Динамика космической тросовой системы для доставки полезной нагрузки на землю

• Автор: Стратилатов, Николай Ремирович
• Шифр специальности: 01.02.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Самара
• Количество страниц: 124 с. : ил.

Содержание
Введение
1 Динамика тросовых систем для доставки полезной нагрузки на Землю
1.1 Космические тросовые системы
1.2 Тросовые системы для доставки груза с орбиты
1.3 Эксперимент "Фотон-М" №3 - УЕ82"
1.4 Задачи исследования динамики
2 Плоская модель космической тросовой системы
2.1 Общие положения
2.2 Уравнения движения космического аппарата
2.3 Уравнения движения груза
2.4 Уравнения движения груза в связанной системе координат
3 Многоточечная пространственная модель космической тросовой
системы
3.1 Особенности уравнения гибкой нити.
Нелинейная модель с распределёнными параметрами
3.2 Обоснование введения дискретной модели троса
3.3 Взаимодействие отдельного элемента троса с атмосферой
3.4 Уравнения движения точечных масс системы
3.5 Дискретизация процесса выпуска троса
3.6 Алгоритм численной реализации процесса развёртывания
3.7 Моделирование движения космической тросовой системы на
примере эксперимента УЕ
3.8 Оценка влияния числа точечных масс
3.9 Оценка влияния атмосферы
4 Движение космического аппарата относительно центра масс под
действием силы натяжения троса
4.1 Уравнения плоских колебаний КА с тросом
4.2 Приближённо-аналитические решения

4.3 Приближённо-аналитические решения для случая
малых колебаний КА
4.4 Развёртывание тросовой системы и уровень микроускорений
на борту КА
4.5 Результаты численного моделирования
4.6 Движение КА с тросом с учётом штатной работы системы
управления движением
5. Нештатные ситуации при развертывании троса
5.1 Классификация нештатных ситуаций
5.2 Начальные условия отделения груза и возможность появления нештатных ситуаций
5.3 Заклинивание троса
5.4 Нештатные ситуации при отказе системы управления
движением КА
Заключение
Список использованных источников

Введение
Для доставки груза с орбиты на поверхность планет традиционно используются спускаемые аппараты и капсулы, переводимые на орбиту спуска с помощью реактивных двигателей. В последние десятилетия активно ведутся работы по созданию альтернативной схемы доставки груза с использованием космических тросовых систем (КТС), состоящих из космического аппарата (КА), троса и спускаемой (возвращаемой) капсулы с полезной нагрузкой (груз). Главным достоинством этой схемы является снижение стоимости осуществления маневра за счёт отказа от использования реактивного топлива, например [1,2].
Суть транспортной операции доставки груза с орбиты с помощью тросовой системы качественно можно описать следующим образом. С находящегося на орбите КА на гибком тросе в вертикальном направлении с некоторой скоростью выпускается груз. Под действием кориолисовой силы он отклоняется от местной вертикали в сторону направления движения КА. По мере увеличения длины троса высота груза над поверхностью Земли будет уменьшаться, а гравитационное ускорение, действующее на груз, будет увеличиваться по сравнению с аналогичным ускорением, действующим на КА. За счёт этого груз совершит возвратное движение. Находясь в окрестности местной вертикали КА, груз будет иметь скорость меньшую, чем скорость КА. Другими словами, за счёт возвратного движения груз получит отрицательное приращение к орбитальной скорости, эквивалентное тормозному импульсу. Если на этом этапе разорвать трос, то груз по определенной траектории совершит спуск в атмосферу.
Описанная транспортная операция была реализована в 2007 году в рамках российско-европейского эксперимента "Young Engineers’ Satellite 2 — YES2" [3]*. Со спутника "Фотон-М" N3, движущегося на высоте порядка 250 км, отделялась капсула, установленная на нём и скрепленная с ним
* - Здесь и далее звездочкой отмечаются работы автора.

например, можно перевести систему в фазу удерживания еще на подлете к области десантирования.
Вслед за удерживанием наступает фаза быстрого развертывания, целью которой является отклонение троса на максимально возможный угол от местной вертикали. Затем наступает фаза возвратного движения, в завершении которой происходит обрезание троса и груз переходит на баллистическую траекторию возврата.
1.3 Эксперимент "Фотон-М" №3 - YES2"
Описанная выше схема динамического развертывания троса была использована в рамках эксперимента Фотон-M-Fotino, целью которого была доставка капсулы Fotino из космоса на Землю с помощью космического троса. На спутник "Фотон-М" №3 был установлен модуль YES2 [3, 99], в состав которого входили три компонента (рисунок 1.11):
• FOTINO - сферическая возвращаемая капсула, имеющая теплозащитный слой, парашютную систему и радиомаяк.
• MASS - вспомогательная механическая и измерительная система, содержащая передатчик и вспомогательное научное оборудование;
• FLOYD - расположенный на "Фотон-М" №3 компонент, содержащий трос и управляющую электронику.
FLOYD MASS Fotino
Рисунок 1.11— Элементы YES-2.