Автореферат (Математическое моделирование переориентации орбитального космического аппарата со сферическим солнечным парусом)

На правах рукописиФедоренко Алексей НиколаевичМАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЕРЕОРИЕНТАЦИИОРБИТАЛЬНОГО КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА СО СФЕРИЧЕСКИМСОЛНЕЧНЫМ ПАРУСОМСпециальность 05.13.18 –Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ(технические науки)АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква - 2014 г.Работа выполнена в федеральном государственном автономномобразовательном учреждении высшего профессионального образования«Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»Научный руководитель:Чумаченко Евгений Николаевич,доктор технических наук, профессор,заведующий кафедрой механики иматематического моделирования Национальногоисследовательского университета «Высшая школаэкономики»Официальные оппоненты: Зуев Владимир Васильевич, докторфизико-математических наук, заведующийкафедрой прикладной математики и механикиФГБОУ ВПО «Московский государственныйуниверситет приборостроения и информатики»Щекутьев Александр Федорович, кандидаттехнических наук, ведущий научный сотрудникФГУП Центральный научно-исследовательскийинститут машиностроения (ЦНИИмаш)Ведущая организация:ФГБОУ ВПО «Московский государственныйуниверситет имени М.В.

Ломоносова»Защита состоится 18 сентября 2014 года в 14.00 на заседании диссертационногосовета Д 212.048.09, созданного в «Национальном исследовательскомуниверситете «Высшая школа экономики», по адресу: 105187, г. Москва,ул. Кирпичная, д.33, ауд.503.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национальногоисследовательского университета «Высшая школа экономики» по адресу:101000, Москва, ул. Мясницкая, д.20, и на сайте http://www.hse.ru/sci/diss/Автореферат разослан «Ученый секретарьдиссертационного совета,д.

т. н., профессор» июля 2014г.Назаров Станислав Викторович2Общая характеристика работыАктуальность работы. Для современных проектов солнечных парусовособый интерес представляет использование поверхностей, отдельные участкикоторыхвразныххарактеристиками.режимахБлагодаряобладаютразнымиможнорегулироватьэтомуотражающимидавлениенаразличные участки паруса, и появляется возможность управлять ориентациейкосмических аппаратов (КА). В мембрану первого плоского солнечного парусаIkaros, запущенного в 2010 году, уже было встроено несколько вставок изжидкокристаллических пленок, которым можно было задавать прозрачное илинепрозрачное состояние. Эти вставки образовывали систему вспомогательногоуправленияориентациейпаруса,котораяоправдалаожиданияэкспериментаторов.

Многие проекты неплоских солнечных парусов имеютбольшую перспективу из-за удобства способа разворачивания мембраны ивысокой управляемости. В диссертационной работе в качестве варианта парусапредложена оригинальная конструкция, состоящая из шести скрепленныхмежду собой сферических парусов, разбитых на участки с изменяемымиотражающими свойствами. Форма сферы выбрана в связи с тем, что онахорошо подходит для раскрытия мембраны раздуванием.В литературе по тематике плоских солнечных парусов широкоиспользуется модель для силы, учитывающая два способа отражения света отповерхности плоского паруса, а также поглощение энергии с последующимпереизлучением (C.R.

McInnes). Эта модель была обобщена для паруса спроизвольными формами поверхностей, задаваемых аналитически (L. RiosReyes, D. J. Scheeres). Рассматриваемый в диссертации солнечный парус изшести сфер с изменяемыми оптическими параметрами является примером,когда возникают несколько новых задач, связанных с определением ипостроением действующих на парус возмущений. Необходимо обеспечитьвозможностьразбиенияповерхностинабольшоечислоучастковспеременными отражающими характеристиками, что предполагает оперативную3обработку возмущений от каждого участка для построения результирующеговоздействия на КА. Также требуется отслеживать и прогнозировать затенениеучастков паруса другими частями конструкции в процессе переориентации КА.Объектом исследования диссертации являются солнечные паруса спеременными отражающими характеристиками, используемые для управленияориентацией КА.Предметомисследованияявляетсяматематическаямодельпредложенного солнечного паруса, построение которой требуется дляопределения результирующего вращающего возмущения и создания системыуправления ориентацией КА.Цель работы заключалась в построении и исследовании математическоймодели предлагаемого солнечного паруса из шести сфер, которая бы учитывалаего особенности и условия эксплуатации.

Анализ результатов, полученных наоснове модели, позволяет сделать оценку об эффективности этого паруса ицелесообразности его применения.Научная новизна.Системы управления ориентацией объекта сиспользованием эффекта давления солнечного излучения применялись ранее внекоторых космических миссиях для стабилизации КА за счет воздействиясветового давления на панели солнечных батарей или поверхности плоскихсолнечных парусов.

