Динаміка перспективних космічних апаратів (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 29 травня 2013 року)

Переважна кількість перспективних космічних апаратів за своєю механічною суттю є просторово розвиненими механічними системами змінюваної конфігурації. Методи дослідження їх динаміки можна виокремити як розділ динаміки системи твердих тіл, з’єднаних пружними утримуючими і неутримуючими зв’язками, щ...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2013
1. Verfasser:	Алпатов, А.П.
Format:	Artikel
Sprache:	Ukrainian
Veröffentlicht:	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2013
Schriftenreihe:	Вісник НАН України
Schlagworte:	З кафедри Президії НАН України
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/67636
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Динаміка перспективних космічних апаратів (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 29 травня 2013 року) / А.П. Алпатов // Вісн. НАН України. — 2013. — № 7. — С. 6-13. — Бібліогр.: 30 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-67636
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-676362014-09-10T03:01:56Z Динаміка перспективних космічних апаратів (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 29 травня 2013 року) Алпатов, А.П. З кафедри Президії НАН України Переважна кількість перспективних космічних апаратів за своєю механічною суттю є просторово розвиненими механічними системами змінюваної конфігурації. Методи дослідження їх динаміки можна виокремити як розділ динаміки системи твердих тіл, з’єднаних пружними утримуючими і неутримуючими зв’язками, що рухаються під дією зовнішніх сил. Представниками таких систем є так звані великі космічні конструкції, які призначені для роботи в космосі в умовах, близьких до невагомості, і мають значні розміри в тому чи іншому вимірі. Моделі їх динаміки зазвичай представлені системами диференціальних рівнянь руху, а під математичним моделюванням розуміють чисельне розв’язання цих рівнянь або аналітичні інтерпретації можливих рішень. Особливості дослідження динаміки таких космічних конструкцій і систем розглянуто в доповіді. Значительное количество перспективных космических аппаратов по своей механической сути являются пространственно развитыми механическими системами изменяемой конфигурации. Методы исследования их динамики могут быть выделены как раздел динамики системы твердых тел, соединенных упругими удерживающими и неудерживающими связями, движущихся под действием внешних сил. Необходимость выделения такого класса систем связана как с тем, что им присуще нечто общее, отличающее их от всех других в формализмах исследования динамики, так и с тем, что результаты развития теории их движения могут быть приложены к ряду технических систем, характеризующихся сходными конструктивными признаками и областями применения. Естественными и очевидными представителями таких систем являются так называемые большие космические конструкции, предназначенные для работы в космосе в условиях, близких к невесомости, и имеющие большие размеры в том или ином измерении. Модели их динамики обычно представлены системами дифференциальных уравнений движения, а под математическим моделированием понимают численное решение этих уравнений или аналитические интерпретации возможных решений. Особенности исследования динамики таких космических конструкций и систем представлены в докладе. A significant amount of future spacecrafts are spatially developed mechanical systems of variable configuration. Methods of their dynamics study can be highlighted as the part of dynamics of rigid bodies connected by various constraints moving under the influence of external forces. Need for the provision of such class of systems is due both to the fact that it is something inherent in common, which distinguishes them from all other formalisms to study dynamics and the fact that the results of the theory of motion can be applied to a variety of technical systems with a similar design features and areas of application. Natural and obvious representatives of such systems are large space structures designed for use in space. Models of their dynamics are usually represented by systems of differential equations of motion, and the numerical solution of these equations or analytical interpretation of possible solutions are understood as mathematical modeling. Features of such space structures and systems dynamics study are presented in the paper. 2013 Article Динаміка перспективних космічних апаратів (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 29 травня 2013 року) / А.П. Алпатов // Вісн. НАН України. — 2013. — № 7. — С. 6-13. — Бібліогр.: 30 назв. — укр. 0372-6436 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/67636 531.39 uk Вісник НАН України Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
topic	З кафедри Президії НАН України З кафедри Президії НАН України
spellingShingle	З кафедри Президії НАН України З кафедри Президії НАН України Алпатов, А.П. Динаміка перспективних космічних апаратів (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 29 травня 2013 року) Вісник НАН України
description	Переважна кількість перспективних космічних апаратів за своєю механічною суттю є просторово розвиненими механічними системами змінюваної конфігурації. Методи дослідження їх динаміки можна виокремити як розділ динаміки системи твердих тіл, з’єднаних пружними утримуючими і неутримуючими зв’язками, що рухаються під дією зовнішніх сил. Представниками таких систем є так звані великі космічні конструкції, які призначені для роботи в космосі в умовах, близьких до невагомості, і мають значні розміри в тому чи іншому вимірі. Моделі їх динаміки зазвичай представлені системами диференціальних рівнянь руху, а під математичним моделюванням розуміють чисельне розв’язання цих рівнянь або аналітичні інтерпретації можливих рішень. Особливості дослідження динаміки таких космічних конструкцій і систем розглянуто в доповіді.
