Исследование траекторного движения и оптимизация режимов управления при уводе космических объектов с орбиты

Авторы

Кульков В. М.^*, Егоров Ю. Г.^**, Фирсюк С. О.^***

Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), 125993, г. Москва, Волоколамское шоссе, д. 4

*e-mail: vmk_1@mail.ru
**e-mail: yuyeg@mail.ru
***e-mail: iskramai@gmail.com

Аннотация

Статья посвящена актуальной проблеме обеспечения безопасности космической деятельности ввиду засорения околоземного космического пространства космическим мусором (КМ). Представлены методические подходы, а также некоторые результаты исследований в области траекторного движения при использовании различных систем активного удаления КМ. Подробно рассмотрены бесконтактные способы увода КМ с орбиты воздействием ионного пучка, как перспективное направление создания безопасных и надежных систем удаления КМ. 
Рассмотрены методические основы расчета перелетов космического аппарат (КА) с использованием двигателей малой тяги, включая методики оптимизации траектории движения и режимов управления вектором тяги электроракетного двигателя (ЭРД) при уводе КА с орбиты. Представлен сравнительный анализ и показаны области применения как контактных, так и бесконтактных средств увода космического мусора с орбиты.

Ключевые слова:

космический мусор, контактные и бесконтактные способы, воздействие ионного пучка, увод с орбиты, оптимизация траектории движения, время транспортировки, расход рабочего тела, режимы управления

Список источников

1.  Пикалов Р.С., Юдинцев В.В. Обзор и выбор средств увода крупногабаритного космического мусора // Труды МАИ. 2018. № 100. DOI: 10.34759/trd-2019-109-1
2.  Ledkov A.S., Aslanov V. Review of contact and contactless active space debris removal approaches // Progress in Aerospace Sciences. 2022. Vol. 134: 100858. DOI: 10.1016/j.paerosci.2022.100858
3.  Obukhov V.A., Kirillov V.A., Petukhov V.G., et al. Problematic Issues of Spacecraft Development for Contactless Removal of Space Debris by Ion Beam // Acta Astronautica. 2021. Vol. 181. No. 3, pp. 569-578. DOI: 10.1016/j.actaastro.2021.01.043
4.  Obukhov V.A., Kirillov V.A., Petukhov V.G., et al. Control of a Service Satellite During Its Mission on Space Debris Removal from Orbits with High Inclination by Implementation of an Ion Beam Method // Acta Astronautica. 2022. Vol. 194, pp. 390–400. DOI: 10.1016/j.actaastro.2021.09.041
5.  Kulkov V.M., Markin N.N., Egorov Yu.G. Issues of controlling the motion of a space object by the impact of the ion beam // IOP Conference Series Materials Science and Engineering.  2020. Vol. 927. No. 1: 012051. DOI: 10.1088/1757-899X/927/1/012051
6.  Марахтанов М.К., Пильников А.В. О возможности применения солнечной электрореактивной двигательной установки на низкоорбитальных малых космических аппаратах // Вестник Московского авиационного института. 2017. Т. 24. № 4. С. 26-39.
7.  Кульков В.М., Юн С.У., Фирсюк С.О. Метод управления движением малых космических аппаратов с использованием надувных тормозных устройств для торможения при орбитальном полете до входа в атмосферу // Вестник Московского авиационного института. 2020. Т. 27. № 3. С. 23-36. DOI: 10.34759/vst-2020-3-23-36
8.  Bombardelli C., Pelaez J. Ion Beam Shepherd for Contactless Space Debris Removal // Journal of Guidance, Control and Dynamics. 2011. Vol. 34. No. 3, pp. 916–920. DOI: 10.2514/1.51832 
9.  Bombardelli C., Urrutxua H., Merino M., et al. Relative dynamics and control of an ion beam shepherd satellite // Advances in the Astronautical Sciences. 2012. Vol. 143, pp. 2145-2158. 
10.  Khoroshylov S.V. Relative control of an ion beam shepherd satellite in eccentric orbits // Acta Astronautica. 2020. Vol. 176, pp. 89–98. DOI: 10.1016/j.actaastro.2020.06.027
11.  Рязанов В.В. Управление движением космического аппарата при бесконтактном уводе космического мусора // Труды МАИ. 2019. № 107. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=107837
12.  Кульков В.М., Фирсюк С.О., Егоров Ю.Г. и др. Исследование динамики движения и моделирование режимов управления при бесконтактной транспортировке космического объекта под действием ионного пучка // Материалы XXII Международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (ВМСППС’2021; 4–13 сентября 2021; Алушта). М.: Изд-во МАИ, 2021. С. 616-618.
13.  Alpatov A., Khoroshylov S., Bombardelli C. Relative control of an ion beam shepherd satellite using the impulse compensation thruster // Acta Astronautica. 2018. Vol. 151, pp. 543–554. DOI: 10.1016/j.actaastro.2018.06.056
14.  Cichocki F., Merino M., Ahedo E. Spacecraft-plasma-debris interaction in an ion beam shepherd mission // Acta Astronautica. 2018. Vol. 146, pp. 216–227. DOI: 10.1016/j.actaastro.2018.02.030
15.  Kulkov V.M., Egorov Yu.G., Firsyuk S.O. Study of the Force Impact on the Surface of a Space Debris Object during Its Noncontact Removal from Orbit // Journal of Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques. 2025. Vol. 19. No. 2, pp. 390–398. DOI: 10.1134/S1027451025700570
16.  Константинов М.С., Каменков Е.Ф., Перелыгин Б.П. и др.  Механика космического полета / Под ред. В.П. Мишина. М.: Машиностроение, 1989. 408 с.
17.   ГОСТ Р 25645.166-2004. Атмосфера Земли верхняя. Модель плотности для проектных баллистических расчетов искусственных спутников Земли. М.: Изд-во стандартов, 2004. 28 с.
18.  Петухов В.Г. Оптимизация многовитковых перелетов между некомпланарными эллиптическими орбитами // Космические исследования. 2004. Т. 42. № 3. С. 260–279.
19.  Петухов В.Г. Оптимизация межпланетных траекторий космических аппаратов с идеально-регулируемым двигателем методом продолжения // Космические исследования. 2008. Т. 46. № 3. С. 224–237.
20.  Petukhov V.G. Homotopic Approach to Low-Thrust Trajectory Optimization: Numerical Technique and Tools // 4th International Conference on Astrodynamics Tools and Techniques(3–6 May 2010; Madrid, Spain). 
21. Попов Г.А., Кульков В.М., Петухов В.Г. и др. Космическая платформа с электроракетной двигательной установкой в сочетании с ракетой-носителем воздушного старта // Результаты фундаментальных исследований в прикладных задачах авиастроения: Сборник статей. М.: Наука, 2016. С. 175-186.