RU2676368C1 - Method of clearing orbit from space debris - Google Patents

Method of clearing orbit from space debris Download PDF

Info

Publication number
RU2676368C1
RU2676368C1 RU2018105002A RU2018105002A RU2676368C1 RU 2676368 C1 RU2676368 C1 RU 2676368C1 RU 2018105002 A RU2018105002 A RU 2018105002A RU 2018105002 A RU2018105002 A RU 2018105002A RU 2676368 C1 RU2676368 C1 RU 2676368C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
afm
kab
cable
sct
adm
Prior art date
Application number
RU2018105002A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Валерий Иванович Трушляков
Вадим Вячеславович Юдинцев
Юрий Николаевич Макаров
Яков Тимофеевич Шатров
Original Assignee
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по космической деятельности "РОСКОСМОС"
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 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по космической деятельности "РОСКОСМОС" filed Critical Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по космической деятельности "РОСКОСМОС"
Priority to RU2018105002A priority Critical patent/RU2676368C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2676368C1 publication Critical patent/RU2676368C1/en

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64GCOSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
    • B64G1/00Cosmonautic vehicles
    • B64G1/22Parts of, or equipment specially adapted for fitting in or to, cosmonautic vehicles
    • B64G1/52Protection, safety or emergency devices; Survival aids
    • B64G1/56Protection against meteoroids or space debris
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64GCOSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
    • B64G1/00Cosmonautic vehicles
    • B64G1/22Parts of, or equipment specially adapted for fitting in or to, cosmonautic vehicles
    • B64G1/64Systems for coupling or separating cosmonautic vehicles or parts thereof, e.g. docking arrangements
    • B64G1/646Docking or rendezvous systems
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64GCOSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
    • B64G1/00Cosmonautic vehicles
    • B64G1/22Parts of, or equipment specially adapted for fitting in or to, cosmonautic vehicles
    • B64G1/64Systems for coupling or separating cosmonautic vehicles or parts thereof, e.g. docking arrangements
    • B64G1/648Tethers

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Critical Care (AREA)
  • Emergency Medicine (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Control Of Position, Course, Altitude, Or Attitude Of Moving Bodies (AREA)

Abstract

FIELD: cosmonautics; recycling and disposal of waste.SUBSTANCE: invention relates to methods and means for cleaning orbits of space debris, mainly spent stages (OS) of launch vehicles. Method includes the removal in the area of cleaning of the spacecraft-tug (SCT) (1) and autonomous docking module (ADM) (2) on cable (4). ADM (2) is joined to OS (3) and quenches the kinetic moment of the OS with its control motors (6). Kinetic moment of bundle (1)-(4)-(2)-(3) is extinguished by engines of SCT (1) and engines (6) of ADM. Tension of cable (4) when SS (3) and SCT (1) are tightened is supported by SCT (1) engines at the level specified by the strength condition. Descent of the SS into the recycling orbit is carried out by engines of SCT and ADM. Operating system is chosen to carry out the said operations for its removal with the available power and thrust-weight equipment of the SCT and the ADM.EFFECT: technical result consists in increasing the likelihood of successful operations for actively de-orbiting space debris objects.1 cl, 5 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к ракетно-космической технике и может быть использовано для активного увода с рабочих орбит различного крупногабаритного космического мусора, например, отработавших ступеней ракет-носителей (ОС), используя для стыковки с этими объектами маневрирующие космические аппараты. The invention relates to rocket and space technology and can be used for active removal from working orbits of various bulky space debris, for example, spent stages of launch vehicles (OS), using maneuvering spacecraft to dock with these objects.

Известен способ активного спуска с орбит ОС, реализованный в виде устройства, например, «Космический аппарат для очистки космоса от пассивных КА и их фрагментов» RU №2141436 B64G 1/16.A known method of active descent from the orbits of the OS, implemented in the form of a device, for example, “A spacecraft for cleaning space from passive spacecraft and their fragments” RU No. 2141436 B64G 1/16.

Наиболее близким по своей технической сущности является патент RU №2531679 B64G 1/16, основанный на выведении космического аппарата-буксира (КАБ) и автономного стыковочного модуля (АСМ) в области орбит, предназначенных для их очистки от объектов космического мусора, последовательных маневров дальнего и ближнего наведения для стыковки и захвата объектов и их спуск на орбиты утилизации, выбор последовательности объектов из имеющихся на орбитах для их спуска на орбиты утилизации осуществляют путем последовательного сравнения значения критерия для каждого предполагаемого к спуску объекта, например, вероятности столкновения объекта с другими космическими объектами, кроме того, компенсацию накопленных ошибок параметров движения КАБ при предыдущих маневрах, а также системы целеуказания распределяют между корректирующими импульсами КАБ на этапе дальнего наведения и АСМ на участке самонаведения из условия обеспечения относительных параметров движения КАБ и объекта на начало этапа самонаведения АСМ, соответствующих вероятности стыковки и захвата объекта не ниже заданной.The closest in its technical essence is the patent RU No. 2531679 B64G 1/16, based on the removal of the tug spacecraft (CAB) and the autonomous docking module (AFM) in the orbit area, intended for cleaning them from space debris objects, consecutive long-range and short-range guidance for docking and capturing objects and their descent into disposal orbits, the selection of a sequence of objects from those available in orbits for their descent into disposal orbits is carried out by sequentially comparing the value of criterion d I of each object supposed to be launched, for example, the probability of an object colliding with other space objects, in addition, the compensation of accumulated errors of the KAB motion parameters during previous maneuvers, as well as target designation systems are distributed between the KAB correcting pulses at the long-range guidance stage and the AFM in the homing section from the condition providing relative motion parameters of the spacecraft and the object at the beginning of the homing phase of the AFM, corresponding to the probability of docking and capture of the object not lower than the specified one.

К недостаткам этого технического решения относятся следующие позиции.The disadvantages of this technical solution include the following items.