format	Article
author	Алпатов, А.П.
author_facet	Алпатов, А.П.
author_sort	Алпатов, А.П.
title	Динаміка перспективних космічних апаратів (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 29 травня 2013 року)
title_short	Динаміка перспективних космічних апаратів (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 29 травня 2013 року)
title_full	Динаміка перспективних космічних апаратів (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 29 травня 2013 року)
title_fullStr	Динаміка перспективних космічних апаратів (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 29 травня 2013 року)
title_full_unstemmed	Динаміка перспективних космічних апаратів (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 29 травня 2013 року)
title_sort	динаміка перспективних космічних апаратів (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні президії нан україни 29 травня 2013 року)
publisher	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
publishDate	2013
topic_facet	З кафедри Президії НАН України
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/67636
citation_txt	Динаміка перспективних космічних апаратів (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 29 травня 2013 року) / А.П. Алпатов // Вісн. НАН України. — 2013. — № 7. — С. 6-13. — Бібліогр.: 30 назв. — укр.
series	Вісник НАН України
work_keys_str_mv	AT alpatovap dinamíkaperspektivnihkosmíčnihaparatívzamateríalaminaukovogopovídomlennânazasídanníprezidíínanukraíni29travnâ2013roku
first_indexed	2025-07-05T17:40:31Z
last_indexed	2025-07-05T17:40:31Z
_version_	1836829619456573440
fulltext	6 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2013, № 7 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ Переважна кількість перспективних космічних апаратів за своєю механічною суттю є просторово розвиненими механічними системами змінюваної конфігурації. Методи дослідження їх динаміки можна виокремити як розділ динаміки системи твердих тіл, з’єднаних пружними утримуючими і неутримую- чими зв’язками, що рухаються під дією зовнішніх сил. Представниками таких систем є так звані великі космічні конструкції, які призначені для роботи в космосі в умовах, близьких до невагомості, і мають значні розміри в тому чи іншому вимірі. Моделі їх динаміки зазвичай представлені системами диферен- ціальних рівнянь руху, а під математичним моделюванням розуміють чисельне розв’язання цих рівнянь або аналітичні інтерпретації можливих рішень. Особливості дослідження динаміки таких космічних конструкцій і систем розглянуто в доповіді. Ключові слова: динаміка, моделювання, великі космічні конструкції, орієнтація, керування, стійкість. УДК 531.39 А.П. АЛПАТОВ Інститут технічної механіки Національної академії наук України та Державного космічного агентства України вул. Лешко-Попеля, 15, Дніпропетровськ, 49005, Україна ДИНАМІКА ПЕРСПЕКТИВНИХ КОСМІЧНИХ АПАРАТІВ За матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 29 травня 2013 року © А.П. Алпатов, 2013 У доповіді представлено результати дослі- дження динаміки великих космічних кон- струкцій, які є перспективними в контексті сучасних тенденцій розвитку космічної тех- ніки і нових фундаментальних і прикладних проблем космонавтики. Наведено також де- які результати досліджень динаміки сучас- них космічних апаратів (КА), розроблених в Україні. СУЧАСНИЙ СТАН ПРОБЛЕМИ Відомі підходи до дослідження динаміки КА пов’язані з тенденціями розвитку і прак- тичного використання космічної техніки під час вирішення завдань дистанційного зон- дування Землі, зв’язку, навігації, наукових досліджень з вивчення космічного простору [1–12]. Особливості моделей динаміки зу- мовлені специфікою розв’язуваних косміч- ними апаратами завдань. На українсько-російському КА «Океан-О», запуск якого відбувся 17 липня 1999 р., через помилку в алгоритмі розвантаження махо- виків системи орієнтації спостерігалася не- стабільність орієнтації КА. У цій ситуації було запропоновано алгоритми керування орієнта- цією КА за допомогою програмних розворотів сонячної батареї [1]. Реалізація цих алгорит- мів сприяла експлуатації супутника до квітня 2002 р. Метою КА «Січ-1М» була демонстрація можливостей всепогодного спостереження земної і водної поверхонь з передаванням інформації (вперше в світі) на світову назем- ну мережу приймальних станцій у всіх трьох традиційних діапазонах — 137, 1,7 і 8,2 ГГц, в яких і передається інформація від косміч- них апаратів дистанційного зондування Зем- лі. Успішна реалізація цього проекту дозво- ляла Україні ініціювати створення міжна- родної всепогодної метеорологічної системи з 3–4 таких