Голубек Олександр Вячеславович Методи і математичні моделі комбінованого відводу великогабаритних об’єктів космічного сміття

Краткое описание

Голубек Олександр Вячеславович, доцент кафедри системи автоматизованого управління, Дніпровський національний університет імені Олеся Гончара МОН України. Назва дисертації: «Методи і математичні моделі комбінованого відводу великогабаритних об’єктів космічного сміття». Шифр та назва спеціальності 05.13.03 системи та процеси керування. Спецрада Д08.051.15 Дніпровського національного університету імені Олеся Гончара

Міністерство освіти і науки України Дніпровський національний університет імені Олеся Гончара
Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису
ГОЛУБЕК ОЛЕКСАНДР ВЯЧЕСЛАВОВИЧ
УДК 629.78:531.5(043.3)
ДИСЕРТАЦІЯ
МЕТОДИ І МАТЕМАТИЧНІ МОДЕЛІ КОМБІНОВАНОГО ВІДВОДУ
ВЕЛИКОГАБАРИТНИХ ОБ’ЄКТІВ КОСМІЧНОГО СМІТТЯ
Спеціальність: 05.13.03 - системи та процеси керування
Подається на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук
Дисертація містить результати власних досліджень. Використання ідей, результатів і текстів інших авторів мають посилання на відповідне джерело О. В. Голубек
Науковий консультант: Дронь Микола Михайлович, доктор технічних наук, професор кафедри проектування і конструкцій Дніпровського національного університету імені Олеся Гончара
Дніпро - 2021

