RU2562908C2 - Method of control over active space object to be docked to passive space object - Google Patents

Method of control over active space object to be docked to passive space object Download PDF

Info

Publication number
RU2562908C2
RU2562908C2 RU2014103395/11A RU2014103395A RU2562908C2 RU 2562908 C2 RU2562908 C2 RU 2562908C2 RU 2014103395/11 A RU2014103395/11 A RU 2014103395/11A RU 2014103395 A RU2014103395 A RU 2014103395A RU 2562908 C2 RU2562908 C2 RU 2562908C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
orbit
space object
spacecraft
impulse
orbits
Prior art date
Application number
RU2014103395/11A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2014103395A (en
Inventor
Рафаил Фарвазович Муртазин
Original Assignee
Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" filed Critical Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева"
Priority to RU2014103395/11A priority Critical patent/RU2562908C2/en
Publication of RU2014103395A publication Critical patent/RU2014103395A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2562908C2 publication Critical patent/RU2562908C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Control Of Position, Course, Altitude, Or Attitude Of Moving Bodies (AREA)

Abstract

FIELD: transport.
SUBSTANCE: invention relates to space engineering and can be used during approaching and subsequent docking of two space objects. The method includes determination of departure impulse amount and place of application before active spacecraft (ASO) transfer to trajectory of flight to other celestial body based on condition of ASO crossing the orbit of passive spacecraft (PSO). Then the ASO is transferred to the orbit of other celestial body by means of simultaneous application to it a braking impulse (to provide specified orbit height parameters) and lateral impulse (to align planes of docking objects orbits). Against large braking impulse, insignificant lateral impulse will not virtually cause increased fuel consumption by ASO, but will significantly reduce time of ASO flight till docking to PSO.
EFFECT: reduced period of approaching to PSO and lower fuel consumption.
4 dwg, 2 tbl

Description

Предлагаемый способ управления может быть использован в космической технике при сближении и последующей стыковке двух космических объектов, находящихся на орбитах различных небесных тел, например космического корабля (КК), находящегося на орбите вокруг Земли в качестве активного космического объекта (АКО) и орбитальной станции (ОС), находящейся на орбите вокруг любого небесного тела, например Луны (ЛОС) в качестве пассивного космического объекта (ПКО).The proposed control method can be used in space technology during the approach and subsequent docking of two space objects located in the orbits of various celestial bodies, for example, a spacecraft (SC) located in orbit around the Earth as an active space object (AO) and an orbital station (OS) ) located in orbit around any celestial body, such as the Moon (VOC) as a passive space object (FFP).

Известен способ управления, выбранный в качестве аналога, в котором для обеспечения сближения и последующей стыковки двух космических объектов, АКО выводится в плоскость орбиты ПКО. После выведения АКО переводится на так называемую орбиту фазирования, располагающуюся между начальной орбитой АКО и орбитой ПКО для ликвидации начального углового рассогласования между двумя объектами, т.к. находясь на разных орбитах, АКО и ПКО имеют разные угловые скорости вращения вокруг небесного тела. После нескольких витков (число определяется выбранной баллистической схемой сближения) АКО, с помощью двухимпульсного маневра, переводится в окрестность ПКО, где сближение завершается автоматической стыковкой. Такой способ управления активным кораблем применяется при сближении и стыковке КК с ОС [1. Р.Ф. Аппазов, О.Г. Сытин «Методы проектирования траекторий носителей и спутников Земли», Наука, Москва, 1987]. Основным недостатком такого способа управления является то, что для перехода АКО с орбиты выведения на орбиту ПКО и проведения сближения необходимо затратить дополнительное топливо на переход с орбиты фазирования на орбиту ПКО и время на проведение фазирования.A known control method, selected as an analogue, in which to ensure convergence and subsequent docking of two space objects, the AKO is displayed in the plane of the orbit of the FFP. After deducing, the AKO is transferred to the so-called phasing orbit located between the initial orbit of the AKO and the orbit of the FFP to eliminate the initial angular mismatch between the two objects, because being in different orbits, the AKO and FFP have different angular velocities of rotation around the celestial body. After several turns (the number is determined by the selected ballistic approach circuit), the AKO, using a two-pulse maneuver, is transferred to the vicinity of the FFP, where the approach is completed by automatic docking. This method of controlling an active ship is used when approaching and docking the spacecraft with the OS [1. R.F. Appazov, O.G. Sytin, "Methods of designing the trajectories of carriers and satellites of the Earth", Nauka, Moscow, 1987]. The main disadvantage of this control method is that for the transition of the ACS from the orbit to the orbit of the FFP and the convergence, it is necessary to spend additional fuel on the transition from the phasing orbit to the orbit of the FFP and the time for phasing.

Известен способ управления, выбранный в качестве прототипа, включающий последовательное приложение к АКО, находящемуся на орбите одного небесного тела отлетного импульса Vотл и тормозного импульса Vторм для перехода на орбиту другого небесного тела с заданными параметрами по высоте и положению плоскости орбиты. Такой способ управления активным кораблем применялся при проведении лунных миссий по программе "Apollo" [2. В.И. Левантовский "Механика космического полета в элементарном изложении", Наука, Москва, 1970].A known control method, selected as a prototype, includes a sequential application to an AQS located in the orbit of one celestial body of the take-off impulse V exl and the brake impulse V brakes to go into the orbit of another celestial body with specified parameters in height and position of the orbit plane. This method of controlling an active ship was used during lunar missions under the Apollo program [2. IN AND. Levantovsky "The mechanics of space flight in an elementary exposition", Nauka, Moscow, 1970].