КА. Іншим важливим завданням 7ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2013, № 7 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ супутника «Січ-1М» було забезпечення екс- перименту «Варіант» — дослідження прові- сників землетрусів. На жаль, через неста- більну орієнтацію КА внаслідок виведення його на невірну орбіту ефективність роботи космічного апарата була значно знижена [6]. Було досліджено закономірності відносного руху КА «Січ-1М», розгінного блока ракети- носія та КА «Мікросупутник» для оцінюван- ня можливості їх зіткнень, які могли стати причиною обертання КА «Січ-1М» відносно центра мас із незрозуміло великою кутовою швидкістю. Космічний апарат «Мікросупут- ник» був призначений для відпрацювання негерметичної конструкції з модульним ва- ріантом бортових систем і використанням композиційних матеріалів. Для українського малогабаритного кос- мічного апарата дистанційного зондування Землі «Січ-2» у КБ «Південне» та ІТМ НАН України і ДКА України розроблено загальну модель для розрахунку положення й аналізу швидкості зсуву оптичного зображення під час зйомки земної поверхні, а також розра- ховано сумарні граничні похибки визначен- ня географічних координат об’єкта на знім- ках поверхні Землі. КА «Січ-2» призначе- ний для спостереження поверхні Землі в оптичному і середньому інфрачервоному діапазонах. До складу корисного наванта- ження КА включено також комплекс науко- вої апаратури, призначеної для дослідження атмосфери Землі. Проект «Мікросат» передбачає створення першого українського КА наукового при- значення з метою забезпечення проведення технологічних і наукових експе риментів в умовах космічного простору. КБ «Півден- не» на замовлення Державного космічного агентства України розробляє КА «Мікро- сат». Варіант його компонування (рис. 1) передбачає встановлення апаратури корис- ного навантаження на чотирьох симетрич- но розташованих виносних штангах апара- та. Завдяки конструктивним особливостям штанг їх розподілена пружність може чини- ти істотний вплив на кутове положення апа- ратури. Параметри розрахункових схем штанг, що мають вигляд балки з розподіленою пруж- ністю, можна визначити різними методами. Адекватність таких уявлень, так само як і адекватність відповідних комп’ютерних мо- делей, потребує підтвердження. З цією ме- тою доцільно використовувати аналітичні рівняння кутового руху КА з виносними штангами, які можна отримати для ідеалізо- ваних розрахункових схем із симетрично розташованими пружними штангами. Було розглянуто й вирішено такі завдання: • вибір ідеалізованих розрахункових схем (рис. 2) і адаптація відомих аналітично от- риманих наближених рівнянь кутового руху КА для розглянутого випадку; Рис. 1. Космічний апарат з виносними штангами Рис. 2. Ідеалізована розрахункова схема 8 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2013, № 7 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ • підбір параметрів скінченновимірного представлення штанг із розподіленою пруж- ністю; • розроблення комп’ютерних моделей з використанням засобів візуального програ- мування; • проведення тестових розрахунків для підтвердження адекватності комп’ютерних моделей. Розроблені комп’ютерні моделі описують кутовий рух КА з виносними штангами в площині його нижньої грані за відомого ке- руючого моменту і дають змогу досліджува- ти нестабільність кутового положення вста- новленої на штангах апаратури корисного навантаження. Космічний телескоп «Міліметрон» — ево- люційний крок у розробленні космічних об- серваторій, прототипом яких є антена обсер- ваторії «Радіоастрон», створена міжнарод- ною кооперацією з Астрокосмічним центром ФІАН (Росія) як головною науковою органі- зацією. Наукові завдання обсерваторії «Мілі- метрон» зумовили перехід на коротший хви- льовий діапазон частот і необхідність забез- печення вищої кутової роздільної здатності. Високі вимоги до точності орієнтації визначи- ли необхідність нових підходів до розроблення інтелектуальної системи активного віброза- хисту і високоточного наведення (ІСАВВН) космічного телескопа (КТ) «Міліметрон», що розкривається на орбіті. Заплановано участь ІТМ НАН України і ДКА України в розро- бленні й дослідженні кінематичної та динаміч- ної моделей ІСАВВН КТ «Міліметрон», що охоплюють створення розрахункових схем ме- ханізму паралельної структури, яку встанов- люють між космічною платформою й антеною КТ, розроблення кінематичних і динамічних моделей, а також проведення досліджень, по- в’язаних з аналізом процесів керування орієн- тацією антени телескопа. ДИНАМІКА КОСМІЧНИХ ТРОСОВИХ СИСТЕМ Космічні тросові системи (КТС) є пер- спективним напрямом розвитку космічної техніки і відповідних технологій. У багатьох країнах світу сьогодні розглядають проекти використання КТС. Різноманітні за призна- ченням, вони спрямовані на поліпшення ро- боти як мікросупутників і традиційних КА, так і міжнародної космічної станції та кос- мічних кораблів для міжпланетних пере- льотів. Реалізація проектів КТС передбачає отримання відповідного економічного ефек- ту і нових наукових знань [13–24]. Аналіз динамічних особливостей КТС, ста білізованих обертанням [17–20], дозво- лив запропонувати проект малої автономної КТС для експериментальних орбітальних досліджень процесів розгортання і функціо- нування КТС. Таку КТС можна використо- вувати для дослідження фізики космічної плазми і фізики високої атмосфери й магні- тосфери. Особливий інтерес становить за- стосування цієї КТС як інтегрального дат- чика для досліджень полів Землі. Мала обертальна КТС може бути еталоном дов- жини для калібрування й вимірювань ха- рактеристик бортових і наземних оптичних та радіолокаційних систем [20, 25]. Розроблено схему тросової системи граві- таційної стабілізації супутника [19, 24], де за- мість традиційної жорсткої штанги викорис- тано тонкий трос, що дає можливість техно- логічно досить просто збільшити відстань між супутником і кінцевою масою до кількох кілометрів, збільшуючи тим самим віднов- лювальний момент гравітаційних сил. Для практичного використання результатів дослі- дження оцінено вплив конструктивних пара- метрів системи на тривалість перехідних про- цесів, зокрема оцінки впливу неточності ви- значення параметрів. Побудовано моделі і проведено оцінювання впливу на точність стабілізації кутового руху супутника з тросо- вою системою гравітаційної стабілі зації різ- них збурювальних факторів, у тому числі ае- родинамічних, електромагнітних, сонячного тиску, відхилення орбіти від колової. Досліджено можливості використання резонансних режимів для керування рухом КТС. Показано й оцінено можливості спря- мованої зміни орієнтації та швидкості обер- тання КТС, параметрів її орбітального руху 9ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2013, № 7 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ внаслідок резонансної зміни довжини нит- ки [11, 15]. Запропоновано нові проекти КТС. Про- ект, призначений для переведення корисно- го навантаження на вищі орбіти, ґрунтується на розгойдуванні системи в гравітаційному полі шляхом зміни моменту інерції системи. Проект, призначений для керування орбі- тальним рухом системи, оснований на пере- розподілі кінетичного моменту між орбіталь- ним і відносним рухом. Розроблено схеми підготовки і проведення орбітальних експериментів. Визначено склад апаратури та вимоги до вимірювань і спо- стережень. Розроблено методики та про- ведено серії наземних експериментальних досліджень процесів розгортання й функці- онування КТС [19]. У результаті цих дослі- джень отримано низку методик для вибору параметрів такої тросової системи. Роботи як за планом фундаментальних досліджень НАН України, так і в рамках міжнародних проектів INTAS-94-0644 «Ex perimental and computational analysis of tethered space sys- tems» і INTAS-99-01096 «Theoretical and ex- perimental investigation of multibody space systems connected by hinges and tethers» проводили науковці з ІТМ НАН України і НКА України (проф. А.П. Алпатов, д.ф.-м.н. О.В. Пироженко), КБ «Південне» (чл.-кор. НАН України В.Й. Драновський, проф. В.С. Хорошилов), ІМех НАН України (д.т.н. О.Є. Закржевський), ІПМ РАН (чл.-кор. РАН В.В. Білецький), Віденського техноло- гічного (проф. Г. Трогер), Штутгартсько го (проф. В. Шехлен) та Карслруйского уні- верситетів (проф. Й. Вітенбург). ВЕЛИКОГАБАРИТНІ ТРАНСФОРМОВНІ КОНСТРУКЦІЇ КОСМІЧНОГО БАЗУВАННЯ Наприкінці 90-х років було проведено на- укові дослідження, спрямовані на розвиток в Україні космічної геліоенергетики — су- купності методів і технічних засобів збиран- ня, перетворення та використання спожива- чем енергії сонячної радіації оптичного діа- пазону в космічному просторі. Досліджували задачі динаміки, що виникають у процесі розгортання КТС, створення систем керу- вання орбітальним положенням, орієнта- цією і формою поверхні елементів косміч- них геліоенергетичних систем. У результаті аналізу виокремлено низку актуальних на- прямів робіт у цій галузі [4, 8, 26–30]: • розроблення методів розрахунку орбі- тальних переходів і алгоритмів корекції ор- бітального положення з використанням сил тиску сонячного випромінювання й елек- трореактивних двигунів та методів вибору розподілу виконавчих органів систем