Mathematical simulation of a tethered satellite system motion with an inflatable spherical balloon during a spacecraft orbit injection
This paper deals with a problem of spacecraft delivery into orbit using a tethered satellite system. Tethered system consists of satellite, elastic tether, and docking module equipped with an inflatable balloon. Spacecraft placed in an orbit makes a soft docking. The balloon is inflated after docking and the system transfers into rotation mode due to aerodynamic forces. When a half-turn has been made, the spacecraft is separated from the docking module. The objective of this paper is to study an applicability of the orbital injection scheme described. The mathematical model is developed using Lagrange equations of the second kind. It takes into account the effect of aerodynamic forces on the inflatable balloon. The numerical simulation of the system motion is implemented. A comparison of mechanical system motion with and without inflatable balloon is performed. The spacecraft orbit parameters are evaluated for different balloon radius. The estimation of unspent jet propellant is exposed.
Keywords
космическая тросовая система,
уравнение Лагранжа,
вывод груза,
фазовый портрет,
численное моделирование,
tethered satellite system,
Lagrange equations,
payload injection,
phase-plane plot,
numerical simulationAuthors
Ledkov Alexander S. | Samara National Research University | ledkov@inbox.ru |
Sobolev Ruslan G. | Samara National Research University | rus7522@yandex.ru |
Всего: 2
References
HAAS Orbital Rocket Launcher (Brochure), ARCASPACE. 2012. DOI: 10.1155/2012/ 830536.
Jones R.M. Electromagnetically launched microspacecraft for space science missions // J. Spacecraft and Rockets. 1989. V. 26. No. 5. P. 338-342.
Krier H., GLUMB R.J. Concepts and status of laser-supported rocket propulsion // J. Spacecraft and Rockets. 1984. V. 21. No. 1. P. 70-79. DOI: 10.2514/3.8610.
Edwards B.C. Design and deployment of a space elevator // Acta Astronautica. 2000. V. 47. No. 10. P. 735-744.
Ледков А.С., Пикалов Р.С. Исследование влияния движения подъемника на динамику космического лифта // Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2014. No. 5. P. 206-216. DOI: 10.7463/0514.0710704.
Pugno N.M. On the strength of the carbon nanotube-based space elevator cable: from nanomechanics to megamechanics // J. Physics: Condensed Matter. 2006. V. 18. No. 33. P. S1971.
Bangham M.E., Lorenzini E.C., Vestal L. Tether Transport System Study. NASA; TP-1998-206959. 1998.
Carroll J.A. Preliminary Design of a 1 km/sec Tether transport facility // Final Report on NASA contract NASW-4461. 1991. V. 78.
Lorenzini E.C. et al. Mission analysis of spinning systems for transfers from low orbits to geostationary // J. Spacecraft and Rockets. 2000. V. 37. No. 2. P. 165-172.
Hoyt R.P. LEO-Lunar Tether Transport System // AIAA Paper 97-2794, 33rd Joint Propulsion Conference. 1997.
Hoyt R.P., Forward R.L. Tether Transport from Sub-Earth-Orbit to the Moon.. And Back! // 1997 International Space Development Conference, Orlando FL. 1997.
Hoyt R.P., Uphoff C. Cislunar tether transport system // J. Spacecraft and Rockets. 2000. V. 37. No. 2. P. 177-186.
Hoyt R.P., Forward R.L., Nordley G.D., Uphoff C.W. Rapid Interplanetary Tether Transport // 50th Int. Astronautical Congress, Netherlands, Amsterdam, Oct 1999. Amsterdam, 1999. mT = m01 1 - exp (9)
Nordley G.D., ForwardR.L. Mars-earth rapid interplanetary tether transport system: I. Initial feasibility analysis // J. Propulsion and Power. 2001. V. 17. No. 3. P. 499-507. DOI: 10.2514/2.5798.
Marshall L., Fiпkeпor М. Space tethers // Aerospace America. 2004. No. 12. P. 92.
Асланов В.С., Ледков А.С., Стратилатов Н.Р. Влияние на вращательное движение КА тросовой системы, предназначенной для доставки груза на землю // Полет. Общероссийский научно-технический журнал. 2009. № 1. С. 54-60.
Щербаков В.И. Аналитическая модель маневра космической тросовой системы для спуска с орбиты малого КА // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. 2011. № 4-2. С. 367-368.
Дон Ч., Заболотнов Ю.М., Ван Ч. Анализ динамики развертываемой космической тросовой системы с атмосферным зондом // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2016. Т. 18. № 4-4.
Ледков А.С., Жаринов М.К. Использование надувного баллона в задаче вывода груза на орбиту с помощью тросовой системы // Интернет-журнал Науковедение. 2014. № 4 (23).
Маркеев А.П. Теоретическая механика: учеб. пособие. Наука, 1990.
Краснов Н.Ф. Аэродинамика. 1976.
Шахов Е.М. Колебания спутника-зонда, буксируемого на нерастяжимой нити в неоднородной атмосфере // Прикл. математика и механика. 1988. Т. 52. № 4. С. 567.
Sorensen K. Momentum eXchange Electrodynamic Reboost (MXER) Tether Technology Assessment Group Final Report // NASA/MSFC In-Space Propulsion Technology Office, Huntsville, AL. 2003. V. 4.
Охоцимский Д.Е., Сихарулидзе Ю.Г. Основы механики космического полета: учеб. пособие. М.: Наука, 1990.
Балк М.Б. Элементы динамики космического полёта. 1965.