Введение к работе
Финансовые, экологические и другие проблемы, возникавшие при юпользовании орбитальных станций, транспортных кораблей, тяжелых шогоцелевых спутников, заставляют искать дополнительные возмохно-:ти для решения научно-исследовательских и народнохозяйственных іадач в космосе. Один из возможных путей, получивший в последнее іремя достаточно широкое распространение, предусматривает исполь-ювание малых космических аппаратов, характеризующихся массой в от :илограмма до нескольких сотен килограммов, линейными размерами горпуса - до метра и относительно простым составом полезной и слу-себной нагрузки. Аппараты этого класса получили название малые :путники Св зависимости от массы и габаритов эти аппараты могут юдразделяться на малые спутники, миниспутники, иикроспутники и, тогда, наноспутникиЗ. Вывод малых спутников на орбиту осуществляйся в качестве попутного груза носителями средней и большой мощ-юсти типа Ariane и Зенит на специализированной платформе типа ISAP или непосредственно на основном спутнике, на носителях малой ющности типа Pegasus, Старт-1, либо на орбитальных кораблях многоразового использования.
При разработке малых спутников используются современные до-:тижения в области радиоэлектроники, вычислительной техники, мате-зиаловедения, электротехники. Широкое применение находят апробированные технические решения и комплектующие элементы из космонавти-си и других областей науки и техники. Это позволяет резко сократить стоимость, время разработки и создания малых спутников и помісить их надежность. Каждый такой спутник предназначается для ре-гения узкого класса задач. Как правило, это научные и технологиче-зкие эксперименты, не требующие прецезионной ориентации в прост-занстве на длительных интервалах времени и значительного запаса забочего тела или энергии на борту, ретрансляционная связь между сорреспондентами, например, финансовыми центрами, биржами, радио-гобителями, экспедициями, использование в процессе обучения, сбор ! лередача информации с автоматических измерительных пунктов, задачи экологического мониторинга и диагностирования среды вблизи больших космических аппаратов и многое другое. Относительно низкие стоимости малых спутников и их вывода на орбиту позволяют ввести r/блирование наиболее уязвимых частей космического сегмента путем запуска однотипных аппаратов. Этим повышается надежность комплексов, включающих малые спутники.
Одной из основных систем, использумых практически на всех малых спутниках, является система ориентации. Ограничения на их массу, габариты, энергетику диктуют весьма хесткие требования к классу допустимых систем ориентации и управления. Предпочтительными претендентами на их роль являются пассивные и полупассивные системы, которые не требуют наличия потреблявших энергию исполнительных органов, датчиков ориентации и системы управления. Принцип ее действия основан на создании восстанавливавших и демпфирующих моментов размещением на спутнике элементов с заданными физическими характеристиками, путем формирования определенной формы корпуса спутника и его тензора инерции. В пассивной системе ориентации используются взаимодействие спутника или элементов его конструкции с внешними гравитационным и магнитным полями, солнечное световое давление, аэродинамическое сопротивление или свойство быстро закрученного вокруг оси максимального момента инерции твердого тела сохранять неизменную ориентацию оси вращения в инерциальном пространстве. При этом датчики если и присутствуют на спутнике, то используются лишь для контроля за его ориентацией. Хотя с развитием средств вычислительной техники и общей миниатюризацией оборудования, используемого на спутниках, все шире используются в системах ориентации активные элементы .(обычно - это токовые катушки, взаимодействующие с геомагнитным полем, и маховичные системы), тем не менее, пассивные и полупассивные системы получили наибольшее распространение, особенно это касается современных отечественных малых спутников, например, СПС-Спутник СКБМ им. В. П. Макеева), Г10БСАТ СКБ "Салют"), УМКП СВНИИЭМ), Старт-1 СМИТ), Сигнал (НПО "Энергия") и др.
- Диссертационная работа посвящена разработке принципов математического моделирования и построению теории движения спутников, использующих для создания управляющих моментов взаимодействие элементов системы ориентации или конструкции спутника с геомагнитным полем, изучению динамики класса малых спутников, снабженных пассивными и полупассивными системами ориентации указанного типа, рациональному определению конструктивных параметров таких систем.
Вопросам моделирования динамики спутников с пассивными и полупассивными системами ориентации, определению их параметров и разработки конструкции таких систем посвящено достаточно большое количество публикаций, включающие обзоры и монографии, в частности, Д.Е.Охоцимского, Ф.Л.Черноусько, В.А.Сарычева, В.В.Белецкого, А.П.Коваленко, В.И.Боевкина и В.И.Драновского с соавторами и др.,
s работы Ю. А. Садова, В.В.Сазонова, Л.В.Соколова, А. А.Хентова, Н.Л.Пивоварова, Я.М.Яншина, работы зарубежных исследователей R.Fishell, К. Stopfkuchen, R.Kamuller, A. Mager, К. Ninomiya, М. Sweeting и многих других. Здесь упомянуты авторы лишь тех работ, к которым наиболее близка диссертация.
Работа тесно примыкает к известным общетеоретическим и фундаментальным исследованиям движения твердого тела в центральном гравитационном поле, в поле магнитного диполя и в атмосфере под действием восстанавливающего и демпфирующего моментов.
