Приближенный расчет начальных условий старта космического аппарата с солнечной электроракетной двигательной установкой при перелетах с высокоэллиптической на геостационарную орбиту

Авиационная и ракетно-космическая техника

Динамика, баллистика, управление движением летательных аппаратов

2021. Т. 28. № 1. С. 147-160.

DOI: 10.34759/vst-2021-1-147-160

Авторы

Салмин В. В.*, Петрухина К. В.**, Кветкин А. А.***

Самарский национальный исследовательский университет им. академика С.П. Королева, Московское шоссе, 34, Самара, 443086, Россия

*e-mail: sputnik@ssau.ru
**e-mail: ksusha_10_05@mail.ru
***e-mail: emancipee163@yandex.ru

Аннотация

Рассматривается задача отыскания начальных условий старта космического аппарата, при которых суммарное время пребывания его в тени на участке выведения было бы минимальным. Предлагается модель расчета продолжительности теневых участков орбиты. В качестве математической модели управляемого движения космического аппарата под действием малой реактивной тяги приняты уравнения движения космического аппарата в оскулирующих элементах. Разработан алгоритм решения задачи поиска оптимальных начальных условий перелета. В качестве критерия оптимальности принята суммарная продолжительность пребывания космического аппарата с солнечной электроракетной двигательной установкой в тени Земли на всей траектории многовиткового перелета. В качестве оптимизируемых параметров эллиптической орбиты выбраны следующие: дата старта — аргумент перигея — долгота восходящего узла. Проведены расчеты траекторий перелета космического аппарата с высокоэллиптической на геостационарную орбиту для трех наклонений начальной орбиты, выполненных с варьированием оптимизируемых параметров. На основе результатов моделирования найдены рациональные с точки зрения сокращения времени перелета окна запуска космического аппарата и соответствующие начальные условия орбиты.

Ключевые слова:

теневые участки орбиты, высокоэллиптическая орбита, геостационарная орбита, модель тени, приближенно-оптимальный закон управления, электроракетный двигатель, выведение космического аппарата

Библиографический список

  1. Бирюков В.И., Кургузов А.В. Формирование циклограммы работы энергодвигательной системы перспективного межорбитального транспортного аппарата c электроракетной и жидкостной ступенями // Вестник Московского авиационного института. 2020. Т. 27. № 1. С. 180-190. DOI: 10.34759/vst-2020-1-180-190

  2. Хамиц И.И., Филиппов И.М., Бурылов Л.С. и др. Концепция космической транспортно-энергетической системы на основе солнечного межорбитального электроракетного буксира // Космическая техника и технологии. 2017. № 1(16). С. 32–40.

  3. Булынин Ю.Л., Попов В.В., Яковлев А.В. Результаты баллистического обеспечения запуска на геостационарную орбиту спутника «Экспресс-АМ5» // Системный анализ, управление и навигация: Сборник тезисов докладов XIX Международной научной конференции (29 июня—6 июля 2014; Анапа, Россия). — М.: Изд-во МАИ, 2014. С. 256–262.

  4. Goebel D., Polk J., Sandler I. et al. Evaluation of 25-cm XIPS Thruster Life for Deep Space Mission Application // 31st International Electric Propulsion Conference (20–24 September 2009; University of Michigan, USA). IEPC-2009-152. URL: http://electricrocket.org/IEPC/IEPC-2009-152.pdf

  5. Clark S. Boeing’s first two all-electric satellites ready for launch. 2015. URL: https://spaceflightnow.com/2015/03/01/boeings-first-two-all-electric-satellites-ready-for-launch/

  6. Prakasha A.S., Hegde P. Operational solution for electric propulsion inclusion in a two ton communications satellite // 70th International Astronautical Congress 2019. Paper ID 54029.