Первый отлетный импульс Vотл переводит АКО с орбиты искусственного спутника Земли (ИСЗ) на переходную орбиту по траектории отлета к Луне, обеспечивая по окончанию перелета заданное положение плоскости орбиты, определяемой наклонением i и долготой восходящего узла ΩВУ, а также требуемую высоту периселения. Второй тормозной импульс Vторм, выполняемый в периселении против вектора скорости, обеспечивает переход АКО на целевую орбиту искусственного спутника Луны (ИСЛ) с заданными параметрами по высоте.The first take-off impulse V excursion transfers the AKO from the orbit of an artificial Earth satellite (AES) to a transitional orbit along the flight path to the Moon, providing at the end of the flight a predetermined position of the orbit plane, determined by the inclination i and the longitude of the ascending node Ω of the VU , as well as the required height of resettlement. The second braking impulse V brake , performed in perisection against the velocity vector, ensures the AKO transition to the target orbit of the artificial moon satellite (ISL) with the specified altitude parameters.

Недостатком этого способа является малая вероятность попадания АКО сразу в окрестность ПКО, что потребует дополнительного времени и топлива на последующее фазирование для окончательного сближения объектов.The disadvantage of this method is the low likelihood of AKO getting directly into the vicinity of the FFP, which will require additional time and fuel for subsequent phasing for the final approach of objects.

Техническим результатом изобретения являются сокращение продолжительности сближения с ПКО, находящемся на орбите другого небесного тела и снижение затрат топлива на сближение.The technical result of the invention is to reduce the duration of the approach to the FFP located in the orbit of another celestial body and reduce the cost of fuel for the approach.

Технический результат достигается благодаря тому, что в способе управления движением АКО, стыкуемого с ПКО, включающем последовательное приложение к АКО, находящемуся на орбите одного небесного тела отлетного импульса Vотл и тормозного импульса Vторм для перехода на орбиту другого небесного тела с заданными параметрами по высоте и положению плоскости орбиты, в отличие от известного, перед переводом АКО на траекторию полета к другому небесному телу, величину и место приложения отлетного импульса Vотл определяют исходя из условия пересечения АКО орбиты ПКО при одновременном нахождении объектов в окрестности точки пересечения орбит, после чего АКО переводят на орбиту другого небесного тела путем одновременного приложения к нему тормозного импульса Vторм для обеспечения заданных параметров по высоте орбиты и бокового импульса ΔVб для совмещения плоскостей орбит стыкующихся объектов, рассчитываемого по формулеThe technical result is achieved due to the fact that in the method of controlling the motion of the ACS that is interfaced with the ACS, which includes the sequential application to the ACS located in the orbit of one celestial body of the take-off impulse V exc and the braking impulse V brakes to go into the orbit of another celestial body with specified height parameters and the position of the orbital plane, in contrast to the known one, before transferring the AKO to the flight path to another celestial body, the magnitude and place of application of the take-off impulse V exc is determined on the basis of the crossover condition cheniya ACH FFP orbit while finding objects in the vicinity of the orbits of the intersection point, whereupon ACH translate the orbit of another celestial body by the simultaneous application thereto braking pulse V Brk for given parameters of orbit altitude and lateral momentum ΔV used for combining orbital planes abutting objects calculated by the formula

Figure 00000001
Figure 00000001

где V0 - орбитальная скорость вращения ПКО вокруг другого небесного тела;where V 0 is the orbital velocity of rotation of the FFP around another celestial body;

ΔΩВУ - разница долгот восходящих узлов орбит стыкующихся объектов;ΔΩ WU - the difference in the longitudes of the ascending nodes of the orbits of the joined objects;

i - наклонение орбиты ПКО;i - the inclination of the orbit of the FFP;

u - аргумент широты ПКО в точке пересечения орбит стыкующихся объектов.u is the argument of the latitude of the FFP at the intersection point of the orbits of the joined objects.

Технический результат в предлагаемом способе управления достигается тем, что отлетный импульс Vотл определяется исходя из условия, что АКО и ПКО, имея рассогласование между плоскостями орбит, одновременно приходят в окрестность точки пересечения орбит в момент выполнения тормозного импульса Vторм. После одновременного приложения тормозного импульса Vторм и бокового импульса ΔVб, угол между плоскостями орбит АКО и ПКО ликвидируется. В результате АКО оказывается в окрестности ПКО без дополнительных затрат топлива и времени на проведение фазирования и последующее сближение. Сущность изобретения поясняется фиг.1÷4 и табл.1÷2,The technical result in the proposed control method is achieved in that the take-off impulse V exc is determined on the basis of the condition that the AKO and FFP, having a mismatch between the orbit planes, simultaneously arrive in the vicinity of the intersection point of the orbits at the time of the execution of the braking impulse V brake . After the simultaneous application of the braking impulse V brake and the lateral impulse ΔV b , the angle between the orbit planes of the ACS and the ACS is eliminated. As a result, the AKO is in the vicinity of the FFP without additional fuel costs and time for phasing and subsequent rapprochement. The invention is illustrated in figure 1 ÷ 4 and table 1 ÷ 2,

где на фиг.1 показана схема сближения КК, в качестве АКО с ОС, в качестве ПКО;where figure 1 shows the approximation scheme of the spacecraft, as AKO with the OS, as the FFP;

на фиг.2 показана схема выведения КК "Apollo-11" с околоземной орбиты на целевую окололунную орбиту;figure 2 shows a diagram of the launch of spacecraft "Apollo-11" from near-Earth orbit to the target near-moon orbit;

