Авторы
Екимовская А.А.
Организации
ФГБОУ ВО НИУ "Московский авиационный институт"
Сессия
Теория и моделирование физических процессов
Подсекция
Мусор
Форма представления
Устный
Научный руководитель
Лебедев Владимир Валентинович
Место работы научного руководителя
МБОУ "Гимназия 5", г. Королёв, Московская обл.
Текст тезисов
Цель работы – обеспечить орбитальное маневрирование космического аппарата (КА) без использования химического топлива: исключение из состава КА опасных веществ, энергетическое обеспечение малых КА.
Традиционные конструкции космических аппаратов практически полностью исчерпали предел своих технических возможностей. Для дальнейшего освоение космического пространства нужны принципиально новые технические решения. Вращающиеся космические системы являются новым предложением в развитии космической техники. В настоящее время всё больше внимания начинают уделять малым космическим аппаратам для построения глобальных группировок связи и дистанционного зондирования Земли. Уменьшение размеров космических аппаратов не решило, а напротив, обострило проблему энергетического обеспечения и межорбитального маневрирования объектов. В конструкции малого размера нельзя разместить топливо для работы двигательной установки, поэтому небольшие объекты проектируют для строго определённых орбит без возможности маневрирования в космосе. Актуальной стала новая задача замены энергии химического топлива другими видами энергии, обязательно безопасными, для орбитального маневрирования малых КА.
Объектом исследования являются вращающиеся космические системы, как тросовые, так и жёсткие. Начато изучение обоих видов вращающихся конструкций. Предмет исследования связан с комплексом характеристик нового вида космических аппаратов. Для тросовых систем сначала были изучены нагрузки, возникающие в гибких связях при вращении [1]. Затем началось изучение орбитального маневрирования вращающихся систем после разрыва связи [3,4]. Вращательная энергия системы может быть использована для получения маневрового импульса. Например, для безопасного возвращения КА на Землю с низкой орбиты нужен тормозной импульс не более 100 м/с. Такую скорость обеспечит вращающаяся тросовая или жёсткая система радиусом 100 метров с угловой скоростью вращения 1 рад/с после разрыва связи. Это вполне приемлемые технические характеристики, особенно для беспилотных КА. Для пилотируемых КА вращение системы, конечно, с меньшими скоростями, позволяет создать искусственную гравитацию. Таким образом, задача сразу стала системной, комплексной. Так как система вращается, то векторы скоростей связанных тех изменяют направление. Вектор скорости центра масс КА должен лежать в плоскости вращения. Разрыв троса надо выполнить управляемо, то есть в момент, когда скорость от вращения одного груза сонаправлена скорости центра масс КА, а скорость другого груза противоположно направлена. Тогда после разрыва троса или жёсткой связи первый груз получит разгонный импульс и увеличит высоту апогея, а второй груз затормозится и уменьшит высоту перигея.
Для проверки выдвинутой гипотезы и предложенного технического решения были проведены тестовые расчёты. Для орбитального манёвра Гомана нужны два импульса, поэтому тросовая система должна иметь две разрывающиеся связи, в перигее для поднятия апогея, а потом в апогее для поднятия перигея при восходящем манёвре. При нисходящем – всё наоборот.
Выводы по работе.
1. Безопасность обусловлена отсутствием на борту КА химического топлива. Для маневрирования используется энергия вращения.
2. Вращающаяся система – аккумулятор механической энергии. Для пилотируемых КА вращение быстрее 1 град/с не допустимо по медицинским ограничениям, для беспилотных КА ограничений нет.
3. Раскрутку системы можно выполнить либо на Земле перед стартом в случае малых КА под обтекателем, либо на орбите. Во втором случае требуется топливо, но оно будет сразу израсходовано, не нужно хранить на орбите опасные вещества.
4. В РКК «Энергия» разработан проект возвращения КА с помощью качающейся тросовой системы. Если качательное движение способно перевести КА на другую орбиту, то вращение и подавно повторит то же самое.
5. Этим способом можно уменьшить засорение орбит, возвращая объекты на Землю.
6. Подана заявка на патент на изобретение (2021126157) «Способ межорбитального маневрирования КА» [4].
7. Разработана учебная установка для демонстрации сил во вращающейся тросовой системе. Подготовлена вторая заявка на патент на изобретение.
Список использованных источников
1. Екимовская А.А. Применение табличного редактора Microsoft Excel для решения задачи о космической тросовой вращающейся системе / Научно-методическое издание: Материалы XXXI конференции «Современные информационные технологии в образовании». Ред. Группа: Алексеев М.Ю. и др. – Фонд новых технологий в образовании «БАЙТИК», ИТО-Троицк-Москва, 2-3 июля 2020. – 572 с. – ISBN 978-5-89513-468-9. – С.507-511.- Эл. ресурс: https://lk-ito.bytic.ru/uploads/files/materials.pdf
2. Екимовская А.А. Применение вращающихся тросовых космических систем для орбитального перехода Гомана / Ред. Группа: Алексеев М.Ю., Алексеева О.С., Калабухова Д.А., Киревнина Е.И. Научно-методическое издание. Материалы IV Всероссийской конференции «Умный мир руками детей» (Электронное издание), Троицк-Москва, 29-30 июня 2021 г. – 224 с. – Ил. – С.84-90. – ISBN 978-5-89513-495-5.
3. Екимовская А.А. Орбитальный переход Гомана посредством вращающихся тросовых систем / VI Музруковские чтения: Материалы Международной научно-практической конференции , 25-29.09.2021 г. – ГБПОУ СПТ им. Б.Г.Музрукова, отв. за вып. И.В.Столяров. – Саров: Интерконтакт, 2021. – 422 с. – ISBN 978-5-6045873-1-7. – С.41-46.
