ВЛИЯНИЕ ВОЛНОВЫХ ПРОЦЕССОВ НА ДИНАМИКУ КОСМИЧЕСКИХ ТРОСОВЫХ СИСТЕМ

проф., д.ф.-м.н. Н.Н. Смирнов, в.н.с., д.ф.-м.н. А.А. Малашин, инженер П.А. Дьяков

Использование тросовых систем в космосе является одним из наиболее динамично развивающихся направлений по освоению космического пространства. Космические тросовые системы предполагаются как комплекс спутников, соединенных длинными (до сотен километров) тросами, по которым может перемещаться нагрузка.

Для расчета динамики тросовых систем на орбите традиционно применяются методы теоретической механики. Данный подход позволяет довольно точно описать характер движения твердых тел и совместную динамику системы на орбите. Однако, при функционировании системы возникают моменты, когда колебательные процессы в гибкой связи (тросе) могут существенно влиять на динамику других ее элементов. В этих случаях целесообразно рассмотреть трос как гибкую упругую растяжимую нить и описать его динамику методами механики деформируемого твердого тела.

В качестве примера влияния колебаний троса на систему можно привести финальную стадию размотки троса с орбиты в рамках эксперимента YES-2 (2007). В рамках данного эксперимента проводилась доставка капсулы Fotino c головного аппарата Foton, размещенного на околоземной орбите, на Землю (рис. 1). Предполагалось, что трос с прикрепленной Fotino будет размотан вдоль предварительно расчитанной траектории на 32 км, после чего будет перерезан и Fotino начнет спуск в атмосферу Земли.

Однако, к концу размотки Fotino двигался быстрее, чем было запланировано полетным заданием, а в тросе наблюдались продольные колебания большой амплитуды. Тензодатчиками на Fotonе было зафиксирован проход трех продольных волн после окончания размотки троса на всю длину(скачки натяжения с интервалом порядка 6,4 секунд), после чего натяжение в тросе упало практически до 0 (рис.2). Подобное падение натяжения означает, что Fotino перестала "чувствовать" трос и начала двигаться как твердое тело на орбите, без учета воздействия троса не нее. Теоретические расчеты скорости Fotino показали, что она начала возвратное движение к головному спутнику - продольная составляющая скорости меняет знак (рис. 3).

При расчетах миссии YES-2 не учитывались волновые процессы в разматываемом тросе. Однако, при анализе устойчивости процесса размотки с учетом колебательных процессов в тросе, сотрудниками кафедры были получены необходимые условия устойчивости размотки. На основании этих условий были предложены механизмы и алгоритмы управления размотки, которые позволят избежать повышенную скорость оконечной массы в конце размотки и нивелировать влияние продольных колебаний в тросе на ее движение. В случае моделирования размотки с управлением, например, продольная скорость Fotino упала до 0, что означает успешное окончание процесса размотки (рис. 4).

Сотрудники кафедры проводят исследования устойчивости и общей динамики космических тросовых систем с учетом колебательных процессов в гибких связях. Полученные аналитические результаты ложатся в основу механизмов и алгоритмов управления, используемых в реальных орбитальных миссиях.

Публикации:

1. N. N. Smirnov, Y. A. Demyanov, A. V. Zvyaguin et al. Dynamical simulation of tether in orbit deployment // Acta Astronautica. — 2010. — Vol. 67. — P. 324–332. DOI
2. A. A. Malashin, N. N. Smirnov, O. Y. Bryukvina, P. A. Dyakov .Dynamic control of the space tethered system // Journal of Sound and Vibration. — 2017. — Vol. 389. — P. 41–51. DOI
3. Diakov P. A., Malashin A. A., Smirnov N. N. Estimation of parameters of the space tethered system for stable load transportation along the tether // Acta Astronautica. — 2021. —Vol. 181. — P. 602-605. DOI

---