Исследование вращательного движения солнечного паруса в L1 системы Солнце — Земля

Егорова Виктория Александровна
Бесплатно
В избранное
Работа доступна по лицензии Creative Commons:«Attribution» 4.0

Рассмотрено движение космического аппарата с солнечным парусом в рамках ограниченной задачи трёх тел системы Солнце – Земля. Проведено исследование неуправляемого поступательного движения космического аппарата вблизи точки либрации L1. Описано управление для солнечного паруса с вычислением оптимального разворота для парусника с обозначением границы «удержания». Представлены уравнения плоской модели поступательно – вращательного движения для солнечного паруса. Построен закон управления для вращательного движения, который обеспечивает солнечному парусу заданную ориентацию. Проведено численное исследование для уточнения границ «удержания» космического аппарата с учётом вращательного движения.
Работа представлена введением, постановкой задачи, обзором литературы, двумя главами, заключением, списком литературы и приложением. В работе имеется 13 рисунков, в приложении представлены 7 программ, в списке литературе указано 15 источников. Общий объём магистерской диссертации составляет 47 листов.

Введение. 3
Постановка задачи. 8
1. Предварительные исследования. 11
1.1. Обзорлитературы……………………….. 11
1.2. ПараметрыРодрига-Гамильтона………………… 13
1.3. Солнечныйпарус. ………………………. 14
1.4. Функцияопасности. ……………………… 18
2. Плоское поступательно – вращательное движение. 20
2.1. Уравненияпоступательногодвижения. . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2. Управлениедлясолнечногопаруса………………. 24
2.3. Вращательноедвижение. …………………… 29
Заключение.
Список литературы.

Человечество всегда стремилось покорять новые вершины, главная высота, ко- торую мы хотим достичь и по сей день, это космос. Космическое пространство огромно и опасно, нам хочется его освоить, понять и начать использовать всё это пространство в своих целях. Исследователи давно обратили внимание на точки Лагранжа, как решение круговой ограниченной задачи трёх тел. Предполагается, что в данных точках удобно размещать космические обсерватории, телескопы, ап- параты изучающие особенности окружения, различные спутники и т.д. Некоторые фантасты используют точки Лагранжа в своих романах, как точки «покоя», т.е. объект помещенный в эту точку, никогда не сможет покинуть её окрестности. В качестве объекта чаще всего предлагают мусорные свалки, разные межпланетные артефакты и даже планеты. К примеру Айзек Азимов предлагал в книге «Вид с высоты» отправлять в точки Лагранжа радиоактивные отходы.
Предположим, что космический аппарат движется в гравитационном поле двух притягивающих тел Солнца и Земли. Для описания движения космического аппа- рата используем математическую модель круговой ограниченной задачи трёх тел [1 – 3], в которой предполагается, что космический аппарат движется в гравита- ционном поле двух притягивающих центров конечных масс Земли и Солнца и не оказывает влияния на их движение, поскольку его масса пренебрежимо мала по сравнению с массами центров притяжения. Траектория движения Земли вокруг Солнца предполагается круговой.
Существуют решения данной задачи, связанные с точками космического про- странства, координаты которых сохраняют свое положение в пространстве кон- фигураций. В окрестности таких точек космический аппарат может находиться в состоянии равновесия и сохранять свое положение по отношению к двум дру- гим, притягивающим центрам Земли и Солнца. В небесной механике такие точки называют точками либрации или точками относительного равновесия. В системе Солнце-Земля точки Лагранжа L1 − L5 располагаются в плоскости орбиты Земли.
3
Три из них L1 − L3, называемые коллинеарными, находятся на прямой, соеди- няющей центры инерции Солнца и Земли, L4 и L5, в силу их геометрического расположения, называют треугольными точками либрации Рис. 1.
Рис. 1. Точки либрации системы Солнце – Земля.
Необходимо отметить, что координаты точек L1 − L3 являются неустойчивыми стационарными решениями уравнения движения, поэтому космический аппарат через некоторое время может существенно уйти из окрестности данных точек, вследствие чего возникает вопрос управления движением. Напротив, L4 и L5 – устойчивы, и находящийся в их окрестности космический аппарат будет вечно двигаться (в рамках принятой математической модели), сохраняя вполне опре- деленное положение относительно Солнца и Земли. В реальных же условиях под действием возмущений космический аппарат покинет окрестность любой из таких точек, но удержать его здесь гораздо «легче», то есть со значительно меньшими затратами энергии, чем в любой другой точке космического пространства.
Наибольший интерес представляют точки L1 и L2, так как они находятся на наименьшем расстоянии от Земли. В качестве космического аппарата рассматри- ваем аппарат с солнечным парусом. Преимуществом солнечного паруса является наличие малого количества топлива, которое будет использоваться для управле-
4