фиг.3 показывает взаимную геометрию орбит КК и ЛОС, находящихся на полярных орбитах (i=90°) с разницей по долготе восходящего узла орбиты ΔΩВУ,figure 3 shows the mutual geometry of the orbits of the spacecraft and the VOCs located in polar orbits (i = 90 °) with a difference in longitude of the ascending node of the orbit ΔΩ WU ,

фиг.4 показывает взаимную геометрию пересекающихся орбит КК и ЛОС с различным наклонением и положением восходящих узлов орбиты;figure 4 shows the mutual geometry of the intersecting orbits of the spacecraft and the VOCs with different inclination and position of the ascending nodes of the orbit;

в табл.1 для гипотетического случая представлены результаты численного интегрирования плоского перелета на полярную орбиту ИСЛ с наклонением i=90°, включающие время старта с Земли и время выдачи отлетного импульса Vотл к Луне в UTC (Universal Time Coordinated), время перелета ΔT, долготу восходящего узла орбиты ΩВУ, величины отлетного импульса Vотл и тормозного импульса Vторм;Table 1 for a hypothetical case presents the results of numerical integration of a plane flight into the polar orbit of the ISL with an inclination of i = 90 °, including the time of launch from the Earth and the time of the take-off impulse V departing to the Moon in UTC (Universal Time Coordinated), the flight time ΔT, the longitude of the ascending node of the orbit Ω WU , the magnitude of the take-off impulse V exc and the braking impulse V brake ;

в табл.2 представлены характеристики перелетов с различным временем прихода на орбиту ИСЛ относительно номинального перелета на полярную орбиту ИСЛ с долготой восходящего узла ΩВУ=154°, представленного в табл.1, где Δt - относительное изменение времени прихода на орбиту ИСЛ, u - аргумент широты точки прилета, ΩВУ - долгота восходящего узла орбиты, величины отлетного импульса VOTJ1 и тормозного импульса Vторм, Δtст и Δtотл - изменение времени старта и времени выдачи отлетного импульса Vотл по сравнению с номинальным перелетом, ΔT - время перелета к Луне.Table 2 shows the characteristics of flights with different times of arrival of ISL into orbit relative to the nominal flight to the polar orbit of ISL with the longitude of the ascending node Ω WU = 154 °, presented in Table 1, where Δt is the relative change in the time of arrival into the orbit of ISL, u - the argument of the latitude of the arrival point, Ω WU - the longitude of the ascending node of the orbit, the magnitude of the take-off pulse VOTJ1 and the braking pulse V brakes , Δt st and Δt exc - the change in the start time and the output time of the take-off impulse V exc compared to the nominal flight, ΔT - flight time to the moon.

На фиг.1 показана известная схема сближения КК с ОС. КК выводится на орбиту (поз.1), совпадающую с плоскостью орбиты ОС (поз.2) с начальным фазовым углом Ф. После проведения первого двухимпульсного маневра (V1 и V2) КК переходит на орбиту фазирования (поз.3), для ликвидации углового рассогласования, после чего, посредством проведения двухимпульсного маневра (V3 и V4), осуществляется переход КК в окрестность ОС (поз.4).Figure 1 shows a well-known approximation scheme QC with the OS. The spacecraft is put into orbit (position 1), which coincides with the OS orbit plane (position 2) with the initial phase angle F. After the first two-pulse maneuver (V 1 and V 2 ), the spacecraft passes into the phasing orbit (position 3), for elimination of angular mismatch, after which, by conducting a two-pulse maneuver (V 3 and V 4 ), the spacecraft is transferred to the vicinity of the OS (pos. 4).

На фиг.2 показана известная схема перелета КК "Apollo-11" на орбиту ИСЛ. Вначале КК выводится (поз.1) на орбиту ИСЗ (поз.2). Первым отлетным импульсом Vотл КК переводится на переходную орбиту (поз.3) для перелета к Луне. Величина этого импульса ~3150 м/с. Длительность перелета ~3.5 дня. По достижении периселения орбиты вокруг Луны вторым тормозным импульсом Vторм (~900 м/с), направленным против скорости движения, КК переводится на орбиту ИСЛ (поз.4).Figure 2 shows the well-known flight scheme of the spacecraft "Apollo-11" to the orbit of the ISL. First, the spacecraft is launched (pos. 1) into the satellite orbit (pos. 2). The first take-off impulse V exclusion of the spacecraft is transferred to the transitional orbit (pos. 3) for the flight to the moon. The magnitude of this pulse is ~ 3150 m / s. Flight duration ~ 3.5 days. When the orbit around the moon is overpopulated by the second braking impulse V brake (~ 900 m / s), which is directed against the speed of movement, the spacecraft is transferred to the ISL orbit (item 4).

На фиг.3 представлено сферическое изображение пересекающихся полярных орбит КК (поз.1) и ЛОС (поз.2), отличающимися по долготе восходящего узла орбиты на угол ΔΩВУ. В момент приложения к КК тормозного импульса Vторм и перехода на целевую орбиту (точка О′) (поз.3) ЛОС находится в точке О (поз.4) с тем же угловым расстоянием U до экватора (поз.5). Точка пересечения орбит, в которой необходимо приложить импульс для совмещения плоскостей орбит КК и ЛОС, находится на полюсе (точка С) (поз.6).Figure 3 presents a spherical image of the intersecting polar orbits of the spacecraft (pos. 1) and VOC (pos. 2), differing in the longitude of the ascending node of the orbit by the angle ΔΩ of the VU . At the time of application to the brake pulse V CC Brk and the transition to the target orbit (point O ') (item 3) VOC is at O (position 4) with the same angular distance U to Equator (item 5). The point of intersection of the orbits, in which it is necessary to apply an impulse to combine the planes of the orbits of the spacecraft and the VOC, is at the pole (point C) (pos. 6).