1) Как правило, ОС являются некооперируемыми объектами, вращающимися с угловой скоростью, которую необходимо обнулить после стыковки с АСМ, т.е. стабилизировать угловое движение связки «АСМ+ОС», используя двигательную установку (ДУ) АСМ. Рассматриваемое техническое решение не учитывает тот факт, что кинетический момент состыкованной связки «АСМ+ОС», определяемый произведением тензора инерции этой системы на вектор угловой скорости, должен быть таким, чтобы управляющие моменты, развиваемые двигательной установкой АСМ, могли его обнулить, учитывая ограничение по управляющим моментам, развиваемым двигательной установкой АСМ. Следовательно, необходимо принимать во внимание ограничение на инерционно-массовые и центровочные характеристики и кинематические параметры движения вокруг центра масс ОС, выбираемой в качестве объекта-кандидата для спуска с орбиты.1) As a rule, OSs are non-cooperative objects rotating at an angular speed that must be reset after docking with the AFM, i.e. stabilize the angular movement of the ligament "AFM + OS", using the propulsion system (ДУ) АСМ. The considered technical solution does not take into account the fact that the kinetic moment of the coupled “AFM + OS” coupling determined by the product of the inertia tensor of this system by the angular velocity vector must be such that the control moments developed by the AFM propulsion system can nullify it, given the limitation on control moments developed by the AFM propulsion system. Therefore, it is necessary to take into account the restriction on inertial mass and centering characteristics and kinematic parameters of motion around the center of mass of the OS, selected as a candidate object for descent from orbit.

2) Не учитывается предельное время стабилизации жесткой системы «АСМ+ОС» с помощью двигательной установки АСМ, которое должно быть таким, чтобы угол разворота жесткой системы «АСМ+ОС» в каждом канале стабилизации на этапе стабилизации не превышал заданной величины, определяемой взаимным положением системы «АСМ+ОС», КАБ и положением троса.2) The limiting time of stabilization of the rigid AFM + OS system using the AFM propulsion system, which should be such that the angle of rotation of the rigid AFM + OS system in each stabilization channel at the stabilization stage does not exceed a predetermined value determined by the relative position, is not taken into account system "AFM + OS", KAB and the position of the cable.

3) Не учитывается возможность увеличения угловой скорости связки «КАБ+трос+АСМ+ОС» на этапе сближения «АСМ+ОС» и КАБ с помощью тросовой системы, вызванное начальным относительным движением центров масс ОС и КАБ, и соответствующее увеличение натяжение троса, которое может превысить его прочность.3) The possibility of increasing the angular velocity of the bundle “KAB + cable + AFM + ACM” at the stage of approaching “AFM + OS” and the KAB with the help of a cable system, caused by the initial relative motion of the centers of mass of the OS and the KAB, and the corresponding increase in the cable tension, which may exceed its strength.

4) Не учитывается требования к устойчивости и управляемости системы «КАБ+АСМ+ОС» на этапе спуска при помощи двигательной установки КАБ, которое накладывает ограничения на инерционно-массовые и центровочные характеристики ОС, двигательную установку КАБ.4) The requirements for stability and controllability of the KAB + AFM + OS system at the descent stage with the help of the KAB propulsion system, which imposes restrictions on the inertial mass and centering characteristics of the OS, and the KAB propulsion system, are not taken into account.

5) Не учитывается возможность использования на этапе спуска двигательной установки АСМ в случае нехватки управляющих моментов КАБ.5) The possibility of using the AFM at the stage of descent of the propulsion system in case of a lack of control moments of the CAB is not taken into account.

Целью предлагаемого технического решения является устранение указанных недостатков прототипа, которая достигается тем, что в известный способ, основанный на выведении КАБ и АСМ в области орбит, предназначенных для их очистки от объектов космического мусора, последовательных маневров дальнего и ближнего наведения для стыковки и захвата объектов и их спуск на орбиты утилизации, выборе последовательности объектов, из имеющихся на орбитах для их спуска на орбиты утилизации, осуществляют путем последовательного сравнения значения критерия для каждого предполагаемого к спуску объекта, распределение компенсации накопленных ошибок параметров движения КАБ при предыдущих маневрах, а также системы целеуказания, между корректирующими импульсами КАБ на этапе дальнего наведения и АСМ на участке самонаведения из условия обеспечения относительных параметров движения КАБ и объекта на начало этапа самонаведения АСМ, вводят следующие дополнительные действия.The aim of the proposed technical solution is to eliminate these drawbacks of the prototype, which is achieved by the fact that in a known method based on the removal of the spacecraft and AFM in the field of orbits designed to clean them from objects of space debris, successive maneuvers of far and near guidance for docking and capturing objects and their descent into orbits of utilization, the selection of a sequence of objects from those available in orbits for their descent into orbits of utilization, is carried out by sequential comparison of the value of the criterion I, for each object that is supposed to be launched, the distribution of compensation for accumulated errors of the KAB motion parameters during previous maneuvers, as well as the target designation system, between the correcting pulses of the KAB at the stage of long-range guidance and the AFM in the homing section from the condition of providing relative parameters of motion of the KAB and the object at the beginning of the homing stage AFM, the following additional steps are introduced.

Выбор ОС осуществляют из следующих дополнительных условий:OS selection is carried out from the following additional conditions:

1) собственный кинетический момент ОС не должен превышать заданного значения, определяемого управляющим моментом двигательной установки АСМ и заданным временем на обнуление этого кинетического момента;1) the OS kinetic moment must not exceed a predetermined value determined by the control moment of the AFM propulsion system and a predetermined time to zero this kinetic moment;

2) кинетический момент системы «КАБ+трос+АСМ+ОС» на участке стягивания и торможения вращения не должны превышать заданных значений, определяемых управляющими моментами двигательных установок АСМ и КАБ;2) the kinetic moment of the system "CAB + cable + AFM + OS" in the area of tightening and braking rotation should not exceed the specified values determined by the control moments of the propulsion systems AFM and CAB;

3) при увеличении силы натяжения троса до критических значений задействуется двигательная установка КАБ, сила тяги которой направлена против силы натяжения, действующей на трос, для снижения ее уровня до допустимых значений;3) with an increase in the cable tension force to critical values, the KAB propulsion system is activated, the traction force of which is directed against the tension force acting on the cable to reduce its level to permissible values;

4) управление движением системы «КАБ+АСМ+ОС» при маневре спуска на орбиту утилизации осуществляется с помощью двигательных установок КАБ и АСМ.4) the motion control of the “KAB + AFM + OS” system during the maneuver of launching into the orbit of disposal is carried out using propulsion systems KAB and AFM.

