Тема: Электромагнитные аспекты динамики вращательного движения экранированного искусственного спутника Земли относительно центра масс

Запуск первых искусственных спутников Земли (ИСЗ) ознаменовал собой бурное развитие космодинамики и возникновение в связи с этим HOBBix направлений в науке и технике, в частности, возникли задачи, тесно связанные с задачей механики о вращении твёрдого тела относительно точки. Одной из таких задач является управление угловым движением ИСЗ, т.е. вращательным движением ИСЗ относительно центра масс. Данная задача и по сей день является важной и актуальной проблемой космодинамики. При решении этой задачи исследователь неизбежно сталкивается с необходимостью рассмотрения и учёта разного рода сил и моментов, действующих на ИСЗ. Решению данной задачи посвящено множество работ отечественных и зарубежных авторов, таких как В.В. Белецкий, М.Ю. Овчинников, В.И. Попов, В.А. Сарычев, А.А. Тихонов, А.А. Хентов, J.V. Breakwell, T.R. Kane, R. Pringle Jr. и многих других исследователей.
Искусственные спутники Земли широко используются для научных исследований и прикладных задач (военные спутники, метеорологические спутники, навигационные спутники, спутники связи и т.д.). Для успешного выполнения поставленных перед ИСЗ задач, одну из ключевых ролей играет система ориентации и стабилизации ИСЗ. В настоящее время системы ориентации и стабилизации ИСЗ можно разделить на три основные группы: пассивные, активные и комбинированные [7].
Активная система ориентации и стабилизации - это система, требующая на борту ИСЗ источника энергии, которая расходуется на создание управляющих моментов, а также различных активных устройств для создания этих моментов. Основными преимуществами активных систем управления являются высокая точность ориентации, возможность создавать большие по величине управляющие моменты, высокое быстродействие. Недостатками данных систем несомненно являются высокая стоимости, сложности, ограниченный срок службы, низкая надёжности.
Пассивная система ориентации и стабилизации - это система, осуществляющая управление путем взаимодействия с окружающей средой ИСЗ (гравитационное поле, магнитное поле, солнечное давление, аэродинамическое сопротивление), или же за счёт свойства свободно вращающегося твердого тела сохранять неподвижной в инерциальном пространстве оси вращения. Ориентация и стабилизация осуществляются без использования активных управляющих устройств, кроме того, данный тип управления не требует для своей работы запасенных источников энергии, что несомненно является одним из главных преимуществ пассивных систем. К преимуществам также следует отнести высокую надежности, относительную простоту конструкции, практически неограниченный срок службы, сравнительно малую стоимости, что является немаловажным фактором в настоящее время. Основными недостатками являются низкая точности, низкое быстродействие, малые по величине управляющие моменты, вследствие чего возникает требование точного математического моделирования движения ИСЗ. Среди пассивных систем ориентации и стабилизации в настоящее время преимущественно распространенв1 системы, основанные на использовании гравитационного и магнитного полей Земли для создания управляющих моментов. В данной работе будут использованы именно такие системы стабилизации и ориентации.
Комбинированные системы строят из элементов пассивных и активных систем, по возможности вбирая в себя лучшие качества тех и других и уменьшая влияния их недостатков в отдельности. В большинстве случаев активные элементы используются либо единожды, либо в определенные отрезки времени, в остальное время комбинированные и пассивные системы управления ИСЗ аналогичны.
Благодаря накопленным знаниям стали возможны запуски ИСЗ с живым объектом на борту. В наше время такие проекты уже не редкость, в связи с чем остро стоит вопрос о защите ИСЗ (в частности живого объекта на борту) от космического излучения. Длительное воздействие космической радиации способно крайне негативно отразиться на здоровье человека (живого объекта). Для дальнейшего продвижения человечества к иным планетам Солнечной системы следует разработать надёжную защиту от подобных опасностей - учёные из разных уголков нашей планетв1 уже ищут способв1 решения этой проблемы. Одним из способов решения данной проблемы является создание систем электростатической защиты (ЭСЗ), основанной на использовании электростатически заряженного экрана, покрывающего защищаемый объём, обладающего определённым потенциалом относительно окружающей его среды и отклоняющего падающие потоки заряженных частиц от своей поверхности. Интересные модели ЭСЗ были предложены и исследованы с точки зрения защиты ИСЗ в работах [11], [12], [13], [14].
При движении ИСЗ, снабжённого экраном ЭСЗ, по околоземной орбите, в результате взаимодействия электрического заряда экрана с магнитным полем Земли (МПЗ) возникают дополнительно действующие на ИСЗ силв1 Лоренца [6]. В связи с этим возникает задача, посвящённая влиянию главного момента сил Лоренца на вращательное движение заряженного ИСЗ относительно его центра масс. Данная задача получила своё развитие в работах В.В. Белецкого, Л.И. Кузнецова, А.А. Тихонова, В.В Лунева, Г.В. Ляховки, И.В. Чиковой, К.Г. Петрова, К.А. Антипова, А.А. Хентова, D.K. Giri, М. Sinha, K.D. Kumar и ряда других авторов. Полученные ими результаты позволили взглянуть на данную задачу с точки зрения управления ИСЗ. В частности было показано, что лоренцевы силы могут оказывать стабилизирующее воздействие на ИСЗ [2], [4], [5], [9].

Купить

На основе известного технического решения поставлена задача изучения динамики вращательного движения ИСЗ с системой трех заряженных экранов, представляющих собой тороидальные поверхности. Найдена плотность распределения заряда на поверхности тора. Вычислены компоненты тензора, характеризующего распределение зарядов системы трех заряженных тороидальных экранов. Для случая круговой околоземной орбиты ИСЗ и дипольной аппроксимации МПЗ получено выражение для момента сил Лоренца, действующих на ИСЗ с системой экранов в магнитном поле Земли. Построена математическая модель, описывающая динамику вращательного движения ИСЗ в МПЗ и построен ее первый интеграл. Найдены возможные прямые положения равновесия ИСЗ в орбитальной системе координат. Получены достаточные условия устойчивости ПИР с использованием построенного первого интеграла с учётом влияния гравитационного момента и в предположении об его отсутствии. Построена область устойчивости для ППР с учётом гравитационного момента при различных параметрах системы. Найдены стационарные режимы вращения ИСЗ в орбитальной системе координат. Получены достаточные условия устойчивости найденных стационарных режимов вращения ИСЗ.
Полученные результаты могут быть использованы исследователями в области космодинамики, а также инженерами, которые занимаются созданием ЭСЗ, для подбора требуемых параметров при создании системы ЭСЗ, чтобы ЭСЗ выполняла не только свою главную задачу по защите ИСЗ, но и помогала в осуществлении пассивного и полупассивного управления ИСЗ. Кроме того, данная работа может помочь инженерам и исследователям в понимании степени влияния параметров системы на движение ИСЗ.

Купить