На фиг.4 представлено сферическое изображение двух пересекающихся орбит. Полярной орбите ЛОС (поз.1) с наклонением i=90° принадлежит дуга

Figure 00000002
с длиной U, а орбите КК (поз.2) дуга
Figure 00000003
(наклонение i1≠90°). За счет отличия в наклонении орбиты КК и варьирования времени прилета КК в точку перехода на целевую орбиту ИСЛ, можно обеспечить одновременный приход ЛОС и КК в окрестность точки О (поз.3).Figure 4 presents a spherical image of two intersecting orbits. The polar orbit of the VOC (pos. 1) with an inclination of i = 90 ° belongs to the arc
Figure 00000002
with a length U, and the orbit of the spacecraft (pos. 2) is an arc
Figure 00000003
(inclination i 1 ≠ 90 °). Due to the difference in inclination of the orbit of the spacecraft and the variation in the time of arrival of the spacecraft to the transition point to the target orbit of the ISL, it is possible to ensure the simultaneous arrival of VOCs and spacecraft in the vicinity of point O (position 3).

В качестве примера представлена задача сближения КК с ЛОС, находящейся на полярной орбите ИСЛ с наклонением i=90°. КК начинает полет к Луне с круговой орбиты ИСЗ высотой Нкр=200 км и наклонением 51.6° по плоской траектории. Для определения импульсов перелета используется ограниченная круговая задача трех тел [3. "Основы теории полета космических аппаратов", под ред. Г.С. Нариманова и М.К. Тихонравова, Москва, «Машиностроение», 1972] с движением КК в поле тяготения Земли и Луны, решаемая численным интегрированием. Схема энергетически оптимального плоского перелета включает в себя два трансверсальных импульса. Первым отлетным импульсом Vотл КК переводится на переходную орбиту для перелета к Луне. Так как радиус орбиты Луны составляет около 384000 км, то для гомановского перехода на высокоэллиптическую орбиту, достигающую в апогее Луну, необходимо приложить отлетный импульс [1]As an example, the problem of convergence of spacecraft with VOC located in the polar orbit of the ISL with an inclination of i = 90 ° is presented. The spacecraft begins flight to the moon from a circular satellite orbit of a satellite with a height of N cr = 200 km and an inclination of 51.6 ° along a flat path. To determine the momenta of the flight, a limited circular three-body problem is used [3. "Fundamentals of the theory of spacecraft flight", ed. G.S. Narimanova and M.K. Tikhonravova, Moscow, "Engineering", 1972] with the motion of the spacecraft in the gravitational field of the Earth and the Moon, solved by numerical integration. The diagram of an energetically optimal plane flight includes two transverse impulses. The first take-off impulse V exclusion of the spacecraft is transferred to the transitional orbit for the flight to the moon. Since the radius of the Moon’s orbit is about 384,000 km, for the Hohman transition to a highly elliptical orbit reaching the apogee of the Moon, it is necessary to apply a take-off impulse [1]

Figure 00000004
,
Figure 00000004
,

где µ - гравитационная постоянная Земли, rн - радиус начальной орбиты, rк - радиус конечной орбиты, который приблизительно равен радиусу лунной орбиты. При этом максимально возможное время перелета составляет половину периода Т орбиты перелета, где

Figure 00000005
и
Figure 00000006
- большая полуось орбиты перелета к Луне [1]. Через время перелета ΔT~5 суток, равное половине периода орбиты перелета, КК достигает окрестность Луны.where µ is the gravitational constant of the Earth, r n is the radius of the initial orbit, r k is the radius of the final orbit, which is approximately equal to the radius of the lunar orbit. Moreover, the maximum possible flight time is half the period T of the flight orbit, where
Figure 00000005
and
Figure 00000006
- the semimajor axis of the orbit of the flight to the moon [1]. After the flight time ΔT ~ 5 days, equal to half the period of the orbit of the flight, the spacecraft reaches the vicinity of the moon.

Согласно задаче Ламберта [1] перелет может быть совершен и за меньшее время за счет небольшого увеличения отлетного импульса Vотл. Например, превышение отлетного импульса на 50 м/с, по сравнению с минимально необходимым для гомановского перехода, приводит к достижению КК окрестности Луны за 2.5 суток [3].According to the Lambert problem [1], a flight can be completed in less time due to a small increase in the take-off impulse V ex . For example, an excess of the take-off pulse by 50 m / s, compared with the minimum necessary for the Goman transition, leads to the achievement of spacecraft near the moon in 2.5 days [3].