Реализация способаThe implementation of the method

Сущность предлагаемого способа поясняется схемами, представленными на фигурах, гдеThe essence of the proposed method is illustrated by the diagrams presented in the figures, where

на фиг. 1 приведены отдельные объекты КАБ - 1, АСМ - 2, ОС - 3, трос - 4;in FIG. 1 shows the individual objects KAB - 1, AFM - 2, OS - 3, cable - 4;

на фиг. 2 - система «АСМ+ОС» на тросовой связи с КАБ 1;in FIG. 2 - system "AFM + OS" on a cable connection with CAB 1;

на фиг. 3 - система «КАБ+АСМ+ОС»;in FIG. 3 - system "KAB + AFM + OS";

на фиг. 4 - процесс стягивания КАБ и «АСМ+ОС» с помощью троса;in FIG. 4 - the process of tightening the CAB and "AFM + OS" using a cable;

на фиг. 5 - процесс стабилизации системы «АСМ+ОС» за счет приложения тяг камерами двигательной установки АСМ при стягивании с КАБ. in FIG. 5 - the process of stabilization of the AFM + OS system due to the application of rods by the chambers of the AFM propulsion system when pulling together with the KAB.

1) Ограничение на кинетический момент ОС.1) Limit on the kinetic moment of the OS.

Предположим, что угловые скорости ОС по осям ωх3, ωу3, ωz3 малы, так что членами, содержащими их произведение можно пренебречь, тогда угловое движение в каждом канале можно рассматривать независимо. Например, в канале рыскания (вращение вокруг оси ось

Figure 00000001
перпендикулярной плоскости фиг. 2) уравнение углового движения (уравнение Эйлера) можно записать в виде:Suppose that the angular velocity of the OS along the axes ωx3, ωy3, ωz3 are small, so that the terms containing their product can be neglected, then the angular motion in each channel can be considered independently. For example, in the yaw channel (rotation around axis axis
Figure 00000001
perpendicular to the plane of FIG. 2) the equation of angular motion (Euler equation) can be written in the form:

Figure 00000002
Figure 00000002

где

Figure 00000003
- момент инерции системы «АСМ+ОС» относительно оси
Figure 00000001
, проходящей через ее центр масс 5,
Figure 00000004
- угловое ускорение в канале рыскания,
Figure 00000005
- управляющий момент в канале рыскания органов управления АСМ относительно центра масс 5 системы «АСМ+ОС». Знак минус в правой части показывает, что управляющий момент уменьшает угловую скорость «АСМ+ОС». Предполагается, что трос не оказывает влияние на движение системы «АСМ+ОС». В начальный момент времени угловая скорость системы:Where
Figure 00000003
- moment of inertia of the AFM + OS system relative to the axis
Figure 00000001
passing through its center of mass 5,
Figure 00000004
- angular acceleration in the yaw channel,
Figure 00000005
- control moment in the yaw channel of the AFM controls relative to the center of mass 5 of the AFM + OS system. The minus sign on the right side indicates that the control moment reduces the angular velocity of “AFM + OS”. It is assumed that the cable does not affect the movement of the AFM + OS system. At the initial time, the angular velocity of the system:

Figure 00000006
Figure 00000006

Начальное значение угловой скорости системы в момент начала торможения (t=0) для обнуления кинетического момента -

Figure 00000007
измеряется бортовой аппаратурой АСМ. Управляющий момент в канале рыскания органов управления АСМ определяется выражением:The initial value of the angular velocity of the system at the time of the start of braking (t = 0) for zeroing the kinetic moment is
Figure 00000007
measured by onboard AFM equipment. The control moment in the yaw channel of the AFM controls is determined by the expression:

Figure 00000008
Figure 00000008

где:

Figure 00000009
- тяга двигателя 6 АСМ в канале рыскания,
Figure 00000010
- плечо управляющего момента относительно центра масс системы «АСМ+ОС».Where:
Figure 00000009
- thrust of the engine 6 AFM in the yaw channel,
Figure 00000010
- the arm of the control moment relative to the center of mass of the AFM + OS system.

Выражение для угловой скорости

Figure 00000011
и угла ϑ получаются в результате интегрирования уравнения (1) на интервале времени работы двигателей АСМ - от t0=0 до tК=Т:Expression for angular velocity
Figure 00000011
and angle ϑ are obtained by integrating equation (1) over the time interval of the operation of the AFM engines - from t 0 = 0 to t K = T:

Figure 00000012
Figure 00000012

Figure 00000013
Figure 00000013

где: ϑ0 - значения начального угла рыскания системы «АСМ+ОС» на момент начала работы двигателей. После окончания работы ДУ АСМ должно удовлетворяться условие:where: ϑ 0 are the values of the initial yaw angle of the “AFM + OS” system at the time the engines start working. After the work of the AFM control unit, the following condition must be satisfied:

Figure 00000014
Figure 00000014

а ограничение по изменению углового положения системы «АСМ+ОС» от углового положения АСМ на момент начала обнуления кинетического момента не должно быть более Δϑзад:and the restriction on the change in the angular position of the AFM + OS system from the angular position of the AFM at the time the kinetic moment is zeroed should not be more than Δϑ back :

Figure 00000015
Figure 00000015

Выражая из (5) время обнуления кинетического момента, с учетом (3) получим:Expressing from (5) the time of zeroing of the kinetic moment, taking into account (3), we obtain:

Figure 00000016
Figure 00000016

Условие (6) принимает видCondition (6) takes the form

Figure 00000017
Figure 00000017

илиor

Figure 00000018
Figure 00000018

Например, для связки (ОС+АСМ) с суммарным моментом инерции

Figure 00000019
кг⋅м2 плечом управляющего момента относительно центра масс системы «АСМ+ОС»
Figure 00000020
м, тягой ДУ
Figure 00000021
Н и Δϑзад=π/2:For example, for a bunch (OS + AFM) with a total moment of inertia
Figure 00000019
kg⋅m 2 by the arm of the control moment relative to the center of mass of the AFM + OS system
Figure 00000020
m, thrust remote control
Figure 00000021
H and Δϑ ass = π / 2:

Figure 00000022
Figure 00000022

Двигатели ориентации, применяемые на разгонных блоках и космических аппаратов (КА), имеют как правило небольшую тягу, поэтому полученное значение предельной угловой скорости (10) невелико. Учитывая задачи, возлагаемые на АСМ, целесообразно использовать для управления угловым движением ДУ большей тяги.Orientation engines used on upper stages and spacecraft (SC), as a rule, have a small thrust, therefore, the obtained value of the limiting angular velocity (10) is small. Considering the tasks assigned to the AFM, it is advisable to use greater thrust control to control the angular movement.

Как следует из условий (6)-(8) параметры процесса обнуления кинетического момента системы (АСМ+ОС) определяются:As follows from conditions (6) - (8), the parameters of the process of zeroing the kinetic moment of the system (AFM + OS) are determined:

- параметрами двигательной установки и конструкции АСМ;- parameters of the propulsion system and design of the AFM;

- моментно-центровочными характеристиками ОС и АСМ;- moment-centering characteristics of the OS and AFM;

- допустимым изменением углового положения системы «АСМ+ОС» до обнуления ее угловой скорости.- an allowable change in the angular position of the AFM + OS system until its angular velocity is zeroed.

2) Ограничения на кинематические параметры относительного движения КАБ и «АСМ+ОС».2) Limitations on the kinematic parameters of the relative motion of the KAB and “AFM + OS”.

Из-за относительного движения центров масс объектов КАБ и связки «АСМ+ОС» (фиг. 4), поскольку «КАБ+АСМ» и ОС до стыковки двигались по своим орбитам (поз. 7 и 8 фиг. 4), после стыковки и образования связки «АСМ+ОС» система «КАБ+трос+АСМ+ОС» будет вращаться вокруг общего центра масс 9 с угловой скоростью ωc0. Угловая скорость будет увеличиваться с уменьшением длины троса вследствие закона сохранения кинетического момента. Например, при стыковке АСМ и КАБ, движущихся по эллиптической орбите h1p×h1 a с ОС, движущейся в той же плоскости по круговой орбите с высотой h3 a =hl a , разность скоростей в общей точке двух орбит будет определяться выражением1 (1 Суханов А.А. Астродинамика / А.А. Суханов - М.: Институт Космических исследований РАН, 2010):Due to the relative motion of the centers of mass of the ACS objects and the “AFM + OS” ligament (Fig. 4), since the “ACL + ACM” and OS moved before their docking in their orbits (items 7 and 8 of Fig. 4), after the docking and of the formation of the “AFM + OS” bond, the “KAB + cable + AFM + OS” system will rotate around the common center of mass 9 with an angular velocity ω c0 . The angular velocity will increase with decreasing cable length due to the law of conservation of kinetic momentum. For example, when a AFM and a spacecraft moving in an elliptical orbit h 1p × h 1 a are connected with an OS moving in the same plane in a circular orbit with a height h 3 a = h l a , the speed difference at the common point of two orbits will be determined by the expression 1 ( 1 Sukhanov A.A. Astrodynamics / A.A. Sukhanov - M .: Space Research Institute RAS, 2010):

Figure 00000023
Figure 00000023

где r33=r1 a - радиус орбиты ОС и радиус апогея КАБ, μ=3.986⋅105 км32 - гравитационная постоянная Земли, р3 - фокальный параметр орбиты КАБ, е - эксцентриситет орбиты КАБ е=(r1 a -r1p)/(r1 a +r1p), r1p - радиус перигея орбиты КАБ. Для h a =900 км, hp=600 км разность скоростей (11) достигает 78 м/с.where r 3 = p 3 = r 1 a is the radius of the orbit of the OS and the radius of the apogee of the KAB, μ = 3.986⋅10 5 km 3 / s 2 is the gravitational constant of the Earth, p 3 is the focal parameter of the orbit of the KAB, e is the eccentricity of the orbit of the KAB e = (r 1 a -r 1p ) / (r 1 a + r 1p ), r 1p is the perigee radius of the KAB orbit. For h a = 900 km, h p = 600 km, the speed difference (11) reaches 78 m / s.

Начальная угловая скорость связки «КАБ+трос+АСМ+ОС» будет определяться выражением:The initial angular velocity of the bundle "KAB + cable + AFM + OS" will be determined by the expression:

Figure 00000024
Figure 00000024

где

Figure 00000025
- начальное расстояние между центрами масс КАБ и АСМ с ОС, определяемое длиной троса
Figure 00000026
, где d1 - расстояние от центра масс КАБ 12 до точки закрепления 10 троса на КАБ, d3 - расстояние от центра масс 5 связки АСМ и ОС до точки закрепления 11 троса на АСМ. Для
Figure 00000027
км начальная угловая скорость (12) будет равна:Where
Figure 00000025
- the initial distance between the centers of mass of the KAB and AFM with OS, determined by the length of the cable
Figure 00000026
where d 1 is the distance from the center of mass of the cable 12 to the point of attachment of the cable 10 to the cable, d 3 is the distance from the center of mass 5 of the AFM and OS bundles to the point of attachment 11 of the cable to the cable. For
Figure 00000027
km initial angular velocity (12) will be equal to:

Figure 00000028
Figure 00000028

Связка «КАБ+трос+ОС+АСМ» будет вращаться вокруг общего центра масс 9. Начальный момент инерции связки, как системы материальных точек (без учета собственных моментов инерции тел) относительно центра масс связки «КАБ+трос+ОС+АСМ» будет определяться выражением2 (2 Маркеев А.П. Теоретическая механика: Учебник для университетов. - М.: Регулярная и хаотическая динамика, 1999):The sheaf “KAB + cable + OS + AFM” will rotate around a common center of mass 9. The initial moment of inertia of the sheaf as a system of material points (excluding the intrinsic moments of inertia of bodies) relative to the center of mass of the sheaf “KAB + cable + OS + AFM” will be determined expression 2 ( 2 Markeev A.P. Theoretical mechanics: Textbook for universities. - M.: Regular and chaotic dynamics, 1999):

Figure 00000029
Figure 00000029

где m - приведенная масса связки «КАБ+трос+АСМ+ОС»:where m is the reduced mass of the bundle "KAB + cable + AFM + OS":

Figure 00000030
Figure 00000030

Figure 00000031
- расстояние от центра масс 9 связки «КАБ+трос+АСМ+ОС» до центра масс КАБ 12,
Figure 00000032
- расстояние от центра масс 9 связки «КАБ+трос+АСМ+ОС» до центра масс 5 связки АСМ с ОС. Выражение для кинетического момента связки «КАБ+трос+ОС+АСМ» относительно ее центра масс после стыковки будет иметь вид2 (2 Маркеев А.П. Теоретическая механика: Учебник для университетов. - М.: Регулярная и хаотическая динамика, 1999):
Figure 00000031
- the distance from the center of mass 9 of the bundle "KAB + cable + AFM + OS" to the center of mass of KAB 12,
Figure 00000032
- the distance from the center of mass of 9 bundles "KAB + cable + AFM + OS" to the center of mass of 5 bundles of AFM with OS. The expression for the kinetic moment of the “KAB + cable + OS + AFM” sheaf relative to its center of mass after joining will be 2 ( 2 Markeev A.P. Theoretical Mechanics: Textbook for Universities. - M .: Regular and chaotic dynamics, 1999):

Figure 00000033
Figure 00000033

В соответствии с законом сохранения кинетического момента системы:In accordance with the law of conservation of the kinetic moment of the system:

Figure 00000034
Figure 00000034

при уменьшении длины троса, момент инерции связки (J) будет уменьшаться, а угловая скорость будет увеличиваться. При длине троса

Figure 00000035
угловая скорость будет равна:as the length of the cable decreases, the moment of inertia of the bundle (J) will decrease, and the angular velocity will increase. With cable length
Figure 00000035
angular velocity will be equal to:

Figure 00000036
Figure 00000036

Модуль кинетического момента системы «КАБ+трос+АСМ+ОС» после ее формирования и до стыковки КАБ с АСМ и ОС необходимо уменьшить, используя двигательные установки управления угловым движением КАБ -

Figure 00000037
и АСМ -
Figure 00000038
(фиг. 4). Силы, создаваемые двигательными установками управления угловым движением КАБ и АСМ, должны лежать в одной плоскости и направлены в противоположные стороны, создавая момент относительно центра масс связки, противоположный направлению вращения связки.The module of the kinetic moment of the “KAB + cable + AFM + OS” system, after its formation and before the KAB is connected to the AFM and OS, must be reduced using the motor settings for controlling the angular motion of the KAB -
Figure 00000037
and AFM -
Figure 00000038
(Fig. 4). The forces created by the motor units for controlling the angular motion of the KAB and the AFM should lie in the same plane and directed in opposite directions, creating a moment relative to the center of mass of the ligament, opposite to the direction of rotation of the ligament.

3) Определим силу тяги, необходимую для гашения угловой скорости тросовой системы. Для простоты предположим, что угловая скорость тросовой системы уменьшается только за счет действия силы тяги АСМ -

Figure 00000039
(фиг. 4). Влиянием
Figure 00000040
на движение центра масс связки пренебрегаем. Одновременно с уменьшением угловой скорости связки уменьшается длина троса. Предположим, что расстояние между центрами масс КАБ 12 и связки АСМ с ОС 5 уменьшается по линейному закону:3) We determine the traction force necessary to damp the angular velocity of the cable system. For simplicity, we assume that the angular velocity of the cable system decreases only due to the action of the AFM traction force -
Figure 00000039
(Fig. 4). Influence
Figure 00000040
neglect the motion of the center of mass of the ligament. Simultaneously with a decrease in the angular velocity of the bundle, the cable length decreases. Suppose that the distance between the centers of mass of KAB 12 and the AFM ligament with OS 5 decreases linearly:

Figure 00000041
Figure 00000041

где k - скорость изменения длины троса.where k is the rate of change of cable length.

Теорема об изменении кинетического момента системы, состоящей из двух материальных точек с массами mАСМ+mОС и mКАБ, соединенных тросом и вращающегося вокруг общего центра масс будет иметь вид:The theorem on the change in the kinetic moment of a system consisting of two material points with masses m AFM + m OS and m CAB , connected by a cable and rotating around a common center of mass will have the form:

Figure 00000042
Figure 00000042

Момент инерции тросовой систем относительно ее центра масс определяется следующим образомThe moment of inertia of the cable systems relative to its center of mass is determined as follows

Figure 00000043
Figure 00000043

Подставляя (20) в (19), обозначив m3=(mАСМ+mОС) получим следующее дифференциальное уравнение:Substituting (20) into (19), denoting m 3 = (m AFM + m OS ), we obtain the following differential equation:

Figure 00000044
Figure 00000044

илиor

Figure 00000045
Figure 00000045

Интегрируя уравнение (22) получим оценку тяги

Figure 00000046
, необходимую для гашения угловой скорости тросовой системы при выбранном законе изменения длины троса:Integrating equation (22), we obtain the thrust estimate
Figure 00000046
necessary to damp the angular velocity of the cable system with the selected law of change in cable length:

Figure 00000047
Figure 00000047

где

Figure 00000048
. При массе КАБ=1000 кг, массы ОС с АСМ mАСМ+mОС=4000 кг, начальной угловой скорости тросовой системы ω0=10°/с,
Figure 00000049
м,
Figure 00000050
м и tk=500 с, тяга АСМ должна бытьWhere
Figure 00000048
. With mass KAB = 1000 kg, mass of OS with AFM m AFM + m OS = 4000 kg, initial angular velocity of the cable system ω 0 = 10 ° / s,
Figure 00000049
m
Figure 00000050
m and t k = 500 s, the thrust of the AFM should be

Figure 00000051
Figure 00000051

Сила

Figure 00000052
будет создавать момент относительно центра масс связки АСМ и ОС, что приведет к увеличению угла Δϑ между продольной осью АСМ и линией троса (фиг. 4) и снижению эффективности гашения угловой скорости тросовой системы, вследствие изменения направления силы
Figure 00000053
по отношению к тросу.Force
Figure 00000052
will create a moment relative to the center of mass of the bundle of the AFM and the OS, which will lead to an increase in the angle Δϑ between the longitudinal axis of the AFM and the cable line (Fig. 4) and a decrease in the efficiency of damping the angular velocity of the cable system due to a change in the direction of the force
Figure 00000053
in relation to the cable.

Действие силы

Figure 00000054
на относительное движение троса и связки АСМ с ОС (или КАБ, если для гашения угловой скорости тросовой системы используется ДУ КАБ) может быть компенсировано моментом создаваемыми двигателями ориентации АСМ -
Figure 00000055
13 (фиг. 5). Тяга
Figure 00000056
будет зависеть от угла между линией троса и продольной осью АСМ и от силы натяжения троса Т. Предполагая малость углового ускорения тросовой системы, из условия равенства нулю суммы моментов от силы натяжения троса, силы
Figure 00000057
и сил двигателей ориентации 13:Force action
Figure 00000054
the relative movement of the cable and the AFM bundle with the OS (or KAB, if the KAB remote control is used to damp the angular velocity of the cable system) can be compensated by the moment created by the AFM orientation engines -
Figure 00000055
13 (Fig. 5). Thrust
Figure 00000056
will depend on the angle between the line of the cable and the longitudinal axis of the AFM and on the tension of the cable T. Assuming that the angular acceleration of the cable system is small, from the condition that the sum of the moments on the cable tension and the force equal to zero
Figure 00000057
and forces of orientation engines 13:

Figure 00000058
Figure 00000058

Угловая скорость вращения связки КАБ и АСМ с ОС на тросовой связи вокруг общего центра масс 9 приводит к возникновению в тросе 4 растягивающего усилия Т (фиг. 5), которое не должно превышать предельного значения, определяемого прочностными характеристиками троса и узлов его крепления на КАБ 10 и АСМ 11.The angular speed of rotation of the bundle of KAB and AFM with OS on a cable connection around a common center of mass 9 leads to the appearance of a tensile force T in the cable 4 (Fig. 5), which should not exceed the limit value determined by the strength characteristics of the cable and its attachment points on the KAB 10 and AFM 11.

Рассмотрим движение КАБ вокруг центра масс тросовой системы. КАБ движется по окружности радиусаConsider the motion of the CAB around the center of mass of the cable system. KAB moves around a circle of radius

Figure 00000059
.
Figure 00000059
.

Центростремительное ускорение КАБ, равное произведению квадрата угловой скорости тросовой системы и расстояния от ее центра масс 9 до центра масс КАБ3 (3 Маркеев А.П. Теоретическая механика: Учебник для университетов. - М.: Регулярная и хаотическая динамика, 1999) 12 (фиг. 5), создается силой натяжения троса Т, которая равна произведению центростремительного ускорения КАБ и его массы:Centripetal acceleration of the CAB equal to the product of the square of the angular velocity of the cable system and the distance from its center of mass 9 to the center of mass of CAB 3 ( 3 Markeev A.P. Theoretical mechanics: Textbook for universities. - M.: Regular and chaotic dynamics, 1999) 12 ( Fig. 5) is created by the cable tension force T, which is equal to the product of the centripetal acceleration of the cable and its mass:

Figure 00000060
Figure 00000060

Для троса с площадью поперечного сечения S, изготовленного из материала с известным предельным напряжением [σ], угловая скорость связки вокруг центра масс не должна превышать значения:For a cable with a cross-sectional area S made of a material with a known ultimate stress [σ], the angular velocity of the bundle around the center of mass should not exceed the value:

Figure 00000061
Figure 00000061

Для уменьшения силы натяжения троса может быть использован главный (маршевый) двигатель КАБ, создающий тягу FKAБ (фиг. 5), направленную вдоль линии троса. Ускорение КАБ, создаваемое силой натяжения троса, может быть уменьшено на величину ускорения, создаваемого ДУ КАБ:To reduce the tension force of the cable, the KAB main (marching) engine can be used, creating a thrust F KAB (Fig. 5), directed along the line of the cable. The acceleration of the CAB created by the cable tension force can be reduced by the value of the acceleration created by the CAB remote control:

Figure 00000062
,
Figure 00000062
,

при этом суммарное ускорение будет равно центростремительному ускорению при движении КАБ вокруг центра масс связки 9 (фиг. 5).in this case, the total acceleration will be equal to the centripetal acceleration during the motion of the CAB around the center of mass of the ligament 9 (Fig. 5).