Актуальность проблемы. Необходимость разработки систем ориентации, элементы которых взаимодействуют с геомагнитным полем, как наиболее простых и надежных систем, изучение динамики класса малых спутников, снабжаемых такими системами ориентации, разработка теории движения и методов исследования движений вызваны возрастающей потребностью в небольших дешевых спутниках, способных при современном уровне достижений в области микроэлектроники и материаловедения решать важные практические задачи при относительно невысоких материальных и временных затратах на их разработку, изготовление, вывод на орбиту и эксплуатацию. Отсутствие возможности изменения параметров системы ориентации во время полета предъявляют повышенные требованию к этапу выбору параметров системы ориентации, математическому и полунатурному моделированию динамики спутников и определению их номинальных движений.
Цель работы заключается в разработке принципов математического моделирования и построении теории движения спутников, использующих для создания управляющих моментов взаимодействие элементов системы ориентации или конструкции спутника с геомагнитным полем, выбору параметров конкретных систем ориентации указанного типа, снабженных магнитогистерезисными и основанных на вихревых токах демпфирующими элементами.
Научная новизна. В диссертационной работе предложен метод исследования, позволяющий с единых позиций подойти к анализу динамики спутников и синтезу параметров их систем ориентации. Сформулирован и обоснован метод, позволяющий в определенной области фазового пространства провести единообразное исследование его переходных и установившихся движений с использованием метода усреднения, адаптированного для многочастотных систем обыкновенных дифференциальных уравнений с разрывной правой частью. Получены конечные соотношения, связывающие основные динамические параметры спутников с характеристиками их движения.
Разработан общий подход для рационального выбора параметров рассматриваемого класса систем ориентации, в том числе и с учетом ограничений, накладываемых конструкцией спутника. Рассмотрены три типа систем ориентации, обеспечивавшие движение спутников в наиболее распространенных режимах гравитационной, аэродинамической и магнитной ориентации. Разработана и реализована математическая модель гистерезиса, основанная на магнитомеханической аналогии. Представлены проекты спутников и приведены характеристики систем ориентации, созданных на основе разработанной в работе теории и для анализа динамики которых использованы результаты настоящей работы.
Практическая значимость и приложения. Полученные в работе результаты в виде предложений по конструкции систем ориентации, методик выбора и оптимизации их параметров, программных моделирующих комплексов для ЭВМ, результатов разработки конкретных систем ориентации внедрены в промышленность и были использованы при моделировании динамики и проектировании систем ориентации следующих спутников: Интеркосмос-22 (КБ "Южное"}, Искра-5, МАК-А СМАИ им.Серго Орджоникидзе), Банкир (НПО им.Лавочкина), СПС-Спутник (КБМ им.В.П.Макеева), ГЛОБСАТ (КБ "Салют"), Старт-1 (МИГ), УМКП (НПО ВНИИЭЮ и др. Методические результаты используются при чтении спецкурсов для студентов Московского физико-технического института.
Апробация работы. Основные результаты докладывались на VI и VII Всесоюзных съездах по теоретической и прикладной механики (Ташкент, 1986; Москва, 1991), IV Всесоюзной Четаевской конференции (Звенигород, 1982), VII, XIII, XIV, XVI Научных чтениях по космонавтике (Москва, 1980, 1989, 1990, 1992гг.; Казань, 1990г.), XXI, XXIII. XXIV Научных чтениях К.Э.Циолковского СКалуга, 1986, 1988, 1989гг.), X Научных чтениях Ф.А.Цандера (Рига, 1987г.), VI Всесоюзной конференции по управлению в механических системах (Львов, 1988г.), Школе-семинаре "Разрывные динамические системы" (Киев, 1989г.; Ивано-Франковск, 1990; Ужгород, 1991г.), 2-ой Всесоюзной конференции "Нелинейные колебания механических систем" (Горький, 1990г.), Советско-китайском симпозиуме по космической науке и технологии (Самара, 1992г.), Международных симпозиумах по динамике космического полета (Дариштадт, Германия, 1991; Гринбелт, США, 1993; Санкт-Петербург-Москва, Россия, 1994), Международном симпозиуме по наземному управлению и динамике полета космических аппаратов (Сан-Хосе-дус-Кампус, Бразилия, 1994). 2-ой Международной конференции по управлению спутниками, навигации и системам управ-
юния СНордвик, Голландия, 1994), 2-ом Европейском Симпозиуме по «алым спутникам (Франция, 1994), 45-ом Конгрессе МАФ (Иерусалим, Ьраиль, 1994),
Результаты диссертации обсуждались на семинаре по динамике относительного движения (руководители - проф. В.В.Белецкий, проф. Ю.Ф.Голубев, МТУ), семинаре по аналитической механике (руководите-іи - академик В.В.Румянцев, проф. Ю.А.Архангельский, МГУ), Всероссийском семинаре "Механика и управление движением роботов с элементами искусственного интеллекта" (руководители - академик Ц. Е.Охоцимский, проф. Ю.Ф.Голубев, МГУ), семинаре по динамике твердых тел, взаимодействующих со средой (руководитель - проф. З.А.Самсонов, МГУ), семинаре по теории управления и оптимизации :руководитель - академик Ф.Л.Черноусько, ИПМех РАН), семинаре по теоретической и прикладной механике (руководитель - академик I.Е.Охоцимский, ИМП им.М.В.Келдыша РАН).
Объем работы. Диссертация содержит ^3 {^страниц, в том числе: Эчюстраниц основного текста, і і 2- рисунков, -/2 g наименования дотируемой литературы.