Синтез алгоритму керування кутовим рухом космічних апаратів з аеромагнітною системою відведення

Автор(и)

  • Anatolii Alpatov Інститут технічної механіки Національної академії наук України та Державного космічного агентства України вул. Лешко-Попеля, 15, м. Дніпро, Україна, 49005, Україна https://orcid.org/0000-0003-4411-2250
  • Serhii Khoroshylov Інститут технічної механіки Національної академії наук України та Державного космічного агентства України вул. Лешко-Попеля, 15, м. Дніпро, Україна, 49005, Україна https://orcid.org/0000-0001-7648-4791
  • Erik Lapkhanov Інститут технічної механіки Національної академії наук України та Державного космічного агентства України вул. Лешко-Попеля, 15, м. Дніпро, Україна, 49005, Україна https://orcid.org/0000-0003-3821-9254

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.192813

Ключові слова:

синтез закону керування, пристрої з постійними магнітами, космічний апарат, нелінійний регулятор

Анотація

Відомо, що для певної задачі керування відносним рухом космічних апаратів (КА) проводиться синтез відповідного закону управління і вибираються відповідні керуючі органи. В якості виконавчих органів при керуванні орієнтацією і стабілізацією КА використовують двигуни-маховики, геродини, електромагніти пристрої з постійними магнітами і мікрореактивні двигуни. Так, для забезпечення точної стабілізації КА в задачах дистанційного зондування Землі (ДЗЗ) найчастіше застосовують двигуни-маховики разом з електромагнітами. У свою чергу, існує ряд завдань управління відносним рухом КА, де немає необхідності в точній стабілізації КА і забезпеченні мінімальних похибок при орієнтації. До таких завдань можуть належати: завдання орієнтації КА для зарядки сонячних батарей, керування орієнтацією науково-дослідних та метеорологічних КА.

Метою дослідження є синтез закону для алгоритму керування орієнтацією КА при застосуванні виконавчих органів з постійними магнітами (ВОПМ). ВОПМ є органами керування орієнтацією КА і складаються з поворотних постійних магнітів, шагових двигунів і капсул-екранів зі стулками. Відкривання і закривання стулок капсул-екранів і поворот постійних магнітів певним чином забезпечують генерацію дискретного керуючого магнітного моменту. Слід зазначити, що ВОПМ не забезпечують точної стабілізації КА, а звідси не підходять для завдань ДЗЗ. Однак ВОПМ споживають меншу кількість бортової енергії, ніж інші системи керування орієнтацією КА, і доцільні для застосування в задачах, що потребують менш точної стабілізації.

Проведено синтез закону керування для КА з ВОПМ із застосуванням нелінійного регулятора і широтно імпульсного модулятора. Визначено межі ефективного застосування ВОПМ для різних космічних завдань, однією з яких є орієнтація і стабілізація аеродинамічного елементу перпендикулярно до динамічному потоку атмосфери, що набігає. Показано переваги використання ВОПМ в порівнянні з електромагнітними виконавчими органами в задачах стабілізації аеродинамічних елементів аеромагнітної системи відведення відпрацьованих КА з низьких навколоземних орбіт

Біографії авторів

Anatolii Alpatov, Інститут технічної механіки Національної академії наук України та Державного космічного агентства України вул. Лешко-Попеля, 15, м. Дніпро, Україна, 49005

Доктор технічних наук, завідувач відділу, Член-кореспондент НАН України

Відділ системного аналізу і проблем керування

Serhii Khoroshylov, Інститут технічної механіки Національної академії наук України та Державного космічного агентства України вул. Лешко-Попеля, 15, м. Дніпро, Україна, 49005

Доктор технічних наук, старший науковий співробітник, провідний науковий співробітник

Відділ системного аналізу і проблем керування

Erik Lapkhanov, Інститут технічної механіки Національної академії наук України та Державного космічного агентства України вул. Лешко-Попеля, 15, м. Дніпро, Україна, 49005

