитационной стабилизации космической тросовой системы со сферическим шарниром // Техническая механика. — 2001. — № 1. — С. 136–148.
    Предложена схема гравитационной стабилизации космической тросовой системы с использованием шарнирного соединения. Рассмотрены возможности использования данной схемы для гравитационной стабилизации низкоорбитальных спутников. На основании классических теорем механики выведены уравнения движения, имеющие компактную форму и позволяющие построить эффективные алгоритмы расчета динамики. Проведены сравнительные расчеты движения КТС и КТС с шарниром. Первая статья по теме. Содержит описки в формулах.

  2. Пироженко А.В., Храмов Д.А. Анализ частот колебаний космической тросовой системы со сферическим шарниром // Техническая механика. — 2004. — № 1. — С. 110–118.
    Проведен анализ собственных частот колебаний космической тросовой системы со сферическим шарниром. Установлены зависимости собственных частот системы от ее параметров в плоском случае, что позволяет не только предсказывать поведение системы в различных ситуациях, но и, в случае необходимости, целенаправленно изменять саму схему рассматриваемой системы.

  3. Храмов Д.А. Использование пакета символьных вычислений Maple для моделирования динамики космической тросовой системы со сферическим шарниром // Системные технологии. — 2004. — № 3 (32). — С. 110–116.

  4. Алпатов А.П., Пироженко А.В., Храмов Д.А. Резонанс тросовой системы гравитационной стабилизации спутника // Технічна механіка. — 2005. — № 2. — С. 90–98.
    Рассмотрена динамика спутника с тросовой системой гравитационной стабилизации в окрестности резонанса между колебаниями спутника и маятниковыми колебаниями системы в целом. Определена максимальная степень устойчивости системы и исследовано влияние изменения параметров на динамику системы в окрестности резонанса. Проведен анализ преимуществ практического использования рассматриваемого резонанса для стабилизации движения спутника.

  5. Храмов Д.А. Гравитационная стабилизация космических аппаратов с использованием гибких связей // Вісник Дніпропетровського університету. Серія “Ракетно-космічна техніка”. — 2005. — № 8. — С. 16–22.
    Рассмотрены схемы, проблемы создания и варианты реализации систем гравитационной стабилизации с гибкими связями, а также тесно связанные с развитием таких систем вопросы гравитационной стабилизации космических тросовых систем. Анализируются тенденции и перспективы развития рассматриваемого класса систем, в частности, возможности их использования для создания высокоточных систем ориентации и стабилизации космических аппаратов.

  6. Храмов Д.А. Пассивные системы гравитационной стабилизации космических аппаратов. — Днепропетровск, 2005. — 11 с. (Препр./НАН Украины, Ин-т технической механики; 2005 – 5). Более полный обзор, по сравнению с [5].

  7. Alpatov A.P., Khramov D.A., Pirozhenko A.V., Voloshenjuk O.L. Stabilization of motion of a space tethered systems with usage of special attachment devices of a tether // Тезисы докладов VIII Международной конференции “Устойчивость, управление и динамика твердого тела” (3–7 сентября 2002 г.). — Донецк: ИПММ НАНУ. — 2002. — C. 43–44.

  8. Алпатов А.П., Пироженко А.В., Храмов Д.А. Схема гравитационной стабилизации космической тросовой системы со сферическим шарниром // Тези доповідей ІIІ Всеукраїнської молодіжної науково-практичної конференції “Людина і космос”, м. Дніпропетровськ. — Днепропетровск: НЦАОМУ. — 2001. — C. 62.

  9. Алпатов А.П., Пироженко А.В., Храмов Д.А. Задачи оптимизации параметров космической тросовой системы со сферическим шарниром // Тезисы докладов Международной конференции “Классические задачи динамики твердого тела”. — Донецк: ИПММ НАНУ. — 2004. — C. 20.

  10. Храмов Д.А. Анализ собственных частот колебаний космической тросовой системы со сферическим шарниром // Тези доповідей VI Всеукраїнської молодіжної науково-практичної конференції “Людина і космос”, м. Дніпропетровськ. — Днепропетровск: НЦАОМУ. — 2004. — C. 122.

  11. Алпатов А.П., Пироженко А.В., Храмов Д.А. Оптимизация параметров космической тросовой системы со сферическим шарниром // Тези доповідей VІI Всеукраїнської молодіжної науково-практичної конференції “Людина і космос”, м. Дніпропетровськ. — Днепропетровск: НЦАОМУ. — 2005. — C. 124.

  12. Алпатов А.П., Пироженко А.В., Храмов Д.А. Задачи исследования динамики сверхпротяженных космических тросовых систем // Тезисы докладов IX Международной конференции “Устойчивость, управление и динамика твердого тела” (1–6 сентября 2005 года). — Донецк: ИПММ НАНУ. — 2005. — C. 70–71.

  13. Пироженко А.В., Храмов Д.А. Исследование резонанса “спутник-маятник” тросовой системы гравитационной стабилизации спутника // Тезисы докладов IX Международной конференции “Устойчивость, управление и динамика твердого тела” (1–6 сентября 2005 года). — Донецк: ИПММ НАНУ. — 2005. — C. 88.

  14. Пироженко А.В., Храмов Д.А. Резонансы в угловом движении спутника с тросовой системой гравитационной стабилизации // Международная конференция “Классические задачи динамики твердого тела” Донецк, 9–13 июня 2007 г.

Литература по системам гравитационной стабилизации и космическим тросовым системам

Охоцимский Д.Е., Сарычев В.А. Система гравитационной стабилизации искусственных спутников // Искусственные спутники Земли. № 16 — М.: Изд. АН СССР, 1963. — С. 5-9. — едва ли не первая публикация по данной теме.

Сарычев В.А. Исследование динамики системы гравитационной стабилизации.

Сарычев В.А. Влияние сопротивления атмосферы на систему гравитационной стабилизации искусственных спутников Земли.

Андриенко А.Я., Чадаев А.И. Анализ возможностей усиленно-гравитационной стабилизации низкоорбитальных спутников // Космические исследования. — 1998. — Т. 36, N 4. — С. 391–398. — введена система "усиленно-гравитационной стабилизации": к концу жесткой штанги привязывается длинная нить, а уже к нити — стабилизирующий груз.

Дигнат Ф., Шилен В. Управление колебаниями орбитальной тросовой системы // Прикладная математика и механика — 2000 — Т. 64, вып. 5 — С.747—754.. Предлагается подход к введению демпфирования колебаний конструкций с использованием техники оптимизации и приложением к орбитальной тросовой системе. Эта система моделируется символьными уравнениями динамики системы многих тел, элементы которой испытывают большие деформационные смещения, вследствие чего необходимы механизмы демпфирования, активного или пассивного. Оптимизация проводится по скорости демпфирования колебаний конструкции. Активное демпфирование обеспечивается управляемым звеном (лебедкой троса), расположенным между основным телом и тросом. В качестве критерия качества используется потеря энергии в системе. Сложная динамика движения такой системы продемонстрирована расчетами при различных начальных данных с учетом колебаний конструкции. Показано, что оптимизация позволяет улучшить значения параметров управления по отношению к диссипации энергии продольных колебаний троса.



Комментарии

comments powered by Disqus