Формирование вращающейся электродинамической космической тросовой системы с использованием скользящего режима управления

Аннотация

Рассмотрен процесс перевода во вращение с заданной угловой скоростью электродинамической космической тросовой системы, находящейся на околоземной орбите. Тросовая система представляет собой линейную группировку трех микроспутников, связанных изолированными тросами, проводящими ток. В исходном состоянии система находится вблизи вертикали в режиме гравитационной стабилизации. Система переводится во вращение с помощью электромагнитных сил, возникающих при взаимодействии проводящих ток тросов с магнитным полем Земли. Уравнения движения системы записаны в геоцентрической неподвижной системе координат с учетом распределенной нагрузки от гравитационных и электромагнитных сил. Система движется на достаточно высокой почти круговой орбите, поэтому аэродинамические силы не учитываются. Деформация тросов, которые в рассматриваемой модели представляют собой совокупность материальных точек, связанных упругими односторонними связями, уменьшается регулированием тока. Предложен регулятор тока с обратной связью на основе метода скользящего режима управления. Переменные системы принадлежат поверхности, перемещение по которой обеспечивает асимптотическую устойчивость процесса регулирования. При синтезе параметров регулятора использована упрощенная модель движения системы. Проанализировано угловое движение микроспутников относительно направления тросов в процессе перевода системы во вращение. Эффективность рассматриваемого подхода к формированию вращающейся космической тросовой системы подтверждена численными примерами

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Государственного фонда естественных наук КНР в рамках научных проектов № 21-51-53002 и № 61803307

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Лу Х., Ван Ч., Заболотнов Ю.М. Формирование вращающейся электродинамической космической тросовой системы с использованием скользящего режима управления. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение, 2022, № 2 (141), c. 4--19. DOI: https://doi.org/10.18698/0236-3941-2022-2-4-19

Литература

[1] Bekey I., Penzo P.A. Tether propulsion. Aerosp. Am., 1986, vol. 24, pp. 40--43.

[2] Белецкий В.В., Левин Е.М. Динамика космических тросовых систем. М., Наука, 1990.

[3] Van Pelt M. Space tethers and space elevators. New York, Springer, 2009.

[4] Zhong R., Zhu Z.H. Optimal control of nanosatellite fast deorbit using electrodynamic tether. J. Guid. Control Dyn., 2014, vol. 37, no. 4, pp. 1182--1194. DOI: https://doi.org/10.2514/1.62154

[5] Williams P. Optimal control of electrodynamic tether orbit transfers using timescale separation. J. Guid. Control Dyn., 2010, vol. 33, no. 1, pp. 88--98. DOI: https://doi.org/10.2514/1.45250

[6] Li A., Lu H., Zabolotnov Y. Impact analysis and orbit reboost of payload tossing using spinning electrodynamic tether system. Int. J. Eng. Syst. Model. Simul., 2020, vol. 11, no. 4, pp. 176--185.

[7] Sanmartin J.R., Pelaez J. Tether capture of spacecraft at Neptune. Acta Astronaut., 2020, vol. 177, pp. 906--911. DOI: https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2020.03.024

[8] Ohkawa Y., Kawamoto S., Okumura T., et al. Review of KITE --- electrodynamic tether experiment on the H-II Transfer Vehicle. Acta Astronaut., 2020, vol. 177, pp. 750--758. DOI: https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2020.03.014

[9] Осипов В.Г., Шошунов Н.Л. Космические тросовые системы: история и перспективы. Земля и Вселенная, 1998, № 4, с. 19--29.

[10] Кульков В.М., Егоров Ю.Г., Тузиков С.А. Исследование интегральных энергетических характеристик космической электродинамической тросовой системы для орбитальных экспериментов. Изв. РАН. Энергетика, 2017, № 3, с. 114--127.

[11] Sedwick R.J., Schweighart S.A. Propellantless spin-up of tethered or electromagnetically coupled sparse apertures. Proc. SPIE, 2002, vol. 4849. DOI: https://doi.org/10.1117/12.460559

[12] Cai Z., Li X., Wu Z. Deployment and retrieval of a rotating triangular tethered satellite formation near libration points. Acta Astronaut., 2014, vol. 98, pp. 37--49. DOI: https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2014.01.015

[13] Levin E.M. Dynamic analysis of space tether missions. San Diego, California, AAS, 2007.

[14] Voevodin P.S., Zabolotnov Yu.M. Stabilizing the motion of a low-orbit electrodynamic tether system. J. Comput. Syst. Sc. Int., 2019, vol. 58, no. 2, pp. 270--285. DOI: https://doi.org/10.1134/S1064230719020175

[15] Lu H., Li A., Wang C., et al. Stability analysis and motion control of spinning electrodynamic tether system during transition into spin. Acta Astronaut., 2020, vol. 177, pp. 871--881. DOI: https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2019.11.032

[16] Lu H., Li A., Wang C., et al. Tether deformation of spinning electrodynamic tether system and its suppression with an optimal controller. J. Aerosp. Eng., 2021, vol. 34, no. 2, art. 04021003. DOI: http://dx.doi.org/10.1061/(ASCE)AS.1943-5525.0001233

[17] Ван Ч., Заболотнов Ю.М. Анализ динамики формирования тросовой группировки из трех наноспутников с учетом их движения вокруг центров масс. ПММ, 2021, т. 85, № 1, с. 21--43. DOI: https://doi.org/10.31857/S0032823521010082