С учетом действия двигателя КАБ условие (27) примет вид:Taking into account the action of the KAB engine, condition (27) will take the form:

Figure 00000063
Figure 00000063

Например, при суммарной массе АСМ и ОС mАСМ+mОС=4000 кг, массе КАБ mКАБ=1000 кг, тяге двигателя КАБ FKAБ=3000 Н угловая скорость системы с тросом диаметром 4 мм из материала с [σ]=3 ГПа (трос из материала Spectra-1000 с плотностью 0,97 г/см3) и длиной 1 км должна быть не более:For example, with a total mass of AFM and OS m AFM + m OS = 4000 kg, weight KAB m KAB = 1000 kg, engine traction KAB F KAB = 3000 N, the angular velocity of the system with a cable with a diameter of 4 mm from a material with [σ] = 3 GPa (cable made of Spectra-1000 material with a density of 0.97 g / cm 3 ) and a length of 1 km should be no more than:

Figure 00000064
Figure 00000064

4) Возможности двигательной установки КАБ по обеспечению устойчивости и управляемости системы «КАБ+АСМ+ОС» при реализации маневра для перехода на орбиту спуска.4) The capabilities of the KAB propulsion system to ensure the stability and controllability of the “KAB + ASM + OS” system when implementing a maneuver for transition to the descent orbit.

Предполагается, что расположение объектов КАБ, АСМ, ОС в системе «КАБ+АСМ+ОС» соответствует фиг. 3 поз. 1, 2, 3: продольные оси всех объектов и центры масс находятся на общей продольной оси системы «КАБ+АСМ+ОС» (поз. 14, фиг. 3), а направления осей связанной с АСМ системой координат совпадает с направлением связанных осей КАБ, т.е. управляющие моменты КАБ совпадают с управляющими моментами АСМ.It is assumed that the location of the objects KAB, AFM, OS in the system "KAB + AFM + OS" corresponds to FIG. 3 poses 1, 2, 3: the longitudinal axes of all objects and the centers of mass are located on the common longitudinal axis of the “KAB + AFM + OS” system (pos. 14, Fig. 3), and the directions of the axes associated with the AFM coordinate system coincide with the direction of the connected axes of the KAB , i.e. KAB control moments coincide with AFM control moments.

Из-за возможного появления возмущающих моментов, обусловленных:Due to the possible appearance of disturbing moments due to:

- появлением смещения центра масс системы «КАБ+АСМ+ОС» (поз. 15, фиг. 3) в поперечной плоскости;- the appearance of the displacement of the center of mass of the system "CAB + AFM + OS" (pos. 15, Fig. 3) in the transverse plane;

- наличием остатков жидкого топлива в баках ОС и т.д.,- the presence of residual liquid fuel in the tanks of the OS, etc.,

необходимо обеспечение условия управляемости и качества процесса стабилизации, соответственно, точности отработки импульса маневра спуска двигательной установкой КАБ, за счет управляющих моментов КАБ - MF. Должно выполняться условие:it is necessary to ensure the conditions for controllability and quality of the stabilization process, respectively, the accuracy of working out the impulse for maneuvering the descent of the KAB propulsion system, due to the KAB - M F control moments. The condition must be met:

Figure 00000065
Figure 00000065

Для тяги главного двигателя КАБ FКАБ=3000 Н и максимального смещения центра масс системы δ=0,05 м суммарный момент MF, создаваемый двигателями ориентации, должен быть не менее 150 Н⋅м, что на плече h от 3 до 4 м соответствует тяге FKAБ от 38 до 50 Н.For traction of the main engine KAB F KAB = 3000 N and the maximum displacement of the center of mass of the system δ = 0.05 m, the total moment M F created by the orientation engines must be at least 150 N⋅m, which corresponds to 3 to 4 m on the arm h traction F KAB from 38 to 50 N.

Как было отмечено выше, двигатели ориентации, применяемые на существующих в настоящее время разгонных блоках (РБ), как правило, имеют меньшую тягу, и не предназначены парирования возмущений такого уровня (таблица 1), поэтому управление движением «КАБ+АСМ+ОС» предлагается осуществлять за счет двигательной установки КАБ (маршевый и рулевые сопла ориентации и стабилизации) и дополнительное использование двигательной установки и системы управления АСМ -

Figure 00000066
.As noted above, the orientation engines used on the currently existing acceleration blocks (RB), as a rule, have less traction and are not designed to parry disturbances of this level (table 1), therefore, the motion control "KAB + AFM + OS" is proposed to carry out at the expense of the KAB propulsion system (marching and steering nozzles of orientation and stabilization) and additional use of the propulsion system and the AFM control system -
Figure 00000066
.

Figure 00000067
Figure 00000067

Использование предлагаемого технического решения позволит выбрать ОС с учетом не только критериев опасности столкновения с другими космическими объектами, но и с учетом возможностей КАБ, АСМ.Using the proposed technical solution will allow you to choose the OS, taking into account not only the criteria for the danger of collision with other space objects, but also taking into account the capabilities of the spacecraft, AFM.

Claims (1)