Скорость КК в апогее переходной высокоэллиптической орбиты составит

Figure 00000007
. При подлете к Луне основное влияние на движение КК начинает оказывать гравитационное поле Луны. Относительно Луны скорость КК Vα будет превышать местную параболическую скорость, т.е. 2-ую космическую скорость для Луны. Поэтому вторым тормозным импульсом Vторм КК переводится на орбиту ИСЛ. Величина этого импульса около 900 м/с и рассчитывается как Vторм=Vα-V0, где V0~1730 м/с - орбитальная скорость ИСЛ [3]. Плоский двухимпульсный перелет в любую дату обеспечивает переход на окололунную орбиту с заданным наклонением i и высотой, но при этом плоскость орбиты, определяемая долготой восходящего узла ΩВУ, может отличаться от плоскости целевой орбиты ЛОС. Каждый день, за счет естественного вращения Луны вокруг своей оси, достижимая долгота восходящего узла ΩВУ при перелете КК с Земли будет изменять свое значение на ~13.2° [3]. Таким образом, в течение лунного месяца (период 28.5 дня) появляется возможность решить задачу с плоским перелетом от Земли к Луне на орбиту ИСЛ с заданным наклонением i и временем перелета ΔT с точностью по долготе ΩВУ в 13-14°. Варьируя длительностью перелета ΔT в пределах ±1 день, за счет незначительного изменения величины отлетного импульса Vотл можно решить точную задачу выхода на окололунную орбиту с заданной долготой восходящего узла ΩВУ.The velocity of spacecraft at the peak of the transitional highly elliptical orbit will be
Figure 00000007
. When approaching the moon, the main influence on the motion of spacecraft begins to have a gravitational field of the moon. With respect to the moon, the velocity of the spacecraft V α will exceed the local parabolic velocity, i.e. 2nd space velocity for the moon. Therefore, the second inhibitory pulse V brake KK is transferred to the orbit of the ISL. The magnitude of this pulse is about 900 m / s and is calculated as V brake = V α -V 0 , where V 0 ~ 1730 m / s is the orbital velocity of the ISL [3]. A flat two-pulse flight at any date provides a transition to a near-moon orbit with a given inclination i and altitude, but the orbital plane, determined by the longitude of the ascending node Ω of the VU , may differ from the plane of the target VOC orbit. Every day, due to the natural rotation of the Moon around its axis, the attainable longitude of the ascending node Ω of the WU will change its value by ~ 13.2 ° [3] when the spacecraft flies from Earth. Thus, during the lunar month (28.5 day period), it becomes possible to solve the problem of a flat flight from Earth to the Moon to the ISL orbit with a given inclination i and flight time ΔT with an accuracy in longitude Ω of the WU of 13-14 °. Varying the flight duration ΔT within ± 1 day, due to a slight change in the magnitude of the take-off impulse V exc, it is possible to solve the exact problem of reaching the near-moon orbit with a given longitude of the ascending node Ω W.

Для демонстрации сказанного, в табл.1 представлены характеристики перелета на орбиту ИСЛ с орбиты ИСЗ. Рассматривалась задача выведения КК с космодрома Байконур на круговую орбиту ИСЗ с параметрами Нкр=200 км и наклонением i=51.6° с последующей выдачей отлетного импульса Vотл к Луне. По достижении периселения, на расстоянии 200 км от поверхности Луны к КК прикладывался тормозной импульс Vторм, переводящий КК на круговую полярную орбиту ИСЛ с наклонением i=90° и высотой орбиты Нкр=200 км. Время перелета к Луне AT варьировалось от 4.5 суток до 2.5 суток для того, чтобы обеспечить необходимое значение долготы восходящего узла ΩВУ, соответствующее плоскости целевой орбиты ЛОС. Все расчеты проводились с использованием программного комплекса Satellite Tool Kit 9.0. Будем в дальнейшем изложении предполагать, что орбита ЛОС располагается в момент прилета КК в плоскости ИСЛ с ΩВУ=154°, что соответствует длительности перелета ΔТ=2.98 суток.To demonstrate the above, Table 1 presents the characteristics of the flight to the ISL orbit from the satellite orbit. We considered the problem of launching a spacecraft from the Baikonur cosmodrome to a circular satellite orbit with parameters N cr = 200 km and an inclination of i = 51.6 °, followed by the issuance of a take-off pulse V otl to the Moon. Upon reaching perilune at a distance of 200 km from the surface of the moon by QC was applied brake pulse V Brk transforming QC LIS circular polar orbit with an inclination of i = 90 ° and orbit height h cr = 200 km. The time of flight to the Moon AT varied from 4.5 days to 2.5 days in order to provide the necessary value of the longitude of the ascending node Ω WU , corresponding to the plane of the target orbit of the VOC. All calculations were performed using the Satellite Tool Kit 9.0 software package. In the following presentation, we will assume that the VOC orbit is located at the time of the spacecraft arrival in the ISL plane with Ω WU = 154 °, which corresponds to the flight duration ΔТ = 2.98 days.

После выполнения тормозного импульса Vторм и перехода КК на орбиту ПКО необходимо проведение дополнительного фазирования, аналогичное сближению КК с ОС, так как весьма мала вероятность попадания АКО в окрестность ПКО. Это потребует дополнительного времени и топлива на последующее сближение.After the braking impulse V brake is performed and the spacecraft transitions to the FSC orbit, additional phasing is necessary, similar to the approach of the spacecraft to the OS, since it is very unlikely that the AKO will enter the vicinity of the spacecraft. This will require additional time and fuel for the subsequent rapprochement.

Можно избежать дополнительного фазирования КК, обеспечив приход ЛОС на аргумент широты u в момент выдачи тормозного импульса Vторм для перехода КК на целевую орбиту (т.О′ фиг.3). Этот результат можно достичь незначительным варьированием времени прилета КК в периселений. В табл.2 представлены характеристики перелета относительно номинального перелета на орбиту Луны 2 января 2013 года с долготой восходящего узла ΩВУ=154°. Так как длительность витка на круговой лунной орбите высотой Нкр=200 км составляет 127.5 мин, то для охвата всех возможных фазовых углов в диапазоне ±180° на момент прилета КК на целевую орбиту ЛОС в таблице представлены данные с дискретным сдвигом относительно номинального прилета КК в периселений ±10 минут.Additional phasing of the spacecraft can be avoided by ensuring that the VOC arrives at the latitude argument u at the moment of issuing the braking impulse V brake for the spacecraft to transition to the target orbit (i.e., O ′ Fig. 3). This result can be achieved by insignificant variation in the time of arrival of QC in perisettlement. Table 2 presents the characteristics of the flight relative to the nominal flight to the orbit of the moon on January 2, 2013 with the longitude of the ascending node Ω WU = 154 °. Since the duration of the orbit in a circular lunar orbit with an altitude of N cr = 200 km is 127.5 min, to cover all possible phase angles in the range of ± 180 ° at the time of spacecraft arrival to the target VOC orbit, the table shows data with a discrete shift relative to the nominal spacecraft arrival in perisulation ± 10 minutes.

