Оптимальное управление вектором тяги воздушного электрореактивного двигателя для наискорейшего изменения высоты апогея орбиты с ультранизким перигеем

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Рассмотрена задача оптимального по быстродействию изменения высоты апогея орбит с ультранизким перигеем (высотой 120–250 км). Для компенсации аэродинамического сопротивления космического аппарата используется воздушный электрореактивный двигатель (ВЭРД), топливом для которого служат газы забортной атмосферы. Учтено падение эффективности ВЭРД с увеличением угла атаки и возможность работы ВЭРД только при достаточной концентрации газа в камере ионизации. Задача решена на основе принципа максимума Понтрягина в предположении малости аэродинамического сопротивления и тяги по сравнению с гравитационными силами. Представлены результаты исследований оптимальных программ управления вектором тяги ВЭРД в зависимости от параметров орбиты, компоновки КА, двигателя и мощности источника энергии.

Об авторах

А. С. Филатьев

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова; Московский авиационный институт

Email: yanova2007@yandex.ru
Россия, Москва; Россия, Москва

О. В. Янова

Московский авиационный институт; Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского

Автор, ответственный за переписку.
Email: yanova2007@yandex.ru
Россия, Москва; Россия, Московская обл., Жуковский

Список литературы

  1. Гродзовский Г.Л., Иванов Ю.Н., Токарев В.В. Механика космического полета с малой тягой. М.: Наука, 1966.
  2. Маров М.Я., Филатьев А.С. Комплексные исследования электрореактивных двигателей при полетах в ионосфере Земли: К 50-летию Государственной программы “Янтарь” // Косм. исслед. 2018. Т. 56. № 2. С. 137–144. https://doi.org/10.7868/S0023420618020061 (Cosmic Research. 2018. Т. 56. № 2. P. 123–129).10.7868/S0023420618020061
  3. Virgili J., Roberts P.C.E., Palmer K. et al. Very Low Earth Orbit mission concepts for Earth Observation: Benefits and challenges // Proc. 12th Reinventing Space Conf. London, UK. 2014. BIS-RS-2014-37.
  4. Filatyev A.S., Golikov A.A., Nosachev L.V. et al. Spacecraft with air-breathing electric propulsion as the future ultra-speed aircraft // Proc. 71th Intern. Astronautical Congress. The CyberSpace Edition. 1–5 Oct. 2020. IAC-20-C4.6.8.
  5. Dolgich A. Soviet Studies on Low-Thrust Orbital Propellant-Scooping Systems // Foreign Sciebce Bull. 1969. V. 5. № 7. P. 1–9.
  6. Цой Э.П. Выбор оптимальной программы управления тягой накопителя рабочего вещества в нестационарном режиме // Тр. ЦАГИ. 1968. Вып. 1145.
  7. Шумилкин В.Г. Управление тягой орбитального аппарата с двигателем ограниченной мощности при полете с накоплением атмосферного воздуха // Ученые записки ЦАГИ. 1976. Т. 7. № 2. С. 81–87.
  8. Romano F. et al. System Analysis and Test-Bed for an Atmosphere-Breathing Electric Propulsion System Using an Inductive Plasma Thruster // Proc. 68th Intern. Astronautical Congress. Adelaide, Australia, 25–29 Sept. 2017. IAC-17-C4.6.5.
  9. Rock B.St., Blandino J.J., Demetriou M.A. Propulsion Requirements for Drag-Free Operation of Spacecraft in Low Earth Orbit // J. Spacecraft and Rockets. 2006. V. 43. № 3. P. 594–606. https://doi.org/10.2514/1.15819
  10. Marchetti P., Blandino J.J., Demetriou M.A. Electric Propulsion and Controller Design for Drag-Free Spacecraft Operation // J. Spacecraft and Rockets. 2008. V. 45. № 6. P. 1303–1315. https://doi.org/10.2514/1.36307
  11. Becedas J., González G., Domínguez R.M. et al. Aerodynamic Technologies for Earth Observation Missions in Very Low earth Orbit. A: Reinventing Space Conference // Proc. 16th Reinventing Space Conf. (RISpace). London, UK, 30 Oct. – 1 Nov. 2018. P. 1–10.
  12. Filatyev A.S., Erofeev A.I., Yanova O.V. et al. Physical Grounds and Control Optimization of Low-Orbit Spacecraft with Electric Ramjet // Proc. 68th Intern. Astronautical Congress. Adelaide, Australia, 25–29 Sept. 2017. IAC-17-C4.IP.51.
  13. Barral S., Cifali G., Albertoni R. et al. Conceptual Design of an Air-Breathing Electric Propulsion System // Proc. 34th Intern. Electric Propulsion Conf. Kobe, Japan, 4–10 July 2015. IEPC-2015-271.
