Динамика и управление цилиндрическим космическим мусором при бесконтактной транспортировке ионным потоком


DOI: 10.34759/trd-2023-131-04

Авторы

Ледков А. С.

Самарский национальный исследовательский университет им. академика С.П. Королева, Московское шоссе, 34, Самара, 443086, Россия

e-mail: ledkov@inbox.ru

Аннотация

Космический мусор представляет серьезную угрозу для существующих и вновь выводимых космических аппаратов. Одним из перспективных способов решения этой проблемы является создание систем бесконтактной транспортировки, основанных на использовании ионного потока, генерируемого электрореактивным двигателем активного космического аппарата, для оказания силового воздействия на объект космического мусора. Целью работы является повышение эффективности метода ионной транспортировки космического мусора за счет учета особенностей его движения относительно центра масс. Разработаны математические модели, описывающие движение объекта космического мусора под действием гравитационных и ионных сил и моментов. Проведено исследование невозмущенного движения объекта космического мусора на круговой орбите. Предложены законы управления ионным потоком, обеспечивающий стабилизацию космического мусора в положении равновесия и его перевод в требуемый угловой режим движения. Определены угловые режимы невозмущенного движения, при которых генерируемая ионная сила максимальна и минимальна. Проведено численное моделирование спуска объекта космического мусора с орбиты и дана оценка затрат топлива, необходимого для осуществления этой транспортной операции. Для рассматриваемого объекта космического мусора разница топлива для наиболее благоприятного и неблагоприятного углового режима движения составила 7.82%.

Ключевые слова:

космический мусор, ионный поток, бесконтактная транспортировка, активная уборка, затраты топлива