керу- вання орбітальним положенням на велико- габаритних пружних конструкціях, що за- безпечує мінімальні силові навантаження і коливання; • створення ефективних способів керу- вання орієнтацією і кутової стабілізації пружних великогабаритних конструкцій; • розроблення пасивних і активних варі- антів компенсації спотворення форми по- верхні протяжних космічних конструкцій, методів розподілу датчиків спотворення форми, виконавчих органів і алгоритмів ко- рекції форми поверхні; • створення виконавчих органів систем керування для великогабаритних косміч- них конструкцій (електрореактивні двигу- ни, гіродини, відбивачі сонячного випро- мінювання). Важливе значення має вирішення завдань експериментальних досліджень у галузі ство- рення космічних геліоенергетичних систем. Сформульовано завдання проведення назем- них експериментів, досліджень на борту ор- бітальної космічної станції і таких, що по- в’язані з проведенням модельних і масштаб- них демонстраційних експериментів [12]. Великі відбивні поверхні — функціональ- но необхідний елемент перспективних кос- мічних систем. Потреба в поліпшенні тех- нічних характеристик великогабаритних кос- мічних рефлекторів, плівкових відбивачів визначається розвитком супутникового зв’язку, радіоастрономії, геліоенергетики, завдання- ми вивчення Місяця і планет Сонячної сис- теми, дослідження далекого космосу [4]. 10 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2013, № 7 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ В Інституті технічної механіки у співпраці з фахівцями Інституту космічних споруд (Грузія) проведено дослідження різних ас- пектів функціонування трансформованих космічних рефлекторів. Для конструкції пе- люсткового космічного радіотелескопа, подіб- ної до розгорнутої в липні 1999 р. на станції «Мир» у ході експерименту «Рефлектор», розраховували щільність теплових потоків на елементи конструкції, температурне поле конструкції для різних положень рефлекто- ра на орбіті, теплові деформації елементів конструкції. Проводили також дослідження процесів формоутворення вантових великогабарит- них трансформовних космічних рефлекто- рів [4, 29]. Запропоновано підхід до дослі- дження процесів формоутворення, що ґрун- тується на декомпозиції механічної системи і виділенні незалежних модулів — формоут- ворювальних елементів. Аналіз особливо- стей конструкції з урахуванням результатів імітаційного моделювання динаміки дав змо- гу визначити умови обґрунтованої застосов- ності квазістатичної постановки задачі. Роз- роблено дискретні й континуальні моделі формоутворення, запропоновано алгоритми керування формою відбивної поверхні, роз- глянуто варіанти їх технічної реалізації. Ефективність розроблених моделей і алго- ритмів підтверджена порівняльним аналізом результатів комп’ютерного моделювання. На основі методів рухомого керування, раніше розвинених автором [1], продовжено дослідження проблеми рухомого керування великими космічними конструкціями з ви- користанням тиску сонячного випроміню- вання [12, 27]. Запропоновано новий підхід до матема- тичного опису динаміки великої космічної конструкції як деформівного тіла [29], вве- дено поняття кінематичних параметрів сто- совно руху деформівного тіла і враховано кінцеву швидкість поширення механічної взаємодії. Тривимірну модель динаміки за- мінено еквівалентною чотиривимірною мо- деллю статики, для якої отримані рівняння рівноваги сил і моментів. ДИНАМІКА КОСМІЧНИХ МАНІПУЛЯТОРІВ Дослідження динаміки космічних апаратів з маніпуляційними системами розпочалися в 80-ті роки ХХ ст. у межах фундаментальних науково-дослідних робіт. Подальшого роз- вит ку ці роботи набули під час відпрацюван- ня транспортного космічного маніпулятора (система «Буран») у рамках контрактів з НВО «Енергія» і ЦНДІ РТК. Нині, з огляду на нові задачі, крім транспортних завдань із переміщення корисних вантажів актуальни- ми стають нові проблеми, пов’язані зі зби- ранням конструкцій у космосі, сервісним об- слуговуванням космічних апаратів, бороть- бою з космічним сміттям. При цьому необ- хідність автоматизації монтажно-сер вісних операцій слід вважати одним із факторів, що визначають у найближчій перспективі тен- денції розвитку космічних маніпуляторів. Це припущення ґрунтується на аналізі на- прямів технічного вдосконалення наявних ма ні пу ля ційних систем, складі проведених і запланованих космічних експериментів і дослі дницьких програм [2, 3]. Отже, акту- альність подальших досліджень у галузі ди- наміки бортових маніпуляторів космічних апаратів визначається такими факторами: • універсальність і різноманіття завдань