  14. Понтрягин Л.С., Болтянский В.Г., Гамкрелидзе Р.В., Мищенко Е.Ф. Математическая теория оптимальных процессов. М.: Наука, 1969.
  15. Filatyev A.S., Yanova O.V. On the optimal use of electric ramjet for low-orbit spacecraft // Procedia Engineering. 2017. V. 185. P. 173–181. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.03.299
  16. Filatyev A.S., Erofeev A.I., Nikiforov A.P. et al. Comparative evaluation of the applicability of electrical ramjets // Proc. 58th Israel Annual Conf. Aerospace Science. WeL1T4.3. Tel-Aviv, Haifa, Israel, 14–15 Mar. 2018. P. 503–519. http://toc.proceedings.com/ 37020webtoc.pdf.
  17. Filatyev A.S., Yanova O.V. The control optimization of low-orbit spacecraft with electric ramjet // Acta Astronautica. 2019. V. 158. P. 23–31.
  18. Yanova O.V., Filatyev A.S. Synthesis of the optimal control of spacecraft with air-breathing electric propulsion in orbits with ultra-low perigee in view of dependence of the engine efficiency on angle of attack // Proc. 71th Intern. Astronautical Congress. The CyberSpace Edition. 1–5 Oct. 2020. IAC-20-C1.5.1.
  19. Ерофеев А.И., Никифоров А.П., Плугин В.В. Экспериментальные исследования воздухозаборника в свободномолекулярном потоке газа // Ученые записки ЦАГИ. 2017. Т. 48. № 3. С. 56–69.
  20. Ерофеев А.И., Никифоров А.П., Плугин В.В. Моделирование процессов в воздухозаборнике для низкоорбитальных космических аппаратов в вакуумной аэродинамической трубе // Актуальные вопросы проектирования автомат. космич. аппаратов для фундам. и прикладных науч. исслед.: сб. тр. конф. Вып. 2. Химки: Изд-во “НПО им. С.А. Лавочкина”. 2017. С. 365–374.
  21. Охоцимский Д.Е., Сихарулидзе Ю.Г. Основы механики космического полета. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1990.
  22. Мирер С.А. Механика космического полета. Орбитальное движение. М.: Резолит, 2007.
  23. Fearn D.G. Ion thruster thrust vectoring requirements and techniques // 27th Intern. Electric Propulsion Conf. Pasadena, CA. 15–19 Oct. 2001. IEPC-01-115.
  24. Munoz V., González D., Becedas J. et al. Attitude control for satellites flying in VLEO using aerodynamic surfaces // J. British Interplanetary Society. 2020. V. 73. № 3. P. 103–112.
  25. Prieto D.M., Graziano B.P., Roberts P.C.E. Spacecraft drag modelling // Progress in Aerospace Sciences. 2014. V. 64. P. 56–65. https://doi.org/10.1016/j.paerosci.2013.09.001
  26. Livadiotti S., Crisp N.H., Robert P.C.E. et al. A review of gas-surface interaction models for orbital aerodynamics applications // Progress in Aerospace Sciences. 2020. V. 119. Art. № 100675. https://doi.org/10.1016/j.paerosci.2020.100675
  27. Mehta P.M., Walker A., McLaughlin C.A., Koller J. Comparing Physical Drag Coefficients Computed Using Different Gas–Surface Interaction Models // J. Spacecraft and Rockets. 2014. V. 51. № 3. P. 873–883. https://doi.org/10.2514/1.A32566
  28. Koppenwallner G. Satellite Aerodynamics and Determination of Thermospheric Density and Wind // AIP Conf. Proc. 2011. V. 1333. P. 1307–1312. https://doi.org/10.1063/1.3562824
  29. Moe K., Moe M.M. Gas-surface interactions and satellite drag coefficients // Planetary and Space Science. 2005. V. 53. P. 793–801. https://doi.org/10.1016/j.pss.2005.03.005
  30. Koppenwallner G. Comment on special section: new perspectives on the satellite drag environments of Earth, Mars, and Venus // J. Spacecraft and Rockets. 2008. V. 45. № 6. P. 1324–1327. https://doi.org/10.2514/1.37539
  31. Sutton E.K. Normalized Force Coefficients for Satellites with Elongated Shapes // J. Spacecraft and Rockets. 2009. V. 46. № 1. P. 112–116. https://doi.org/10.2514/1.40940
  32. Doornbos E. Thermospheric Density and Wind Determination from Satellite Dynamics. Book Ser.: Springer Theses. 2012. https://link.springer.com/book/10.1007/ 978-3-642-25129-0
  33. Golikov A.A., Filatyev A.S. Integrated optimization of trajectories and layout parameters of spacecraft with air-breathing electric propulsion // Acta Astronautica. 2022. V. 193. P. 644–652. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2021.06.052

© А.С. Филатьев, О.В. Янова, 2023