  7. Салмин В.В., Петрухина К.В., Кветкин А.А. Расчет приближенно-оптимальных перелетов космического аппарата с двигателями малой тяги с высокоэллиптической на геостационарную орбиту // Космическая техника и технологии. 2019. № 4(27). С. 94–108. DOI: 10.33950/spacetech-2308-7625-2019-4-94-108

  8. Николаичев И.А. Оптимизация многовитковых межорбитальных перелетов с двигателями малой тяги // Вестник Московского авиационного института. 2013. Т. 20. № 5. С. 66-76.

  9. Константинов М.С., Мин Т. Метод оптимизации траектории выведения КА с электроракетной двигательной установкой на ГСО // Вестник Московского авиационного института. 2009. Т. 16. № 5. С. 282-290.

  10. Ghosh P. A survey of the methods available for the design of many-revolution low-thrust planetocentric trajectories // 29th AAS/AIAA Space Flight Mechanics Meeting 2019. AAS 19-297, pp. 395-414.

  11. Yang D., Xu B., Zhang L. Optimal low-thrust spiral trajectories using Lyapunov-based guidance // Acta Astronautica. 2016. Vol. 126, pp. 275-285. DOI: 10.1016/j.actaastro.2016.04.028

  12. Петухов В.Г., Иванюхин А.В., Вук В.С. Совместная оптимизация управления и основных траекторных и проектных параметров межпланетного космического аппарата с электроракетной двигательной установкой // Космические исследования. 2019. Т. 57. № 3. С. 212-228. DOI: 10.1134/S0023420619030075

  13. Салмин В.В. Оптимизация космических перелётов с малой тягой. Проблемы совместного управления траекторным и угловым движением. — М.: Машиностроение, 1987. — 208 с.

  14. Петухов В.Г. Оптимизация многовитковых перелетов между некомпланарными эллиптическими орбитами // Космические исследования. 2004. № 3(42). С. 260-279.

  15. Ishkov S.A., Petrukhina K.V., Salmin V.V. Calculating Launch Windows for Transfers of Solar Powered EP Spacecraft between Low-earth Non-coplanar Circular Orbits // Procedia Engineering. 2017. Vol. 185, pp. 338-344. DOI: 10.1016/j.proeng.2017.03.313

  16. Обухов В.А., Покрышкин А.И., Попов Г.А., Яшина Н.В. Использование маршевой электроракетной двигательной установки для управления ориентацией КА // Вестник Московского авиационного института. 2009. Т. 16. № 3. С. 30-40.

  17. Красильщиков М.Н., Малышев В.В., Федоров А.В. Автономная реализация динамических операций на геостационарной орбите. I. Формализация задачи управления // Известия Российской академии наук. Теория и системы управления. 2015. № 6. С. 82-96. DOI: 10.7868/S0002338815060116

  18. Войсковский А.П., Красильщиков М.Н., Малышев В.В., Федоров А.В. Автономная реализация динамических операций на геостационарной орбите. II. Синтез алгоритмов управления // Известия Российской академии наук. Теория и системы управления. 2016. № 6. С. 107-128. DOI: 10.7868/S0002338816060111

  19. Козорез Д.А., Красильщиков М.Н., Кружков Д.М., Сыпало К.И. Автономная навигация при довыведении космического аппарата на геостационарную орбиту. I. Концепция построения автономной интегрированной навигационной системы // Известия Российской академии наук. Теория и системы управления. 2015. № 5. С. 137-146. DOI: 10.7868/S0002338815050078

  20. Войсковский А.П., Козорез Д.А., Красильщиков М.Н., Кружков Д.М., Сыпало К.И. Автономная навигация при довыведении космического аппарата на геостационарную орбиту. II. Моделирование процессов функционирования интегрированной автономной системы навигации и управления космического аппарата // Известия Российской академии наук. Теория и системы управления. 2016. № 5. С. 107-117. DOI: 10.7868/S0002338816050139

  21. Попович П.Р., Скребушевский Б.С. Баллистическое проектирование космических систем. — М.: Машиностроение, 1987. — 240 с.

  22. Моисеев Н.Н. Элементы теории оптимальных систем. — М.: Наука, 1975. — 528 с.

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 1994-2024