для маніпуляційних систем, наприклад зби- рання на орбіті; • виникнення нових завдань, таких як сервісне обслуговування КА на орбіті; • поява проблеми виведення з орбіт фрагментів космічної техніки. Космічні маніпуляційні системи як об’єкти керування мають низку специфічних особ- ливостей: рухливість основи маніпулятора (космічного апарата) в інерціальному про- сторі; відносно мала маса маніпуляційного механізму; мала потужність двигунів приво- дів ступенів рухливості; наявність неліній- ностей (люфти механічних передач, характе- ристики приводу); пружна податливість ла- нок і редукторів. Наведені ознаки надають космічним мані- пуляційним системам унікальності з погля- ду дослідження динаміки. Під час вибору 11ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2013, № 7 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ розрахункових схем звертають увагу також на можливості сучасних комп’ютерних засо- бів, зокрема особливості пакетів моделю- вання динаміки систем тіл, які значно по- легшують процес отримання рівнянь руху складних систем, але для врахування пруж- них властивостей елементів конструкції по- требують використання спеціальних прийо- мів. Слід відзначити також необхідність урахування особливостей моделювання різ- них режимів руху маніпулятора, наприклад транспортних для переміщення корисного вантажу і контактно-силових під час вико- нання монтажно-сервісних операцій. У результаті проведених досліджень впливу пружної податливості елементів конст рукції бортового маніпулятора кос- мічного апарата на динаміку маніпулюван- ня отримано низку цікавих результатів, що мають прикладне значення. Сформовано методичні підходи, які можна використати в дослідженнях перспективних космічних маніпуляційних систем різного призначен- ня [2–8]. Зок рема, продемонстровано ефек- тивність по етапного підходу до побудови ієрархічної сукупності математичних моде- лей динаміки [6], запропоновано методику синтезу виконавчої системи керування, основану на використанні для попередньо- го вибору структури й параметрів регулято- ра досить простих математичних моделей з подальшим аналізом обґрунтованості прий- нятих спрощувальних припущень. Сфор- мульовано поняття опорної конфігурації, що дало змогу застосувати для синтезу ви- конавчої системи керування метод «замо- рожених» параметрів без апріорного ви- значення опорної траєкторії. Розроблено методику синтезу оптималь- ного керування рухом космічної маніпу- ляційної системи. Використаний критерій оптимальності задовольняє вимогу мінімі- зації відхилень узагальнених координат, у тому числі зумовлених пружними відхилен- нями. Основну проблему синтезу — призна- чення великої кількості параметрів функці- оналу якості, зведено до підбору мінімальної кількості параметрів. Запропонована мето- дика синтезу програмних рухів ураховує, що за наявності пружних відхилень кон- струкції маніпулятора вибір темпу руху вантажу, який переноситься, є природним етапом синтезу рухів. Сформульовано закон руху вантажу, який забезпечує плавність зміни швидкості й прискорення вантажу і спрощує процедуру синтезу. Сьогодні дослідження ІТМ НАН України і ДКА України в галузі динаміки космічних маніпуляційних систем зосереджено на роз- робленні моделей і алгоритмів керування рухом за наявності контактної взаємодії ма- ніпулятора й об’єкта маніпулювання, що властиво монтажно-сервісним операціям та операціям захоплення об’єкта, наприклад космічного сміття. СИСТЕМИ ЗАПОБІГАННЯ ЗАСМІЧЕННЮ Й ОЧИЩЕННЯ НАВКОЛОЗЕМНОГО КОСМІЧНОГО ПРОСТОРУ Нині відомо дві концепції, розроблені Міжагенційним комітетом з космічного сміт- тя (Inter-Agency Space Debris Coordination Committee). Перша полягає в тому, що об’єк- ти космічної техніки, які відпрацювали свій термін, слід виводити з робочих орбіт не піз- ніше ніж через 25 років, причому вже сьогод- ні ця цифра може бути зменшена. Це озна- чає, що КА мають бути забезпечені відповід- ними системами виведення. Друга концепція основана на потребі очищення навколозем- ного простору від існуючих фрагментів кос- мічного сміття. Спільно з КБ «Південне» в ІТМ НАН України і ДКА України розпочато роботу над створенням двох систем виведення тре- тього ступеня РН «Циклон-4». Одна з них ґрунтується на використанні надувних еле- ментів, а друга — на застосуванні електроди- намічної космічної тросової системи. Розпочато також роботу за проектом 7-ї Європейської рамкової програми у ве- ликій міжнародній кооперації над проек- том LEOSWEEP, головним завданням яко- го є створення орбітального космічного апарата для виведення з низьких орбіт ве- ликих фрагментів космічного сміття. 