Аспірант

Відділ системного аналізу і проблем керування

Посилання

  1. Bhatia, D., Bestmann, U., Hecker, P. (2017). High accuracy pointing attitude determination estimator system of the future infrared astronomy satellite swarm mission. 10-th International ESA Conference on Guidance, Navigation & Control Systems. Salzburg. Available at: https://www.researchgate.net/publication/317457336_High_Accuracy_Pointing_Attitude_Determination_Estimator_System_of_the_Future_Infrared_Astronomy_Satellite_Swarm_Mission
  2. Zosimovych, N. (2019). Stability of spacecraft’s partially invariant system. Aeronautics and Aerospace Open Access Journal, 3 (4), 145–153. Available at: https://medcraveonline.com/AAOAJ/AAOAJ-03-00093.pdf
  3. Barbour, N. M. (2011). Inertial navigation sensors. RTO-EN-SET-116. Available at: https://pdfs.semanticscholar.org/9dba/30cad95662bceb6c0fce6e6c8bc283742e9a.pdf
  4. Lapkhanov, E., Khoroshylov, S. (2019). Development of the aeromagnetic space debris deorbiting system. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5 (5 (101)), 30–37. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2019.179382
  5. Benvenuto, R., Salvi, S., Lavagna, M. (2015). Dynamics analysis and GNC design of flexible systems for space debris active removal. Acta Astronautica, 110, 247–265. doi: https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2015.01.014
  6. Dron, N. M., Horolsky, P. G., Dubovik, L. G. (2014). Ways of reduction of technogenic pollution of the near-earth space. Naukovyi Visnyk Natsionalnoho hirnychoho universytetu, 3 (141), 125–130.
  7. Dron’, M., Khorolskiy, P., L. Dubovik, A. Khitko, I. Velikiy (2012). Estimation of Capacity of Debris Collector with Electric Propulsion System Creation Taking in a Count Energy Response of the Existing Launch Vehicles. Proc. of 63-th International Astronautical Congress. Naples, 2694–2698.
  8. Dron, M., Dreus, A., Golubek, A., Abramovsky, Y. (2018). Investigation of aerodynamics heating of space debris object descending in earth atmosphere. 69th International Astronautical Congress. Bremen, 3923–3929.
  9. Shan, M., Guo, J., Gill, E. (2016). Review and comparison of active space debris capturing and removal methods. Progress in Aerospace Sciences, 80, 18–32. doi: https://doi.org/10.1016/j.paerosci.2015.11.001
  10. Dron’, M., Golubek, A., Dubovik, L., Dreus, A., Heti, K. (2019). Analysis of ballistic aspects in the combined method for removing space objects from the near­Earth orbits. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2 (5 (98)), 49–54. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2019.161778
  11. Lapkhanov, E. O. (2019). Osoblyvosti rozrobky zasobiv vidvedennia kosmichnykh aparativ z navkolozemnykh robochykh orbit. Tekhnichna mekhanika, 2, 16–29.
  12. Alpatov, A. P., Khoroshylov, S. V., Maslova, A. I. (2019). Сontactless de-orbiting of space debris by the ion beam. Dynamics and control. Kyiv: Akademperiodyka, 150. doi: https://doi.org/10.15407/akademperiodyka.383.170
  13. Alpatov, A. P. (2016). Dinamika kosmicheskih letatel'nyh apparatov. Kyiv, 488.
  14. Rodriquez-Vazquez, A. L., Martin-Prats, M. A., Bernelli-Zazzera, F. (2015). Spacecraft magnetic attitude control using approximating sequence Riccati equations. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 51 (4), 3374–3385. doi: https://doi.org/10.1109/taes.2015.130478
  15. Desouky, M. A. A., Abdelkhalik, O. (2019). Improved Spacecraft Magnetic Attitude Maneuvering. Journal of Spacecraft and Rockets, 56 (5), 1611–1623. doi: https://doi.org/10.2514/1.a34452
  16. Schlanbusch, R., Kristiansen, R., Nicklasson, P. J. (2010). Spacecraft Magnetic Control Using Dichotomous Coordinate Descent Algorithm with Box Constraints. Modeling, Identification and Control: A Norwegian Research Bulletin, 31 (4), 123–131. doi: https://doi.org/10.4173/mic.2010.4.1
  17. Ismailova, A., Zhilisbayeva, K. (2015). Passive magnetic stabilization of the rotational motion of the satellite in its inclined orbit. Applied Mathematical Sciences, 9, 791–802. doi: https://doi.org/10.12988/ams.2015.4121019
  18. Ovchinnikov, M. Yu., Pen'kov, V. I., Roldugin, D. S., Ivanov, D. S. (2016). Magnitnye sistemy orientatsii malyh sputnikov. Moscow: IPM im. M. V. Keldysha, 366.
  19. Pfisterer, M., Schillo, K., Valle, C., Lin, K.-C, Ham, C. (2011). The Development of a Propellantless Space Debris Mitigation Drag Sail for LEO Satellites. Available at: http://www.iiis.org/Chan.pdf
  20. Fortescue, P., Stark, J., Swinerd, G. (2011). Spacecraft systems engineering. John Wiley & Sons Ltd. Chichester, 724.
  21. Appazov, R. F., Sytin, O. G. (1987). Metody proektirovaniya traektoriy nositeley i sputnikov Zemli. Moscow: Nauka, 440.
  22. Maslova, A. I., Pirozhenko, A. V. (2016). Orbit changes under the small constant deceleration. Space Science and Technology, 22 (6), 20–25. doi: https://doi.org/10.15407/knit2016.06.020
  23. ECSS-E-ST-10-04C. Space engineering, Space environment (2008). Noordwijk: ECSS Secretariat, ESA-ESTEC, Requirements & Standards Division, 198.
  24. Parshukov, A. N. (2009). Metody sinteza modal'nyh regulyatorov. Tyumen', 83.
  25. Kurdjukov, A., Timin, V. (2009). H∞ robust controller design for boiler system. Upravlenie bol'shimi sistemami: sbornik trudov, 25, 179–214.
  26. Alpatov, A., Khoroshylov, S., Bombardelli, C. (2018). Relative control of an ion beam shepherd satellite using the impulse compensation thruster. Acta Astronautica, 151, 543–554. doi: https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2018.06.056

##submission.downloads##

Опубліковано

2020-02-29

Як цитувати

Alpatov, A., Khoroshylov, S., & Lapkhanov, E. (2020). Синтез алгоритму керування кутовим рухом космічних апаратів з аеромагнітною системою відведення. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 1(5 (103), 37–46. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.192813

Номер

Том 1 № 5 (103) (2020): Прикладна фізика

Розділ

Прикладна фізика

Ліцензія

Авторське право (c) 2020 Anatolii Alpatov, Anatolii Alpatov, Serhii Khoroshylov, Serhii Khoroshylov, Erik Lapkhanov

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.