Использование космической тросовой системы для решения задачи доставки груза на орбиту

Тип работы: 
Квалификационная работа бакалавра
Студент: 
Жаринов М. К.
Научный руководитель: 

Ледков А. С.

Год защиты работы: 
2012

Целью работы является исследование возможности доставки груза на орбиту с помощью радиально ориентированной космической тросовой системы. Для ее достижения в работе ставятся следующие задачи: провести анализ существующих схем вывода груза на орбиту, подразумевающих использование космических тросовых систем (КТС); разработать математическую модель, описывающую динамику космических тросовых системдо и после стыковкис выводимым на орбиту грузом; определить условия стыковки, обеспечивающие вывод груза на высокую орбиту.

Для доставки груза с поверхности Земли на орбиту традиционно используют ракетоносители. В последние десятилетия активно ведутся работы по созданию альтернативных схем доставки груза с использованием космических тросовых систем. Их главным достоинством является снижение стоимости осуществления маневра за счёт отказа от использования последней ступени ракетоносителя. Актуальность настоящей работы обусловлена практической необходимостью решения задачи доставки полезного груза с Земли на орбиту, определяется возможностью снижения стоимости этой транспортной операции за счет отказа от использования ракетного топлива.

В научной литературе обсуждается несколько способов перевода груза на более высокую орбиту, используя КТС [1]: с помощью космического лифта – инженерное сооружение, обеспечивающее постоянную транспортную связь между поверхностью планеты и ближним космосом. В настоящее время в основе концепции космического лифта лежит предположение о подвесной конструкции, базирующейся на длинном тросе, закрепленном в области экватора на поверхности Земли и простирающемся за пределы геостационарной орбиты [2]. Более простая модель КТС представляет собой космический эскалатор. На орбите Земли на разных высотах размещается несколько радиально ориентированных КТС. Спутник выводится на низкую орбиту, где пристыковывается к нижнему концу КТС и перетягивается с помощью специального подъемного механизма по тросу наверх. Там он расстыковывается и летит к следующей КТС. Вывод грузов на орбиту возможен также возможен с использованием вращающихся вокруг центра масс КТС. Груз выводится на низкую орбиту, где стыкуется с низшим концом КТС. Трос обеспечивает передачу энергии и количества движения от находящегося на орбиту спутника выводимому грузу. После того как груз, совершая вращение в рамках КТС, попадает в высшую точку, происходит расстыковка [3].

В рамках данной работы рассматривается новая комбинированная схема вывода груза с помощью КТС, совмещающая в себе достоинства космического эскалатора и вращающейся связки. Ее суть заключается в следующем: с помощью ракетоносителя на низкую орбиту доставляют груз, который пристыкуется к нижнему концу КТС. После этого вся система под действием реактивных или инерциальных сил переходит во вращение. Когда груз в результате вращения КТС займет наивысшее положение он отстыковывается и продолжает свободное движение на более высокой орбите. Таким образом, рассматриваемая схема совмещает в себе простоту стыковки, присущую эскалатору и простоту технической реализации (отсутствие движущегося по тросу подъемника) вращающейся связки.

Научная новизна работы заключается в следующем: исследована новая комбинированная схема вывода груза на орбиту. Получена диаграмма, позволяющая судить о возможности вывода груза на более высокую орбиту за счет сил инерции.

Практическая значимость работы заключается в возможности непосредственного использования ее результатов для создания новых образцов ракетно-космической техники, включающих в себя протяженные тросы.

В работе рассмотрены различные способы вывода груза на орбиту: традиционный и с помощью КТС. В результате анализа достоинств и недостатков существующих схем была предложена новая комбинированная схема вывода груза. Для анализа динамики КТС была разработана математическая модель. При разработке использовалисьследующие допущения: предполагалось, что на систему действует только гравитационная сила; несущий спутник, с которого развернута тросовая система и грузпредставлялся в виде материальной точки; движение системы рассматривалось в плоскости орбиты. Численное моделирование проводится для случая круговой орбиты для математической модели с невесомым упругим и тонким тросом.

С помощью математической модели была выполнена серия расчетов, на основании результатов которых была построена диаграмма возможности вывода груза, позволяющая судить, при каких условиях стыковки удастся реализовать вывод груза на более высокую орбиту. По оси абсцисс диаграммы откладывается проекция вектора скорости на ось Ох, связанная с угловой скоростью отклонения троса от радиального положения. По ординате – проекция на ось Оу, связанная с изменением длины троса. В ней можно выделить две области:первой соответствуют условия стыковки, при которых выводимый КА совершает колебания в окрестности местной вертикали[Field]. Второй соответствует случай, когда КТС после стыковки переходит во вращение, что позволяет выводить какой-либо груз на более высокую орбиту.Если точка в первойобласти, то для вывода требуются дополнительный разгон КТС с помощью реактивного двигателя или электродинамических тросов.

На следующем этапе работы планируется исследовать динамику космической тросовой системы после отстыковки груза; для случая, когда вывод на более высокую орбиту невозможен, провести моделирование и анализ способов дополнительного разгона груза; провести анализ возможных нештатных ситуаций.