Как видно из табл.2, максимальное значение расхождения по долготе восходящего узла орбиты КК ΩВУ от номинального значения ΩВУ для ЛОС составляет около 0.5° и может быть ликвидировано боковым импульсом ΔVб в точках пересечения орбит стыкующихся объектов, расположенных, в случае полярной орбиты ЛОС, над полюсами Луны - т.С (см. фиг.3), что потребует дополнительно полета от точки выдачи тормозного импульса Vторм до точки пересечения около полвитка. Предельные затраты характеристической скорости на боковой импульс ΔVб для ликвидации углового рассогласования ΔΩВУ~0.5° составляют 10-12 м/с.As can be seen from Table 2, the maximum value of the difference in longitude of the ascending node of the orbit of the spacecraft Ω VU from the nominal value Ω VU for VOCs is about 0.5 ° and can be eliminated by a lateral impulse ΔV b at the intersection points of the orbits of the colliding objects located in the case of a polar orbit VOC, above the poles of the Moon - t.S (see figure 3), which will require additional flight from the point of delivery of the brake pulse V brakes to the point of intersection near the half-turn. The marginal cost of the characteristic velocity per lateral impulse ΔV b for eliminating the angular mismatch ΔΩ WU ~ 0.5 ° is 10-12 m / s.

Чтобы сократить затраты топлива КК на проведение бокового импульса ΔVб и время полета до стыковки предлагается совместить выполнение бокового импульса ΔVб одновременно с тормозным импульсом Vторм. Для этого необходимо обеспечить два условия. Во-первых, точка пересечения орбиты ЛОС и переходной орбиты КК должна находиться на аргументе широты точки прилета КК в периселений, во-вторых, время прихода КК в периселений должно совпасть с временем прохождения ЛОС точки пересечения орбит (поз.4 фиг.4).In order to reduce the fuel consumption of the spacecraft for conducting the side pulse ΔV b and the flight time before docking, it is proposed to combine the execution of the side pulse ΔV b simultaneously with the brake pulse V brake . To do this, two conditions must be provided. Firstly, the point of intersection of the VOC orbit and the transitional orbit of the spacecraft should be on the argument of the latitude of the point of arrival of the spacecraft in the relocations, and secondly, the time of arrival of the spacecraft in the relocation should coincide with the time of the passage of the VOCs of the point of intersection of the orbits (item 4 of Fig. 4).

Как следует из табл.2, аргумент широты точки прилета КК соответствует u~300°, характерный для «южных» траекторий полета к Луне [3]. Первое условие предлагается выполнить за счет незначительного изменения наклонения переходной орбиты КК. В этом случае ближайшая точка пересечения орбит КК и ЛОС, в которой производится приложение тормозного импульса Vторм, переместится с полюса (поз.6 фиг.3) в поз.3 (фиг.4). Второе условие, характеризующее фазовое рассогласование, можно выполнить выбором из табл.2 соответствующего варианта сдвига по времени прилета КК в окрестность Луны.As follows from Table 2, the argument for the latitude of the spacecraft arrival point corresponds to u ~ 300 °, which is characteristic of the “southern” flight paths to the moon [3]. The first condition is proposed to be satisfied due to a slight change in the inclination of the transitional orbit of the spacecraft. In this case, the closest intersection point of the orbits of the spacecraft and the VOC, at which the application of the braking impulse V brake , is moved from the pole (pos.6 of Fig.3) to pos.3 (Fig.4). The second condition characterizing the phase mismatch can be fulfilled by choosing from Table 2 the corresponding variant of the time shift of the SC arrival in the vicinity of the Moon.

Определим потребное значение наклонения i1 переходной орбиты КК и предельные затраты характеристической скорости на боковой импульс ΔV. Для этого воспользуемся вариантом орбиты с прилетом КК в периселений с максимальным отклонением по долготе восходящего узла QBy от долготы восходящего узла ЛОС, т.е. с Δt=-67 мин и u~300° (табл.2). На фиг.4 представлена точка пересечения двух орбит (ЛОС и КК) на заданном аргументе широты (т.О). Рассмотрим сферический треугольник ΔАОВ. Дуга

Figure 00000003
принадлежит орбите КК с наклонением i1. Дуга
Figure 00000008
принадлежит орбите ЛОС с наклонением i=90°. По условию задачи длины этих дуг U практически одинаковы (КК и ЛОС находятся на одном аргументе широты u~300°). Дуга
Figure 00000009
определяется разностью между долготами восходящих узлов ΔΩВУ обеих орбит (в нашем примере ΔΩВУ~0.5°). Угол iR - угол между плоскостями.Define the required value of the inclination ione spacecraft transition orbit and marginal cost of the characteristic velocity per lateral impulse ΔV. To do this, we use the variant of the orbit with the arrival of spacecraft in periostations with the maximum deviation in longitude of the ascending node QBy from the longitude of the ascending VOC node, i.e. with Δt = -67 min and u ~ 300 ° (Table 2). Figure 4 presents the intersection point of two orbits (VOC and CC) at a given argument of latitude (t.O). Consider the spherical triangle ΔАOW. Arc
Figure 00000003
 belongs to the orbit of the spacecraft with inclination ione. Arc
Figure 00000008
 belongs to the orbit of the VOC with an inclination of i = 90 °. By the condition of the problem, the lengths of these arcs U are almost the same (KK and LOS are on the same argument of latitude u ~ 300 °). Arc
Figure 00000009
 determined by the difference between the longitudes of the ascending nodes ΔΩWU both orbits (in our example ΔΩWU~ 0.5 °). Angle iR - the angle between the planes.