12 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2013, № 7 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ 1. Алпатов А.П. Подвижное управление механичес- кими системами. — К.: Наук. думка, 1998. — 246 с. 2. Алпатов А.П., Белоножко П.А., Белоножко П.П. и др. Тенденции развития космических манипуля- ционных систем // Информационные технологии в управлении сложными системами: сб. докл. науч. конф. — Днепропетровск, 2011. — С. 176–180. 3. Алпатов А.П., Белоножко П.А., Белоножко П.П. и др. Перспективы использования и особенности ис- следования динамики космических манипулято- ров с упругими конструктивными элементами // Техническая механика. — 2012. — № 1. — С. 82–93. 4. Алпатов А.П., Белоножко П.А., Белоножко П.П. и др. Актуальные задачи динамики космических аппара- тов с пространственно развитыми периферийными элементами // Техническая механика. — 2007. — № 2. — С. 32–38. 5. Алпатов А.П., Белоножко П.А., Белоножко П.П. и др. Особенности синтеза системы управления кос- мическим манипулятором // Актуальные пробле- мы авиационных и аэрокосмических систем. — 2010. — Т. 15, № 2(31). — С. 38–57. 6. Маслова А.И., Пироженко А.В. К моделированию аэродинамического момента, действующего на спутник // Космические исследования. — 2010. — Т. 48, № 4. — С. 371–379. 7. Алпатов А.П., Белоножко П.А., Горбунцов В.В. и др. Динамика пространственно развитых механиче- ских систем изменяемой конфигурации. — К.: Наук. думка, 1990. — 256 с. 8. Алпатов А.П., Белоножко П.А., Белоножко П.П. и др. Особенности моделирования динамики слож- ных авиационных и космических систем // Тр. XXXVI акад. чтений по космонавтике. — М., 2012. — С. 470–471. 9. Алпатов А.П. Развитие методологии системного анализа проблем космической отрасли, исследова- ние динамики объектов ракетно-космической тех- ники // Техническая механика. — 2008. — № 2. — С. 139–154. 10. Алпатов А.П., Белоножко П.А., Пироженко А.В. и др. Динамика и управление движением сложных механических систем // Техническая механика. — 2001. — № 2. — С. 110–121. 11. Alpatov A.P., Beletsky V.V., Dranovskii V.I. et al. Dy- namics of tethered space systems. — CRC Press, 2010. — ISBN 978-1-4398-3685-9. 12. Алпатов А.П., Хорошилов С.В. Анализ способов управления ориентацией космической солнеч- ной электростанции // Техническая механика. — 2005. — № 1. — С. 3–12. 13. Алпатов А.П., Белецкий В.В., Драновский В.И. и др. Динамика космических систем с тросовыми и шарнирными соединениями. — М.-Ижевск: Регу- лярная и хаотическая динамика, 2007. — 560 с. 14. Алпатов А.П., Белецкий В.В., Драновский В.И. и др. Ротационное движение космических тросовых си- стем. — Днепропетровск-Вена-К.-М.: ИТМ НАНУ и НКАУ, 2001. — 404 с. 15. Пироженко А.В. Управление движением связки двух тел в гравитационном поле изменением дли- ны связи // Космические исследования. — 1990. — Т. 30, № 4 — С. 473–482. 16. Алпатов А.П., Белоножко П.А., Пироженко А.В., Шабохин В.А. Об эволюции ротационного движе- ния связки двух тел на орбите // Космические ис- следования. — 1990. — Т. 28, № 5. — С. 692–701. 17. Алпатов А.П., Драновский В.И., Закржевский А.Е. и др. Космические тросовые системы. Обзор проб- лемы // Космічна наука і технологія. — 1997. — Т. 3, № 5/6. — С. 21–29. 18. Алпатов А.П., Белецкий В.В., Драновский В.И. и др. Динамика малых космических тросовых си- стем, стабилизированных вращением // Техниче- ская механика. — 2001. — № 1. — С. 85–100. 19. Алпатов А.П., Пироженко А.В. Теоретические и экспериментальные исследования космических тросовых систем // Космічні дослідження в Укра- їні 2002–2004. — С. 85–90. 20. Алпатов А.П., Белоножко П.А., Пироженко А.В. Экспериментальное определение кинематичес- ких параметров тел при их отделении толкате- лем // Техническая механика. — 1998. — № 8. — С. 33–44. 21. Алпатов А.П., Гусинин В.П., Мищенко А.В., Пиро- женко А.В. Исследования на наноспутниках взаи- модействия электродинамической тросовой сис- темы с ионосферной плазмой // Вісн. Чер каського держ. технолог. ун-ту. — 2007. — Спецвипуск. — С. 154–157. 22. Алпатов А.П., Гребенкин Ф.Н., Мищенко А.В., Пи- роженко А.В. Электродинамическая тросовая си- стема увода космических аппаратов с орбит. По- становка задач исследований на наноспутниках // Вісн. ДНУ. — 2006. — № 2/2. — С. 5–10. 23. Alpatov A.P., Khoroshilov V.S., Pirozhenko A.V., Volo- shenjuk O.L. Study of the basic variables of a cable- tether system intended as an electromechanical lin- kage between space vehicles // Космiчна наука i технологiя. — 2000. — Т. 6, № 4. — С. 129–131. 24. Пироженко А.В., Храмов Д.