Оптимизация управления солнечным парусом при движении аппарата по цикличным гелиоцентрическим траекториям

Обложка

Цитировать

Полный текст

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

Аннотация

В работе рассматривается задача построения оптимальных по быстродействию траекторий для космического аппарата (КА) с солнечным парусом. Рассматриваемые траектории состоят из повторяющихся циклов перемещения КА до целевой гелиоцентрической орбиты и обратно к начальной. Применяется модель идеально отражающего паруса, что позволяет использовать программы оптимального управления углом установки паруса, полученные на основе принципа максимума Понтрягина. Гелиоцентрическое движение моделируется в плоской полярной системе координат, а сам КА совершает цикличные перелеты между двумя планетами земной группы по замкнутой траектории. Сформулирована краевая задача, при решении которой обеспечивается подлет КА к целевой планете с выравниванием скоростей (задача встречи). Проведено моделирование четырех циклов движения Земля–Меркурий–Земля и Земля–Марс–Земля с характеристическим ускорением солнечного паруса 0.25 мм/с2, для которых длительность одного цикла составляет в среднем 2000 и 2341 сут соответственно. Получены оптимальные программы управления ориентацией паруса для широкого диапазона дат старта, показаны способы поиска и выбора начальных значений сопряженных переменных. Полученные результаты демонстрируют возможность КА с солнечным парусом реализовывать управляемое движение по замкнутым траекториям с минимальной продолжительностью отдельных перелетов Земля–планета назначения–Земля.

Об авторах

М. А. Рожков

Самарский университет

Email: rozhkov.ma@ssau.ru
Россия, Самара

О. Л. Старинова

Самарский университет; Нанкинский университет науки и технологий

Автор, ответственный за переписку.
Email: rozhkov.ma@ssau.ru
Россия, Самара; Китай, Нанкин

Список литературы

  1. Синявский В.В. Научно-технический задел по ядерному электроракетному межорбитальному буксиру “Геркулес” // Космическая техника и технологии. 2013. № 3. С. 25–45.
  2. Crusan J.C., Smith R.M., Craig D.A. et al. Deep space gateway concept: Extending human presence into cislunar space // Proc. IEEE Aerospace Conference. 2018. V. 2018-March. https://doi.org/10.1109/AERO.2018.8396541
  3. Haws T.D., Zimmerman J.S., Fuller M.E. SLS, the Gateway, and a Lunar Outpost in the Early 2030s // Proc. IEEE Aerospace Conference. 2019. V. 2019-March. https://doi.org/10.1109/AERO.2019.8741598
  4. Поляхова Е.Н. Космический полет с солнечным парусом: проблемы и перспективы. М.: Наука, 1986. 304 с.
  5. Мельников В.М., Матюшенко И.Н., Чернова Н.А. и др. Проблемы создания в космосе крупногабаритных конструкций // Труды МАИ. 2014. № 78. С. 1–21.
  6. Mori O., Sawada H., Funase R. et al. First Solar Power Sail Demonstration by IKAROS // Transactions of the Japan Society for Aeronautical and Space Sciences, Aerospace Technology Japan. 2010. V. 8. Iss. 27. P. 25–31. https://doi.org/10.2322/tastj.8.To_4_25
  7. Spencer D.A., Betts B., Bellardo J.M. et al. The LightSail 2 solar sailing technology demonstration // Advances in Space Research. 2021. V. 67. Iss. 9. P. 2878–2889. https://doi.org/10.1016/j.asr.2020.06.029
  8. Frisbee R.H. Solar Sails for Mars Cargo Missions // AIP Conference Proc. 2007. V. 374. P. 374–380.
  9. Hughes G.W., Macdonald M., McInnes C.R. et al. Sample return from mercury and other terrestrial planets using solar sail propulsion // J. Spacecraft and Rockets. 2006. V. 43. Iss. 4. P. 828–835.
  10. Vergaaij M., Heiligers J. Time-optimal solar sail heteroclinic-like connections for an Earth-Mars cycler // Acta Astronautica. 2018. V. 152. P. 474–485.
  11. Понтрягин Л.С., Болтянский В.Г., Гамкрелидзе Р.В. и др. Математическая теория оптимальных процессов. М.: Наука, 1969. 393 с.
  12. Ду Ч., Старинова О.Л. Генерация искусственных гало-орбит в окололунном пространстве с использованием двигателей малой тягой // Косм. исслед. 2022. Т. 60. № 2. С. 151–166. https://doi.org/10.31857/S0023420622020029
  13. Wright J.L. Space sailing. Gordon and Breach Science Publishers, 1992. 258 p.
  14. McInnes C.R. Solar sailing: technology, dynamics and mission applications. Springer Berlin, Heidelberg, 2004. 296 p.
  15. Vulpetti G., Johnson L., Matloff G.L. Solar sails: A novel approach to interplanetary travel // Solar Sails: A Novel Approach to Interplanetary Travel. Springer New York, 2015. 277 p. https://doi.org/10.1007/978-1-4939-0941-4
  16. Белецкий В.В., Егоров В.А., Ершов В.Г. Анализ траекторий межпланетных полетов с двигателями постоянной мощности // Косм. исслед. 1965. Т. 3. № 4. С. 507–522.
  17. Ишков С.А., Милокумова О.Л., Салмин В.В. Оптимизация замкнутых межпланетных перелетов Земля – Марс – Земля с малой тягой // Косм. исслед. 1995. Т. 33. № 2. С. 210–219.
  18. Forward R.L. Grey solar sails // J. the Astronautical Sciences. 1989. V. 38. Iss. 2. P. 161–185.
  19. Рожков М.А. Влияние оптических характеристик многослойного солнечного паруса на его гелиоцентрическое движение // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. 2022. Т. 21. № 4. С. 52–65. https://doi.org/10.18287/2541-7533-2022-21-4-52-65
  20. Жуков А.Н., Лебедев В.Н. Вариационная задача о перелете между гелиоцентрическими круговыми орбитами с помощью солнечного паруса // Косм. исслед. 1964. Т. 2. № 1. С. 46–50.
  21. Старинова О.Л. Расчет межпланетных перелетов космических аппаратов с малой тягой. Самара: Издательство Самарского научного центра РАН, 2007. 196 с.
  22. Патент 2022617890. Российская Федерация. Определение оптимального управления движением космического аппарата с электроракетной двигательной установкой, применяя принцип максимума Понтрягина: № 2022613916: заявл. 09.03.2022: опубл. 26.04.2022 / Старинова О.Л., Сергаева Е.А., Рожков М.А.

Дополнительные файлы


© М.А. Рожков, О.Л. Старинова, 2023