Расчет бортовых микроускорений при пассивном полете КА, представленного системой жестко связанных материальных точек

全文:

Обоснование. Исследование микроускорений на борту космического аппарата (КА) позволяет решать задачи:

1. фундаментального характера: исследование магнитного поля Земли путем сопоставления показателей магнитометров и данных о бортовых микроускорениях, исследование роста тканей биообразцов в различных участках КА;
2. прикладного характера: выращивание кристаллов благодаря контролю микроускорений и их гашению, затвердевание сплавов в слитки с неизменными по всему объему свойствами;
3. навигационного характера: исследование работы системы управления движением, а также управление ей на основе данных о микрогравитационной обстановке на борту.

Также изучение микроускорений может быть полезно в контексте исследования необходимых границ точности работы систем управления движением на космический аппарат дистанционного зондирования Земли.

Цель — подготовить основу для разработки универсальной вычислительной модели оценки бортовых микроускорений. Представленная модель может стать методологической основой для создания в дальнейшем программного комплекса, предназначенного для оценки микрогравитационной обстановки на борту КА с произвольной конструкцией.

Методы. Модель представляет космический аппарат как набор материальных точек, жестко связанных друг с другом. Эта система может быть описана на основе STL-модели КА.

В расчете используется две системы координат. Первая привязана к центру Земли. В нулевой момент времени (по Гринвичу) ее плоскость XOZ проходит через плоскость Гринвичского меридиана, а ось OY дополняет систему до правой. Система не вращается вместе с Землей. Это — абсолютная система координат (СК). Другая СК привязана к центру масс космического аппарата и движется вместе с ним. Ее оси постоянно параллельны осям абсолютной СК. Такая постановка позволяет успешно и относительно просто применять векторные выражения для анализа состояния КА во время полета.

В рамках данной модели предполагается, что мы можем для любой точки с известными координатами и известной скоростью в ней описать вектор всех действующих на точку внешних сил. Назовем его $\overrightarrow{D}$. Он имеет размерность в Ньютонах (сила).

$\overrightarrow{D}\left(\overrightarrow{R_p},\overrightarrow{V_p}\right)=\overrightarrow{A}\left(\overrightarrow{R_p},\overrightarrow{V_p}\right)+\overrightarrow{G}\left(\overrightarrow{R_p}\right)+\overrightarrow{F}$,

где $\overrightarrow{A}$ — вектор аэродинамических возмущений, воздействующих на точку;

$\overrightarrow{G}$ — вектор гравитационных возмущений, воздействующих на точку;

$\overrightarrow{R_p}$ — радиус-вектор точки в абсолютной СК;

$\overrightarrow{V_p}$ — вектор скорости точки в абсолютной СК;

$\overrightarrow{F}$ — иные возмущения, воздействующие на точку.

Родинамические возмущения, воздействующие на точку, могут быть оценены либо через учет полигональной модели, где аэродинамическое усилие от каждой плоскости-полигона будет распределяться по составляющим его точкам, либо через ассоциацию некой площади миделя с поверхностными точками. Последний подход проще, но менее точен.

Результаты. В результате работы реализованного алгоритма были получены оценки изменения бортовых микроускорений для различных точек, составленных по STL-модели (рис. 1).

Рис. 1. Этапы преобразования модели слева направо: твердотельная модель, STL-модель, набор точек

Режим и амплитуда (рис. 2, б), полученные в данном расчете, схожи с экспериментальными данными [1] от КА «Фотон», продемонстрированными ниже (рис. 3).

Рис. 2. Некоторые полученные графики бортовых микроускорений

Рис. 3. Экспериментальные значения бортовых микроускорений для КА «Фотон»

Выводы. Заложена основа для формирования универсального алгоритма оценки микрогравитационной обстановки на борту различных КА. В качестве предварительной оценки точности расчета проведено моделирование обстановки на борту КА, проведено сравнение с экспериментальными данными.

作者简介

编辑信件的主要联系方式.
Email: 2002ss@mail.ru

студент, группа 1507-240501D, институт авиационной и ракетно-космической техники

参考

补充文件

附件文件

动作

1. JATS XML

下载

2. Рис. 1. Этапы преобразования модели слева направо: твердотельная модель, STL-модель, набор точек

下载 (237KB)

索引源数据

3. Рис. 2. Некоторые полученные графики бортовых микроускорений

下载 (321KB)

索引源数据

4. Рис. 3. Экспериментальные значения бортовых микроускорений для КА «Фотон»

下载 (96KB)

索引源数据