4. Екимовская А.А. Способ межорбитального маневрирования космического аппарата. Заявка на патент на изобретение RU № 2021126157, приоритет от 06.09.2021 г.
Традиционные конструкции космических аппаратов практически полностью исчерпали предел своих технических возможностей. Для дальнейшего освоение космического пространства нужны принципиально новые технические решения. Вращающиеся космические системы являются новым предложением в развитии космической техники. В настоящее время всё больше внимания начинают уделять малым космическим аппаратам для построения глобальных группировок связи и дистанционного зондирования Земли. Уменьшение размеров космических аппаратов не решило, а напротив, обострило проблему энергетического обеспечения и межорбитального маневрирования объектов. В конструкции малого размера нельзя разместить топливо для работы двигательной установки, поэтому небольшие объекты проектируют для строго определённых орбит без возможности маневрирования в космосе. Актуальной стала новая задача замены энергии химического топлива другими видами энергии, обязательно безопасными, для орбитального маневрирования малых КА.
Объектом исследования являются вращающиеся космические системы, как тросовые, так и жёсткие. Начато изучение обоих видов вращающихся конструкций. Предмет исследования связан с комплексом характеристик нового вида космических аппаратов. Для тросовых систем сначала были изучены нагрузки, возникающие в гибких связях при вращении [1]. Затем началось изучение орбитального маневрирования вращающихся систем после разрыва связи [3,4]. Вращательная энергия системы может быть использована для получения маневрового импульса. Например, для безопасного возвращения КА на Землю с низкой орбиты нужен тормозной импульс не более 100 м/с. Такую скорость обеспечит вращающаяся тросовая или жёсткая система радиусом 100 метров с угловой скоростью вращения 1 рад/с после разрыва связи. Это вполне приемлемые технические характеристики, особенно для беспилотных КА. Для пилотируемых КА вращение системы, конечно, с меньшими скоростями, позволяет создать искусственную гравитацию. Таким образом, задача сразу стала системной, комплексной. Так как система вращается, то векторы скоростей связанных тех изменяют направление. Вектор скорости центра масс КА должен лежать в плоскости вращения. Разрыв троса надо выполнить управляемо, то есть в момент, когда скорость от вращения одного груза сонаправлена скорости центра масс КА, а скорость другого груза противоположно направлена. Тогда после разрыва троса или жёсткой связи первый груз получит разгонный импульс и увеличит высоту апогея, а второй груз затормозится и уменьшит высоту перигея.
Для проверки выдвинутой гипотезы и предложенного технического решения были проведены тестовые расчёты. Для орбитального манёвра Гомана нужны два импульса, поэтому тросовая система должна иметь две разрывающиеся связи, в перигее для поднятия апогея, а потом в апогее для поднятия перигея при восходящем манёвре. При нисходящем – всё наоборот.
Выводы по работе.
1. Безопасность обусловлена отсутствием на борту КА химического топлива. Для маневрирования используется энергия вращения.
2. Вращающаяся система – аккумулятор механической энергии. Для пилотируемых КА вращение быстрее 1 град/с не допустимо по медицинским ограничениям, для беспилотных КА ограничений нет.
3. Раскрутку системы можно выполнить либо на Земле перед стартом в случае малых КА под обтекателем, либо на орбите. Во втором случае требуется топливо, но оно будет сразу израсходовано, не нужно хранить на орбите опасные вещества.
4. В РКК «Энергия» разработан проект возвращения КА с помощью качающейся тросовой системы. Если качательное движение способно перевести КА на другую орбиту, то вращение и подавно повторит то же самое.
5. Этим способом можно уменьшить засорение орбит, возвращая объекты на Землю.
6. Подана заявка на патент на изобретение (2021126157) «Способ межорбитального маневрирования КА» [4].
7. Разработана учебная установка для демонстрации сил во вращающейся тросовой системе. Подготовлена вторая заявка на патент на изобретение.
Список использованных источников
1. Екимовская А.А. Применение табличного редактора Microsoft Excel для решения задачи о космической тросовой вращающейся системе / Научно-методическое издание: Материалы XXXI конференции «Современные информационные технологии в образовании». Ред. Группа: Алексеев М.Ю. и др. – Фонд новых технологий в образовании «БАЙТИК», ИТО-Троицк-Москва, 2-3 июля 2020. – 572 с. – ISBN 978-5-89513-468-9. – С.507-511.- Эл. ресурс: https://lk-ito.bytic.ru/uploads/files/materials.pdf
2. Екимовская А.А. Применение вращающихся тросовых космических систем для орбитального перехода Гомана / Ред. Группа: Алексеев М.Ю., Алексеева О.С., Калабухова Д.А., Киревнина Е.И. Научно-методическое издание. Материалы IV Всероссийской конференции «Умный мир руками детей» (Электронное издание), Троицк-Москва, 29-30 июня 2021 г. – 224 с. – Ил. – С.84-90. – ISBN 978-5-89513-495-5.
3. Екимовская А.А. Орбитальный переход Гомана посредством вращающихся тросовых систем / VI Музруковские чтения: Материалы Международной научно-практической конференции , 25-29.09.2021 г. – ГБПОУ СПТ им. Б.Г.Музрукова, отв. за вып. И.В.Столяров. – Саров: Интерконтакт, 2021. – 422 с. – ISBN 978-5-6045873-1-7. – С.41-46.
4. Екимовская А.А. Способ межорбитального маневрирования космического аппарата. Заявка на патент на изобретение RU № 2021126157, приоритет от 06.09.2021 г.