Из решения узких сферических треугольников [4. К.А. Куликов «Курс сферической астрономии» изд. Физ-мат литературы, Москва, 1961]From the solution of narrow spherical triangles [4. K.A. Kulikov "Course of Spherical Astronomy" ed. Physics and mathematics of literature, Moscow, 1961]

siniR·sinU=sinΔΩВУ·sinisini R sinU = sinΔΩ WU sini

и, ввиду малости iR и ΔΩВУ and, in view of the smallness of i R and ΔΩ WU

Figure 00000010
Figure 00000010

т.к. u=360°-U, то sinu=-sinU иbecause u = 360 ° -U, then sinu = -sinU and

Figure 00000011
Figure 00000011

Так как варианту с Δt=-67 мин соответствует ΔΩВУ=0.48°, то угол между плоскостями орбит КК и ЛОС составит iR=0.55° или ~0.01 радиан.Since the variant with Δt = -67 min corresponds to ΔΩ VU = 0.48 °, the angle between the planes of the orbits of the spacecraft and the VOC will be i R = 0.55 ° or ~ 0.01 radians.

Наклонение КК i1 определяем, используя уравнение косинусов для сферического треугольника ΔАОВ.The inclination of KK i 1 is determined using the equation of cosines for a spherical triangle ΔАOW.

cosi1=-cosiR·cosi+siniR·sini·cosUcosi 1 = -cosi R cosi + sini R sini cosU

или, с учетом малости iR or, taking into account the smallness of i R

i1=arccos(-cosi+iR·sini·cosU).i 1 = arccos (-cosi + i R sini cos U).

Таким образом, потребное наклонение i1 орбиты прилета КК в случае ЛОС на полярной орбите составит 89.73°, а величина бокового импульсаThus, the required inclination i 1 of the spacecraft arrival orbit in the case of VOCs in the polar orbit will be 89.73 °, and the lateral momentum

Figure 00000012
Figure 00000012

Формирование наклонения лунной орбиты и восходящего узла орбиты обеспечивается моментом выдачи и величиной отлетного импульса Vотл. Переход на окололунную орбиту обеспечивается тормозным импульсом Vторм. На фоне большого (~900 м/с) тормозного импульса Vторм [3] боковой импульс ΔVб~17 м/с увеличит суммарный импульс на величинуThe formation of the inclination of the lunar orbit and the ascending node of the orbit is ensured by the moment of issue and the magnitude of the take-off impulse V ex . The transition to the lunar orbit is provided by the braking impulse V brake . Against the background of a large (~ 900 m / s) brake pulse V brake [3], the lateral pulse ΔV b ~ 17 m / s will increase the total pulse by

Figure 00000013
Figure 00000013

Таким образом, использование предложенного способа позволяет отказаться от фазирования на орбите другого небесного тела, за счет прямого перехода в окрестность орбитальной станции и существенно сэкономит топливо КК на сближение.Thus, the use of the proposed method eliminates phasing in orbit of another celestial body, due to a direct transition to the vicinity of the orbital station and significantly saves the spacecraft fuel for convergence.

Figure 00000014
Figure 00000014

Figure 00000015
Figure 00000015

Claims (1)

Способ управления движением активного космического объекта, стыкуемого с пассивным космическим объектом, включающий последовательное приложение к активному космическому объекту, находящемуся на орбите одного небесного тела отлетного импульса Vотл и тормозного импульса Vторм для перехода на орбиту другого небесного тела с заданными параметрами по высоте и положению плоскости орбиты, отличающийся тем, что перед переводом активного космического объекта на траекторию полета к другому небесному телу, величину и место приложения отлетного импульса Vотл определяют исходя из условия пересечения активным космическим объектом орбиты пассивного космического объекта при одновременном нахождении объектов в окрестности точки пересечения орбит, после чего активный космический объект переводят на орбиту другого небесного тела путем одновременного приложения к нему тормозного импульса Vторм для обеспечения заданных параметров по высоте орбиты и бокового импульса ΔVб для совмещения плоскостей орбит стыкующихся объектов, рассчитываемого по формуле
Figure 00000016

где V0 - орбитальная скорость вращения пассивного космического объекта вокруг другого небесного тела;
ΔΩВУ - разница долгот восходящих узлов орбит стыкующихся объектов;
i - наклонение орбиты пассивного космического объекта;
u - аргумент широты пассивного космического объекта в точке пересечения орбит стыкующихся объектов.
A method for controlling movement of the active space object abutting a passive space object, comprising the sequential application to the active space object in orbit a celestial body into fly-away pulse V exc and braking pulse V Brk to move into the orbit of another celestial body with preset parameters height and position orbital plane, characterized in that before the transfer of an active space object to the flight path to another celestial body, the magnitude and place of application are flown away th pulse V exc is determined from the intersection conditions active space object orbit passive space object while finding objects in the vicinity of the orbits of the intersection point, whereupon the active space object translate the orbit of another celestial body by the simultaneous application thereto braking pulse V Brk for given parameters along the height of the orbit and the lateral impulse ΔV b for combining the planes of the orbits of the joined objects, calculated by the formula
Figure 00000016

where V 0 - orbital speed of rotation of a passive space object around another celestial body;
ΔΩ WU - the difference in the longitudes of the ascending nodes of the orbits of the joined objects;
i is the inclination of the orbit of a passive space object;
u is the argument of the latitude of the passive space object at the intersection point of the orbits of the joined objects.
RU2014103395/11A 2014-01-31 2014-01-31 Method of control over active space object to be docked to passive space object RU2562908C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014103395/11A RU2562908C2 (en) 2014-01-31 2014-01-31 Method of control over active space object to be docked to passive space object