ЗМІСТ
Перелік умовних позначень 43
Вступ 45
Розділ 1. Обгрунтування напрямку дослідження 55
1.1. Огляд існуючих методів і технічних засобів очищення низьких
навколоземних орбіт 55
1.2. Огляд існуючої методології оцінки точності виведення засобу
відводу ракетами космічного призначення 72
1.3. Моделі впливу космічного сміття на політ літальних апаратів в
навколоземному просторі 80
1.4. Обґрунтування проблеми і вибір напряму дослідження 89
1.5. Постановка задачі дослідження 94
1.6. Методи дослідження 95
1.7. Висновки за розділом 1 99
Розділ 2. Комбінований метод відводу великогабаритних об’єктів
космічного сміття з застосуванням хімічної ракетної рушійної установки . 100
2.1. Математична модель руху об’єкта космічного сміття 100
2.2. Відвід великогабаритних об’єктів космічного сміття засобом
відводу з хімічною ракетною рушійною установкою 107
2.3. Відвід великогабаритних об’єктів космічного сміття з
застосуванням аеродинамічного парусного пристрою 109
2.4. Комбінований відвід великогабаритних об’єктів космічного
сміття з застосуванням хімічної ракетної рушійної установки 113
2.5. Область використання комбінованого методу відводу 124
2.6. Методика визначення оптимальних енергетичних витрат на
забезпечення комбінованого відводу об’єкту космічного сміття з застосуванням хімічної ракетної рушійної установки 126
2.7. Визначення оптимальних енергетичних витрат на забезпечення
комбінованого відводу об’єкту космічного сміття з застосуванням хімічної ракетної рушійної установки 127
2.8. Висновки за розділом 2 137
Розділ 3. Комбінований метод відводу великогабаритних об’єктів
космічного сміття з застосуванням електроракетної рушійної установки ... 138
3.1. Особливості комбінованого відводу великогабаритних об’єктів космічного сміття з застосуванням електроракетної рушійної установки138
3.2. Схема відводу об’єктів великогабаритного космічного сміття
комбінованим методом із застосуванням електроракетної рушійної установки 140
3.3. Методика визначення оптимальних енергетичних витрат на
забезпечення комбінованого відводу об’ єкту космічного сміття із застосуванням електроракетної рушійної установки 142
3.4. Визначення оптимальних енергетичних витрат на забезпечення
комбінованого відводу об’ єкта космічного сміття з застосуванням електроракетної рушійної установки 147
3.5. Порівняльний аналіз методів комбінованого відводу із застосуванням
хімічної ракетної і електроракетної рушійної установки 158
3.6. Методика визначення маси об’єкта космічного сміття, яку можна
відвести комбінованим методом із застосуванням електроракетної рушійної установки з заданими характеристиками 161
3.7. Висновки за розділом 3 165
Розділ 4. Математична модель руху ракети космічного призначення з
урахуванням похибок безплатформної інерціальної навігаційної системи.. 167
4.1. Прийняті припущення 167
4.2. Склад збурень безплатформної інерціальної навігаційної системи 168
4.3. Параметри, які характеризують точність виведення засобу відводу .... 168
4.4. Системи координат 169
4.5. Перехід між системами координат 173
4.6. Циклограма формування функціональних команд 180
4.7. Кутові програми орієнтації ракети космічного призначення 181
4.8. Диференційні рівняння руху ракети космічного призначення з
безплатформною інерціальною навігаційною системою 184
4.9. Праві частини диференційних рівнянь руху 187
4.10. Початкові умови інтегрування 198
4.11. Перехідні дільниці 204
4.12. Диференційні рівняння руху засобу відводу на дільниці
автономного польоту 205
4.13. Виміри супутникової навігаційної системи 205
4.14. Комплексування даних інерціальної навігаційної системи
вимірюваннями супутникової навігаційної системи 206
4.15. Висновки за розділом 4 212
Розділ 5. Моделювання виведення засобу відведення з урахуванням
похибок безплатформної інерціальної навігаційної системи 213
5.1. Початкові дані 213
5.2. Похибки системи навігації 214
5.3. Схеми польоту ракети космічного призначення 215
5.4. Оцінка точності одноімпульсної схеми виведення на сонячно-
синхронну орбіту 223
5.5. Оцінка точності схеми виведення на перехідну до геостаціонарної
орбіту 230
5.6. Оцінка точності схеми виведення на екваторіальну орбіту 235
5.7. Оцінка точності двохімпульсної схеми виведення на сонячно-
синхронну орбіту 240
5.8. Узагальнення результатів апріорної оцінки 246
5.9. Висновки за розділом 5 253
Розділ 6. Модель сумісного руху ракети космічного призначення та
угрупування спостережуваного космічного сміття 254
6.1. Прийняті припущення 254
6.2. Аналіз сумісного руху ракети космічного призначення та угрупування
спостережуваного космічного сміття 255
6.3. Висновки за розділом 6 276
Висновки 278
Список використаних джерел 281
Додаток А. Акти впровадження і використання результатів дисертаційної
роботи 305
Додаток Б. Комбінований метод відводу із застосуванням електроракетної
рушійної установки 312
Додаток В. Розподіл відхилень параметрів руху у висхідному вузлі орбіти
засобу відведення 330
Додаток Г. Трубки траєкторій ракети-носія 363
Додаток Д. Розподіл відхилень маси компонентів палива в момент
формування команди на відділення засобу відведення 379
Додаток Е. Розподіл параметрів сумісного руху ракети-носія і угрупування
об’єктів космічного сміття 384
Додаток Ж. Список публікацій здобувача за темою дисертації 403