Библиографический список

  1. McKnight D. et al. Identifying the 50 statistically-most-concerning derelict objects in LEO // Acta Astronautica, 2021, vol. 181, no. January, pp. 282–291. DOI: 1016/j.actaastro.2021.01.021
  2. Kessler D.J., Cour-Palais B.G. Collision frequency of artificial satellites: The creation of a debris belt // Journal of Geophysical Research, 1978, vol. 83, № A6, pp. 2637–2646. DOI: 1029/JA083iA06p02637
  3. Баркова М.Е. К вопросу о построении трассы космического аппарата для утилизации космического мусора и объекта космического мусора // Труды МАИ. 2022. № 125. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=168147. DOI: 34759/trd-2022-125-01
  4. Bonnal C. et al. CNES technical considerations on space traffic management // Acta Astronautica, 2020, vol. 167, pp. 296–301. DOI: 1016/j.actaastro.2019.11.023
  5. Bonnal C. et al. Just in time collision avoidance — A review // Acta Astronautica, 2020, vol. 170, pp. 637–651. DOI: 1016/j.actaastro.2020.02.016
  6. Kawamoto S. et al. Impact on collision probability by post mission disposal and active debris removal // Journal of Space Safety Engineering, 2020, vol. 7, no. 3, pp. 178–191. DOI: 1016/j.jsse.2020.07.012
  7. Пикалов Р.С., Юдинцев В.В. Обзор и выбор средств увода крупногабаритного космического мусора // Труды МАИ. 2018. № 100. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=93299
  8. Ledkov A., Aslanov V. Review of contact and contactless active space debris removal approaches // Progress in Aerospace Sciences, 2022, vol. 134, pp. 100858. DOI: 1016/j.paerosci.2022.100858
  9. Mark C.P., Kamath S. Review of Active Space Debris Removal Methods // Space Policy, 2019, vol. 47, pp. 194–206. DOI: 1016/j.spacepol.2018.12.005
  10. Aslanov V.S. Gravitational Trap for Space Debris in Geosynchronous Orbit // Journal of Spacecraft and Rockets, 2019, vol. 56, no. 4, pp. 1277–1281. DOI: 2514/1.A34384
  11. Aslanov V., Yudintsev V. Motion Control of Space Tug During Debris Removal by a Coulomb Force // Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 2018, vol. 41, no. 7, pp. 1476–1484. DOI: 2514/1.G003251
  12. Ледков А.С., Белов А.А., Тчаников И.А. Сравнение эффективности использования лазерной абляции и ионного потока для бесконтактной уборки космического мусора с квазикруговой орбиты // Труды МАИ. 2022. № 127. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=170321. DOI: 34759/trd-2022-127-01
  13. Bombardelli C., Pelaez J. Ion Beam Shepherd for Contactless Space Debris Removal // Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 2011, vol. 34, no. 3, pp. 916–920. DOI: 2514/1.51832
  14. Kitamura S. Large space debris reorbiter using ion beam irradiation // 61 st International Astronautical Congress, Prague, Czech Republic, 2010.
  15. Ruault J.M. et al. Active Debris Removal (ADR): From identification of problematics to in flight demonstration preparation // 1st European Workshop On Active Debris Removal, Paris, June, 2010.
  16. Ruiz M. et al. The FP7 LEOSWEEP project: Improving low earth orbit security with enhanced electric propulsion // Space Propulsion Conference, 2014, pp. 35–42.
  17. Redka M.O., Khoroshylov S. V. Determination of the Force Impact of an Ion Thruster Plume on an Orbital Object Via Deep Learning // Space Science and Technology, 2022, vol. 28, no. 5, pp. 15–26. DOI: 15407/knit2022.05.015
  18. Merino M. et al. Hypersonic Plasma Plume Expansion in Space // 32nd International Electric Propulsion Conference, 2011, pp. 1–14.
  19. Dannenmayer K. et al. Hall Effect Thruster Plasma Plume Characterization with Probe Measurements and Self-Similar Fluid Models // 48th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference, Virigina: American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2012, pp. 1–10. DOI:2514/6.2012-4117
  20. Cichocki F., Merino M., Ahedo E. Modeling and simulation of EP plasma plume expansion into vacuum // 50th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference, 2014, pp. 1–17. DOI:2514/6.2014-3828
  21. Nakajima Y. et al. Contactless space debris detumbling: A database approach based on computational fluid dynamics // Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 2018, vol. 41, no. 9, pp. 1906–1918. DOI: 2514/1.G003451
  22. Рязанов В.В., Ледков А.С. Увод наноспутника с низкой орбиты с помощью ионного потока // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия Математика. Механика. Информатика. 2019. vol. 19. № 1. pp. 82–93. DOI: 18500/1816-9791-2019-19-1-82-93
  23. Bombardelli C. et al. Relative dynamics and control of an ion beam shepherd satellite // Advances in the Astronautical Sciences, 2012, vol. 143, pp. 2145–2157.
  24. Alpatov A., Khoroshylov S., Bombardelli C. Relative control of an ion beam shepherd satellite using the impulse compensation thruster // Acta Astronautica, 2018, vol. 151, pp. 543–554. DOI: 1016/j.actaastro.2018.06.056
  25. Khoroshylov S. Relative control of an ion beam shepherd satellite in eccentric orbits // Acta Astronautica, 2020, vol. 176, pp. 89–98. DOI: 1016/j.actaastro.2020.06.027
  26. Рязанов В.В. Управление движением космического аппарата при бесконтактном уводе космического мусора // Труды МАИ. 2019. № URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=107837
  27. Khoroshylov S. Out-of-plane relative control of an ion beam shepherd satellite using yaw attitude deviations // Acta Astronautica, 2019, vol. 164, pp. 254–261. DOI: 1016/j.actaastro.2019.08.016
  28. Петухов В.Г., Рязанов В.В. Искусственные точки либрации в задаче буксировки космического мусора ионным потоком // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Математика. Механика. Информатика. 2021. Т. 21. № 2. С. 202–212. DOI: 18500/1816-9791-2021-21-2-202-212
  29. Urrutxua H., Bombardelli C., Hedo J.M. A preliminary design procedure for an ion-beam shepherd mission // Aerospace Science and Technology, 2019, vol. 88, pp. 421–435. DOI:1016/j.ast.2019.03.038
  30. Cichocki F. et al. Electric propulsion subsystem optimization for «Ion Beam Shepherd» missions // Journal of Propulsion and Power, 2017, vol. 33, no. 2, pp. 370–378. DOI: 2514/1.B36105
  31. Obukhov V.A. et al. Problematic issues of spacecraft development for contactless removal of space debris by ion beam // Acta Astronautica, 2021, vol. 181, pp. 569–578. DOI: 1016/j.actaastro.2021.01.043
  32. Colpari R. et al. Conceptual analysis for a technology demonstration mission of the ion beam shepherds // CEAS Space Journal, 2023, vol. 15, no. 4, pp. 567-584. DOI: 1007/s12567-022-00464-x
  33. Гончаров П.С., Копейка А.Л., Бабин А.М. Методика экспериментального моделирования воздействия излучения плазмы электрического ракетного двигателя на солнечные элементы // Труды МАИ. 2022. № 126. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=168995. DOI: 34759/trd-2022-126-09
  34. Алпатов А.П., Маслова А.И., Хорошилов С.В. Бесконтактное удаление космического мусора ионным лучом. Динамика и управление. Mauritius: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2018, 345 p.
  35. Li H., Li J., Jiang F. Dynamics and control for contactless interaction between spacecraft and tumbling debris // Advances in Space Research, 2018, vol. 61, no. 1, pp. 154–166. DOI: 1016/j.asr.2017.10.008
  36. Nakajima Y. et al. Efficiency Improving Guidance for Detumbling of Space Debris Using Thruster Plume Impingement // IEEE Aerospace Conference Proceedings, 2020, pp. 1–12. DOI: 1109/AERO47225.2020.9172511
  37. Aslanov V., Ledkov A. Attitude Dynamics and Control of Space Debris During Ion Beam Transportation, Cambridge: Elsevier, 2022, 320 p.
  38. Маркеев А.П. Теоретическая механика. Учебник для высших учебных заведений. — Москва, Ижевск: Регулярная и хаотическая динамика, 2007. — 592 p.
  39. Aslanov V.S., Ledkov A.S. Space debris attitude control during contactless transportation in planar case // Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 2020, vol. 43, no. 3, pp. 451–461. DOI: 2514/1.G004686
  40. Ledkov A.S., Aslanov V.S. Active space debris removal by ion multi-beam shepherd spacecraft // Acta Astronautica, 2023, vol. 205, pp. 247–257. DOI: 1016/j.actaastro.2023.02.003
  41. Šilha J. et al. Apparent rotation properties of space debris extracted from photometric measurements // Advances in Space Research, 2018, vol. 61, no. 3, pp. 844–861. DOI: 10.1016/j.asr.2017.10.048
  42. Pardini C., Anselmo L. Evaluating the environmental criticality of massive objects in LEO for debris mitigation and remediation // Acta Astronautica, 2018, vol. 145, pp. 51–75. DOI: 1016/j.actaastro.2018.01.028
  43. Aslanov V.S., Ledkov A.S. Fuel costs estimation for ion beam assisted space debris removal mission with and without attitude control // Acta Astronautica, 2021, vol. 187, pp. 123–132. DOI: 1016/j.actaastro.2021.06.028

Скачать статью

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 2000—2024

 Вход