Однако при этом многообразие возможных достижимыхориентаций (поворотов вокруг центра масс) не охватывало полностьюмножествовсехнеобходимыхположенийориентации(присутствовали“мертвые зоны”), либо для переориентации КА применялись другиедополнительныемеханизмыпомимосолнечногопаруса(двигательныеустановки ориентации, гиродины). В диссертации получены следующие новыерезультаты, развивающие идеи использования солнечных парусов дляуправления переориентацией КА:1. Построена математическая модель солнечного паруса оригинальнойконструкциисиспользованиемповерхностей4сферическойформы,обеспечивающего полную управляемость ориентацией КА исключительно засчет использования давления солнечного излучения при любом начальномнаправлении Объект-Солнце по отношению к системе координат, связанной сКА.2.

Построеныколичестваипротестированыучастковпарусавалгоритмырежимыпереключенияотражения,большогопоглощенияспереизлучением, или пропускания света для регулирования давления света наповерхность и создания вращающего момента.3. Разработан комплекс программ, реализующий алгоритмы и численныеметоды, необходимые при моделировании движения объекта с солнечнымпарусом. Вычислительный модуль комплекса программ проводит построениевращательных воздействий на КА со стороны пикселей солнечного паруса,выполняет численное интегрирование уравнений движения объекта вокругцентра масс под воздействием вращательных моментов от паруса, оцениваетразмеры солнечного паруса, требуемого для конкретной миссии на орбите взависимостиотбольшогоколичествапараметров(моментовинерцииконструкции, оптических коэффициентов поверхности, высоты орбиты и т.д.).4.

Получены оценки: характерных размеров паруса в зависимости от ряда параметров миссии КА; времени, необходимого на переориентацию; точности построения ориентации; потребнойпамятиипроизводительностибортовойвычислительнойсистемы, осуществляющей управление предлагаемым солнечным парусом.Научная и практическая ценность работы. Полученные в работерезультатыподтверждаютвозможностьосуществленияпроектасрассматриваемой конструкцией паруса, дают обоснование его перспективности.Разработанныйпрограммныйкомплексимитационногомоделированиядвижения КА вокруг центра масс под действием солнечного паруса пригодендля прогнозирования движения, анализа поведения и управления движением5перспективных реальных КА, в первую очередь, научного и народнохозяйственного назначения. Получили внедрение и используются в «НПОим.

С.А. Лавочкина» следующие результаты диссертационной работы: Разработанная математическая модель солнечного паруса с переменнымиотражающими характеристиками; Разработанные алгоритмы переключения пикселей для стабилизацииобъекта вокруг центра масс.Апробациядиссертации.Результатыдиссертациидокладывалисьавтором на следующих конференциях: VIII Конференция молодых ученых,посвященнаяДню космонавтикии50-летию полетаЮрияГагарина(Москва, 2011), Всероссийская научно-техническая конференция и школамолодых ученых, аспирантов и студентов "Авиакосмические технологии"(Воронеж, 2011 - Москва, 2012), ежегодная Научно-техническая конференциястудентов, аспирантов и молодых ученых МИЭМ (2011-2014), IX Конференциямолодых ученых, посвященная Дню космонавтики (Москва, 2012), 2-ямеждународнаянаучно-практическаяконференция“Инновационныеинформационные технологии” (Прага, 2013), Международная конференция“International Astronautical Congress” (Пекин, 2013).Результаты работы обсуждались на семинарах кафедры Механики иматематического моделирования НИУ ВШЭ под руководством профессораЧумаченко Е.Н.Публикации.

По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ.Среди них 4 печатных работы, опубликованные в журналах, включенных вПеречень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий ВАК [1–4].Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, обзоралитературы, 4 глав, основных выводов, списка источников литературы иприложения. Общий объем диссертации 123 страницы, 59 иллюстраций, 4таблицы и список литературы из 46 наименований.6Содержание работыВ обзоре литературы раскрывается вопрос актуальности исследования.Кратко описаны уже осуществленные проекты с использованием солнечногодавления и непосредственно солнечных парусов.

Даны предварительныеоценки эффективности парусов в перспективных космических миссиях.В первой главе диссертации приведены распространенные модели дляопределения действующей на солнечный парус силы. Для достаточно большогорасстояния r до Солнца r  RS  давление определяется по формулеPr  I 0  RS 2  ,c  r (1)где RS радиус солнца, c скорость света, I 0 удельная интенсивность солнечногоизлучения.