Способ очистки орбит от объектов космического мусора, основанный на выведении космического аппарата-буксира (КАБ) и автономного стыковочного модуля (АСМ) в области орбит, предназначенных для их очистки от объектов космического мусора, например отработавших ступеней ракет-носителей (ОС), последовательных маневрах дальнего и ближнего наведения для стыковки и захвата ОС и их спуска на орбиты утилизации, выборе последовательности ОС путем последовательного сравнения значения критерия для каждой предполагаемой ОС, например вероятности столкновения ОС с другими космическими объектами, отличающийся тем, что ОС дополнительно выбирают из условий, чтобы собственный кинетический момент ОС не превышал заданного значения, определяемого управляющим моментом двигательной установки АСМ и заданным временем на обнуление этого кинетического момента, а кинетический момент системы КАБ+трос+АСМ+ОС на участке стягивания и торможения вращения не превышал заданных значений, определяемых управляющими моментами двигательных установок АСМ и КАБ, обеспечивающих его обнуление, при этом торможение связки осуществляют с использованием двигательной установки АСМ, при увеличении силы натяжения троса до критических значений прикладывают продольный импульс двигательной установки КАБ, направленный против силы натяжения, до снижения ее до значения, определяемого прочностью троса, управление движением системы КАБ+АСМ+ОС при маневре спуска на орбиту утилизации осуществляют с помощью двигательных установок КАБ и АСМ.A method for cleaning orbits of space debris objects, based on the removal of a spacecraft-tug (KAB) and an autonomous docking module (AFM) in the region of orbits intended for their cleaning from objects of space debris, for example, spent stages of launch vehicles (OS), sequential maneuvers far and near guidance for docking and capturing the OS and their descent into disposal orbits, selecting the OS sequence by sequentially comparing the criterion value for each proposed OS, for example, the probability of contacts of the OS with other space objects, characterized in that the OS is additionally selected from the conditions so that the OS kinetic moment does not exceed a predetermined value determined by the control moment of the AFM propulsion system and a given time to zero this kinetic moment, and the kinetic moment of the KAB + cable + AFM + OS in the area of contraction and braking of rotation did not exceed the specified values determined by the control moments of the ACM and KAB propulsion systems, ensuring its zeroing, while The ligament is tensioned using the AFM propulsion system, while increasing the cable tension force to critical values, a longitudinal impulse of the KAB propulsion system is applied, directed against the tension force, until it decreases to a value determined by the cable strength, motion control of the KAB + AFM + OS system during the descent maneuver into orbit of disposal is carried out using propulsion systems KAB and AFM.
RU2018105002A 2018-02-09 2018-02-09 Method of clearing orbit from space debris RU2676368C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018105002A RU2676368C1 (en) 2018-02-09 2018-02-09 Method of clearing orbit from space debris

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018105002A RU2676368C1 (en) 2018-02-09 2018-02-09 Method of clearing orbit from space debris

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2676368C1 true RU2676368C1 (en) 2018-12-28

Family

ID=64958554

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018105002A RU2676368C1 (en) 2018-02-09 2018-02-09 Method of clearing orbit from space debris

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2676368C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110450983A (en) * 2019-08-14 2019-11-15 上海卫星工程研究所 Quick satellite configuration
US20210294282A1 (en) * 2020-03-23 2021-09-23 The Boeing Company Automated device tuning

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2026243C1 (en) * 1987-06-10 1995-01-09 Шота Николаевич Хуцишвили Method of delivery of celestial body to assignment planet and space transport facility for its realization
US6843446B2 (en) * 1993-11-12 2005-01-18 David D. Scott Apparatus and methods for in-space satellite operations
US20120076629A1 (en) * 2011-12-06 2012-03-29 Altius Space Machines Sticky Boom Non-Cooperative Capture Device
RU2531679C2 (en) * 2012-08-21 2014-10-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Омский государственный технический университет" Method of clearing space debri from orbit
WO2015152376A1 (en) * 2014-04-04 2015-10-08 アストロスケール プライベート リミテッド Debris removal device and debris removal system

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2026243C1 (en) * 1987-06-10 1995-01-09 Шота Николаевич Хуцишвили Method of delivery of celestial body to assignment planet and space transport facility for its realization
US6843446B2 (en) * 1993-11-12 2005-01-18 David D. Scott Apparatus and methods for in-space satellite operations
US20120076629A1 (en) * 2011-12-06 2012-03-29 Altius Space Machines Sticky Boom Non-Cooperative Capture Device
RU2531679C2 (en) * 2012-08-21 2014-10-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Омский государственный технический университет" Method of clearing space debri from orbit
WO2015152376A1 (en) * 2014-04-04 2015-10-08 アストロスケール プライベート リミテッド Debris removal device and debris removal system

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110450983A (en) * 2019-08-14 2019-11-15 上海卫星工程研究所 Quick satellite configuration
CN110450983B (en) * 2019-08-14 2021-05-07 上海卫星工程研究所 Agile satellite configuration
US20210294282A1 (en) * 2020-03-23 2021-09-23 The Boeing Company Automated device tuning
US11809149B2 (en) * 2020-03-23 2023-11-07 The Boeing Company Automated device tuning

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4758957A (en) Spacecraft stabilization system and method
JP6019044B2 (en) Collecting / braking device for objects flying freely in outer space
JP6737512B2 (en) Space debris intercept
CN112597587B (en) Swing suppression method for recovery of failure satellite tether
US8967548B2 (en) Direct to facility capture and release
RU2676368C1 (en) Method of clearing orbit from space debris
US9938027B2 (en) Methods of accelerating a target vehicle to a higher orbit via a kinetic energy storage and transfer (KEST) space vehicle
Williams A review of space tether technology
RU2141436C1 (en) Space vehicle for cleaning space from passive space vehicles and their fragments
RU2531679C2 (en) Method of clearing space debri from orbit
US4657210A (en) Spacecraft stabilization system and method
Jacot et al. Control moment gyros in attitude control.
Foust et al. Automated rendezvous and docking using tethered formation flight
Powell et al. Six-degree-of-freedom guidance and control analysis of Mars aerocapture
RU2462399C2 (en) Method of space refuse withdrawal from payload orbit exploiting carrier rocket separated part and accelerating unit, and device to this end
WO2019035378A1 (en) Spacecraft and debris removal system
CN111736459B (en) Tether vibration rapid suppression control method without initial value dependence
Zabolotnov Dynamics of the formation of a rotating orbital tether system with the help of electro-thruster
Kubota et al. Touchdown dynamics for sampling in Hayabusa mission
EA038352B1 (en) Method to de-orbit large space debris and device to implement it
JP2802130B2 (en) Orbit change method and orbit change device for artificial satellite
RU2643020C1 (en) Method for conducting flight development tests of autonomous docking module for cleaning orbits from space debris
Kumpel et al. A Conceptual Design for the Space Launch Capability of the Peacekeeper ICBM
Forward et al. Mars-Earth Rapid Interplanetary Tether Transport (MERITT) system. I-Initial feasibility analysis
RU2497729C2 (en) Method of delivery of lander from orbital station to earth based on passive deployment of space cable system

Legal Events

Date Code Title Description
QB4A Licence on use of patent

Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20210316

Effective date: 20210316