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014103395/11A RU2562908C2 (en) 2014-01-31 2014-01-31 Method of control over active space object to be docked to passive space object

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2014103395A RU2014103395A (en) 2015-08-10
RU2562908C2 true RU2562908C2 (en) 2015-09-10

Family

ID=53795737

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014103395/11A RU2562908C2 (en) 2014-01-31 2014-01-31 Method of control over active space object to be docked to passive space object

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2562908C2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2759026C1 (en) * 2020-07-16 2021-11-08 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) Method for determining the sequence of flights between space debris objects in the vicinity of a geostationary orbit
RU2772498C1 (en) * 2022-01-24 2022-05-23 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Российский университет дружбы народов" (РУДН) Method for maintenance of a system of satellites in near-circular orbits and a space maintenance system for implementing the method

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5421540A (en) * 1992-08-26 1995-06-06 Ting; Paul C. Method and apparatus for disposal/recovery of orbiting space debris
RU2141436C1 (en) * 1998-10-14 1999-11-20 Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им.С.П.Королева" Space vehicle for cleaning space from passive space vehicles and their fragments
RU2440281C1 (en) * 2010-05-24 2012-01-20 Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" Method of controlling active flight of space object to be docked with passive spaceship
US20130140403A1 (en) * 2011-12-06 2013-06-06 Jonathan Andrew Goff Direct to facility capture and release

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5421540A (en) * 1992-08-26 1995-06-06 Ting; Paul C. Method and apparatus for disposal/recovery of orbiting space debris
RU2141436C1 (en) * 1998-10-14 1999-11-20 Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им.С.П.Королева" Space vehicle for cleaning space from passive space vehicles and their fragments
RU2440281C1 (en) * 2010-05-24 2012-01-20 Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" Method of controlling active flight of space object to be docked with passive spaceship
US20130140403A1 (en) * 2011-12-06 2013-06-06 Jonathan Andrew Goff Direct to facility capture and release

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2759026C1 (en) * 2020-07-16 2021-11-08 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) Method for determining the sequence of flights between space debris objects in the vicinity of a geostationary orbit
RU2772498C1 (en) * 2022-01-24 2022-05-23 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Российский университет дружбы народов" (РУДН) Method for maintenance of a system of satellites in near-circular orbits and a space maintenance system for implementing the method
RU2775039C1 (en) * 2022-01-24 2022-06-27 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Российский университет дружбы народов" (РУДН) Method for servicing space objects in orbits of various inclinations and a high-orbit space infrastructure for implementing the method
RU2803360C1 (en) * 2022-12-12 2023-09-12 Публичное акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королёва" Method for motion control of space object during approach to another space object
RU2803360C9 (en) * 2022-12-12 2023-11-07 Публичное акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королёва" Method for motion control of space object during approach to another space object
RU2821199C1 (en) * 2023-11-20 2024-06-18 Публичное акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королёва" Method of controlling spacecraft when returning to the earth from circumlunar orbit

Also Published As

Publication number Publication date
RU2014103395A (en) 2015-08-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107589756B (en) Method for initializing lunar-rushing satellite formation
Li et al. Generation of multisegment lunar free-return trajectories
Thompson et al. Orbital targeting based on hodograph theory for improved rendezvous safety
RU2440281C1 (en) Method of controlling active flight of space object to be docked with passive spaceship
Murtazin Rendezvous missions: From ISS to lunar space station
RU2562908C2 (en) Method of control over active space object to be docked to passive space object
Dunham et al. New approaches for human deep-space exploration
Cao et al. Navigation of Chang’E-2 asteroid exploration mission and the minimum distance estimation during its fly-by of Toutatis
Campagnola et al. Three-dimensional resonant hopping strategies and and the Jupiter magnetospheric orbiter
Murtazin Profiles of quick access to the orbital station for modern spacecraft
Korolev Problems of spacecraft multi-impulse trajectories modelling
RU2614464C2 (en) Spacecraft control method for flying around moon
Gagg Filho et al. A lunar flyby for a tridimensional Earth-to-Earth mission
Sweetser An end-to-end trajectory description of the LISA mission
Mengali et al. Solar-sail-based stopover cyclers for cargo transportation missions
Wu et al. Tradeoff analysis of attitude-control slew algorithms for prolate spinner
RU2614446C2 (en) Spacecraft control method for flying around moon
Ikenaga et al. Interplanetary parking method and its applications
Genova et al. A Free-Return Earth-Moon Cycler Orbit for an Interplanetary Cruise Ship
Samokhin et al. On Constructing the Trajectory of Spacecraft Flight to Phobos with a Perturbation Maneuver near the Moon, Based on the Solution of a Combination of 4 Lambert’s Problems
Gordienko et al. The use of three-impulse transfer to insert the spacecraft into the high Moon Artificial Satellite orbits
Bugno Evasion maneuvers with double lunar flyby for interplanetary missions
Taylor et al. Hummingbird: Versatile Interplanetary Mission Architecture
RU2734705C1 (en) Spacecraft control method during flight to moon
Llanos et al. Trajectory analysis between quasi-periodic orbits and the lagrangian points around phobos