Тема: Движение космического аппарата с солнечным парусом в L1 системы Солнце-Земля

Под солнечным парусом [6]-[8], [10] мы понимаем приспособление, которое использует давление солнечного света на зеркальную поверхность для приведения в движение космического аппарата (КА).
Задачи, которые выполняются с помощью солнечного паруса:
• передвижение по солнечной системе;
• освещение Земли в полярную ночь;
• предсказание магнитных бурь;
• предупреждение о возникновении вспышек и катаклизм на Солнце;
• получение информации о состоянии солнечной атмосферы, глубинных
слоях Солнца, солнечном ветре и об активности солнечной короны;
• осмотр комет, изучение звезд;
• изучение реликтового излучения;
• изучение космических лучей и многое другое.
Идея создания КА, использующего солнечный парус, разрабатывалась советским ученым Фридрихом Цандером. Он исходил из того, что частицы солнечного света (фотоны) имеют импульс и передают его любой освещаемой поверхности, создавая давление. Давление, которое создается фотонами
заставит КА двигаться от Солнца, при этом не будет расходоваться ракетное топливо. При изменении угла расположения конструкции, можно корректировать направление полета. При большом удалении от Солнца фотонный поток слабеет пропорционально квадрату расстояния, а на границе системы упадет до 0.
Для того, чтобы обеспечить стабильный поток света и начальный разгон
паруса, необходимы мощные лазерные установки. Основным минусом
солнечного паруса является то, что он может двигать КА только в противоположную от Солнца сторону.
Материал, из которого сделан солнечный парус, должен быть4
максимально легким и прочным. На данный момент самыми перспективными
вариантами являются каптон и милар — тончайшие полимерные пленки с алюминиевым покрытием.
В настоящее время основной проблемой является развертывание
солнечного паруса. Для этого приходится использовать дополнительные механический устройства.
В 1993 г. в рамках проекта «Знамя-2» на борту корабля «Прогресс М- 15», пристыкованного к орбитальной станции «Мир» было произведено первое развертывание 20-метрового солнечного паруса. Задача этого эксперимента – освещение участка земной поверхности отраженным светом.
В результате было создано яркое пятно 8 км в ширину.
Движение КА будем рассматривать в рамках задачи трех тел [1]-[3] — задача небесной механики, состоящая в определении относительного
движения трех тел взаимодействующих по закону Всемирного тяготения.
Круговая ограниченная задача трех тел предполагает, что одно из тел имеет бесконечно малую массу по сравнению с массами двух других тел, имеющих соизмеримые массы, не оказывает воздействия на их движение и два массивных тела движутся относительно своего центра масс по круговым орбитам.
Точки либрации (точки Лагранжа) [1]-[3] представляют собой частный
случай при решении ограниченной круговой задачи трех тел. Существует пять
точек либрации (Li, i=1,5), в которых третье тело с бесконечно малой массой может оставаться неподвижным во вращающейся системе отсчета, связанной с массивными телами. В этих точках притяжение двух тел уравновешивает друг друга. Если поместить КА в любую из этих точек, то он останется в
состоянии покоя. На рис. 1 показано расположение этих точек в системе
Солнце-Земля, где M1 – Земля, а М2 – Солнце.5
L4 и L5 – называются треугольными точками либрации, образующие с телами равносторонние треугольники. Эти точки — устойчивые. КА, находящийся в их окрестности будет сохранять определенное положение относительно Солнца и Земли. В реальных условиях при различных возмущениях КА покинет окрестность любой из этих точек, но удержать его здесь можно с наименьшими затратами энергии, чем в любой другой точке пространства.
В точке L1 системы Солнце-Земля можно размещать космическую солнечную обсерваторию. Здесь она никогда не попадет в тень Земли, а, следовательно, наблюдения можно вести непрерывно. В L1 системы СолнцеЗемля запущены:
• КА WIND, предназначенный для изучения солнечного ветра и его взаимодействия с поверхностью Земли;
• КА SOHO, для наблюдения за Солнцем;6
• Advanced Composition Explorer, для исследования Солнца, энергетических частиц солнечного ветра и галактической материи.
В остальных точках:
• КА НACA WMAP, изучающий реликтовое излучение (L2);
• космические телескопы «Гершель», «Планк» и «Gaia» (L2);
• два аппарата STEREO совершили транзит через точки L4 и L5
Купить

В результате проведенного исследования:
1. Показано куда распространяются неустойчивые траектории движения в окрестности L1. Возможные направления ухода КА.
2. Показана связь неустойчивых траекторий в окрестности точки либрации со знаком функции опасности.
3. Представлены законы управления движением КА с солнечным парусом в окрестности точки либрации L1.
4. Дана оценка для угла � наклона нормали паруса в виде отрезка значений, выбор которых с точностью до линейного приближения обеспечивает удержание КА в окрестности точки либрации.
5. Проведено численное моделирование возможный траекторий движения КА с солнечным парусом при разных допустимых углах. Найдены промежутки времени удержания КА с солнечным парусом.
Купить