А. Тросовая система гравитационной стабилизации спутников // Кос- мические исследования. — 2010. — Т. 48, № 6. — С. 557–564. 25. Alpatov A., Dranovskii V., Khoroshilov V. et al. Re- search of dynamics of space cable systems stabilized by rotation // 48th Int. Astronaut. Congr. (1997, Tu- rin, Italy). — Turin, 1997. — A. 2.10. — Р. 11. 13ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2013, № 7 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ 26. Алпатов А.П., Белоножко П.А., Белоножко П.П. и др. Большие отражающие поверхности в космосе // Сис- темні технології. — 2007. — Вип. 3(50). — С. 73–87. 27. Алпатов А.П., Науменко Р.Н., Салтыков Ю.Д. и др. Минимизация момента солнечного давления в за- дачах ориентации космического аппарата // Тех- ническая механика. — 1998. — № 7. — С. 27–33. 28. Алпатов А.П., Науменко Р.Н. Оптимизация кон- струкции геостационарного космического аппара- та, содержащего два элемента большой парусно- сти // Космічна наука і технологія. — 1997. — Т. 3, № 5/6. — С. 43–46. 29. Alpatov A.P., Delamoure V.P., Khramov D.A., Belono- zhko P.P. «Dynamics» Experiment. Check of adequa- cy of mathematical models of the highly deformable low-elastic large-area surfaces under microgravity // Космічна наука і технологія. — 2000. — Т. 6, № 4. — С. 132. 30. Dranovskyi V., Khoroshylov V., Saltiikov U. et al. Com- pensation of heat deformations of extended space constructions // 49th IAF Int. Astronaut. Congr. — Bremen: 1998. — Р. 24. А.П. Алпатов Институт технической механики НАН Украины и ГКА Украины ул. Лешко-Попеля, 15, Днепропетровск, 49005, Украина ДИНАМИКА ПЕРСПЕКТИВНЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ Значительное количество перспективных космиче- ских аппаратов по своей механической сути являются пространственно развитыми механическими система- ми изменяемой конфигурации. Методы исследования их динамики могут быть выделены как раздел динами- ки системы твердых тел, соединенных упругими удер- живающими и неудерживающими связями, движу- щихся под действием внешних сил. Необходимость выделения такого класса систем связана как с тем, что им присуще нечто общее, отличающее их от всех дру- гих в формализмах исследования динамики, так и с тем, что результаты развития теории их движения мо- гут быть приложены к ряду технических систем, харак- теризующихся сходными конструктивными признака- ми и областями применения. Естественными и очевид- ными представителями таких систем являются так называемые большие космические конструкции, пред- назначенные для работы в космосе в условиях, близких к невесомости, и имеющие большие размеры в том или ином измерении. Модели их динамики обычно пред- ставлены системами дифференциальных уравнений движения, а под математическим моделированием по- нимают численное решение этих уравнений или анали- тические интерпретации возможных решений. Особен- ности исследования динамики таких космических кон- струкций и систем представлены в докладе. Ключевые слова: динамика, моделирование, боль- шие космические конструкции, ориентация, управле- ние, устойчивость. A.P. Alpatov Institute of Technical Mechanics of the National Academy of Sciences of Ukraine and the State Space Agency of Ukraine 15 Leshko-Popel St., Dnipropetrovsk, 49005, Ukraine DYNAMICS OF ADVANCED SPACECRAFTS A significant amount of future spacecrafts are spatially developed mechanical systems of variable configuration. Methods of their dynamics study can be highlighted as the part of dynamics of rigid bodies connected by various constraints moving under the influence of external forces. Need for the provision of such class of systems is due both to the fact that it is something inherent in common, which distinguishes them from all other formalisms to study dy- namics and the fact that the results of the theory of mo- tion can be applied to a variety of technical systems with a similar design features and areas of application. Natural and obvious representatives of such systems are large space structures designed for use in space. Models of their dynamics are usually represented by systems of differen- tial equations of motion, and the numerical solution of these equations or analytical interpretation of possible solutions are understood as mathematical modeling. Fea- tures of such space structures and systems dynamics study are presented in the paper. Keywords: dynamics, modeling, large space structures, orientation, control, stability.

Динаміка перспективних космічних апаратів (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 29 травня 2013 року)

Institution

Ähnliche Einträge