Список литературы

ВИСНОВКИ
В результаті проведених в дисертаційній роботі досліджень вирішена важлива наукова проблема з розробки методів і математичних моделей для забезпечення комбінованого відводу великогабаритних об’єктів космічного сміття з низьких навколоземних орбіт. Розширено арсенал методів і засобів для відведення великогабаритних об’єктів космічного сміття з низьких навколоземних орбіт. Вирішення проблеми дозволило одержати наступні нові наукові результати, які мають практичну цінність.
1. Розроблені нові методи комбінованого відводу великогабаритних об’єктів космічного сміття з низьких навколоземних орбіт, які забезпечують відвід в задані строки в умовах динамічної зміни сонячної активності, із застосуванням ракетної рушійної установки і аеродинамічного парусного пристрою. Використання цих методів дозволяє зменшити енергетичні витрати компонентів палива до 50 % в порівнянні з активним відводом і підвищити область висот застосування аеродинамічного парусного пристрою до 2200-4500 км в залежності від балістичного коефіцієнту. Методи впроваджені в ДП «КБ «Південне» ім. М. К. Янгеля» для проектування схем та засобів відводу великогабаритних об’єктів космічного сміття.
2. Розроблені методики вибору моменту часу початку комбінованого відводу великогабаритного об’ єкта космічного сміття із застосуванням ракетної рушійної установки і аеродинамічного парусного пристрою в межах 11-річного циклу сонячної активності. Їх використання дає змогу забезпечити економію палива до 5 %.
3. Визначені нові аналітичні залежності мінімальних енергетичних витрат на комбінований відвід великогабаритного об’єкта космічного сміття з низьких навколоземних орбіт в межах існуючого нормативу 25 років із застосуванням ракетної рушійної установки від параметрів процесу відводу. Використання залежностей сприяє оцінці мінімальної кількості палива, необхідного для забезпечення припинення існування без проведення балістичного аналізу польоту.
4. Вперше отримана аналітична залежність мінімального приросту швидкості, який здійснюється за одне включення електроракетної рушійної установки, в процесі комбінованого відводу великогабаритного об’єкта космічного сміття з низьких навколоземних орбіт в межах існуючого нормативу 25 років від його висоти початкової орбіти, величини балістичного коефіцієнту, часу активного функціонування системи керування і часу зарядки акумуляторної батареї. Застосування залежності може забезпечити формування вимог до таких характеристик засобу відведення, як маса, тяга і масовий секундний витік палива.
5. Розроблена методика визначення маси об’єкта космічного сміття, яку можна відвести комбінованим методом із застосуванням електроракетної рушійної установки з заданими характеристиками. Її використання дозволяє провести аналіз області застосування рушійної установки без проведення балістичного аналізу польоту.
6. Синтезована нова стохастична багатомірна математична модель сумісного руху ракети космічного призначення і угрупування спостережуваних космічних об’єктів космічного сміття на низьких навколоземних орбітах.
7. Вперше визначена аналітична залежність середньої концентрації зближень ракети космічного призначення з спостережуваними об’єктами космічного сміття в районі її траєкторії від розподілу космічного сміття за середньою висотою орбіти і нахилу цільової орбіти ракети. Застосування залежності дає змогу оцінити кількість небезпечних космічних об’ єктів в районі траєкторії польоту ракети космічного призначення без проведення балістичного аналізу польоту.
8. Отримана нова аналітична залежність середньої ймовірності небезпечних зближень ракети космічного призначення і угрупування спостережуваного космічного сміття в запуску від нахилу цільової орбіти ракети, мінімального відносного положення і кількості спостережуваних об’єктів космічного сміття.
Запропонована залежність впроваджена в ДП «КБ «Південне» ім. М. К. Янгеля» для проектування схем і засобів відводу великогабаритних об’єктів космічного сміття.
9. Отримала подальший розвиток адаптивна стохастична математична модель руху ракети космічного призначення, як твердого тіла. Модель враховує роботу термінального наведення, ідеальної системи стабілізації й урахуванням впливу похибок комплексу командних приладів безплатформної інерціальної навігаційної системи. Рух представлений у вигляді двох контурів: модельного руху центру мас під впливом модельних сил і моментів і збуреного руху, який обумовлений рішенням навігаційної задачі в системі керування з урахуванням того, що керування модельним рухом відбувається шляхом обробки результатів збуреного руху. Модель впроваджена в ДП «КБ «Південне» ім. М. К. Янгеля» для апріорної оцінки точності сучасних ракет космічного призначення легкого класу.
10. Вперше отримані залежності багатомірного розподілу відхилень кінематичних і оскулюючих параметрів орбіти засобу відведення в першому висхідному вузлі автономного польоту, трубки траєкторій ракети космічного призначення легкого класу, що виводить засіб відведення, і розподілу залишків компонентів палива в момент відділення засобу відведення від ракети в умовах дії похибок комплексу командних приладів безплатформної інерціальної навігаційної системи. Результати можуть бути використані для підготовки запуску засобу відведення на цільову орбіту великогабаритного об’єкта космічного сміття та для оцінки запасів палива, необхідних для виведення засобу відведення.
Результати дисертаційної роботи використовуються в навчальному процесі Дніпровського національного університету ім. О. Гончара.