ния вращением аппарата, в сравнении с другими двигателями на космических аппаратах. Данный факт помогает увеличить полезную нагрузку на борту. Стоит заметить, что использование солнечного паруса требует лёгкого и большого по площади паруса, что является отдельной задачей конструирования космического аппарата. Конечно, необходимо сказать и о недостатках, одним из которых явля- ется зависимость ускорения от расстояния до Солнца, чем дальше от Солнца тем меньше давление. Таким образом стоит рассматривать точку либрации которая находится между Солнцем и Землей – L1, чтобы эффект использование энергии солнечного ветра было максимальным.
Приведем несколько примеров аппаратов с солнечным парусом:
Космический аппарат Прогресс М-15 IKAROS
LightSail-1
LightSail-2
Дата запуска
24 февраля 1993 21 мая 2010
20 мая 2015 март 2019
Размер (метры) 20х20 14х14 32х32 32х32
Первое раскрытие солнечного паруса в космосе было произведено на российском корабле «Прогресс М–15» в рамках проекта «Знамя–2», следующие проекты из се- рии «Знамя» закончились неудачами. Первым кто использовал солнечный парус как двигатель стал японский IKAROS, который выполнил две задачи: раскрытие паруса, регулировка скорости и направления в зависимости от солнечного излу- чения.
Подтвердим интерес вокруг точек Лагранжа запланированными проектами изучения космоса:
5

Проект
JWST (NASA, CSA) Euclid (ESA) WFIRST (NASA) PLATO (ESA) SPICA (ESA, JAXA)
Год 2018 2020-е 2020-е 2020-e 2020-e
Цель
Изучение формирования и развития галактик Изучение темной материи и темной энергии Изучение темной энергии Обнаружение экзопланет
Изучение формирования звезд и планет
Подведём итоги по исследуемой области интересными фактами:
1. В 2009 году космические аппараты STEREO пролетели через четвертую и пя- тую коллинеарную точку Лагранжа.
2. В 2021 году планируется во вторую точку Лагранжа системы Солнце – Земля поместить космический аппарат «Джеймс Уэбб». Этот телескоп должен заменить «Хабл». В 2024 году так же планируется разместить в этой точке ещё один теле- скоп «PLATO».
3. Первая точка Лагранжа в системе Луна – Земля могла бы послужить хоро- шим местом для размещения пилотируемой орбитальной станции, которая могла уменьшить затрату ресурсов на путь с Земли на Луну.
4. «Планк» и «Гершель», которые находятся в космосе с 2009 года, в данный мо- мент располагаются во второй точке Лагранжа системы Солнце – Земля.
В данной работе будем проводить исследование поступательно – вращательно- го движения космического аппарата с солнечным парусом в рамках круговой огра- ниченной задачи трёх тел вблизи точки либрации L1 в системе Солнце – Земля. Находить границу управления для космического аппарата с солнечным парусом, попадая в которую можем гарантировать, что космический аппарат не упадёт на Солнце. Построим закон управления вращательным движением, использую- щее параметр угловой скорости вращения, которое будет стабилизировать вра- щательное движение космического аппарата, с целью «удержания» вблизи точки либрации. Рассчитаем численные характеристики найденного управления. Прове- дем численное моделирование траекторий с заданным управлением для анализа границы «удержания» космического аппарата в сторону Земли. Результаты дан- ного исследования могут быть полезны для проектов вблизи точек либрации, для оптимизации управления в данных точках и, как следствия, уменьшения затрат энергии на нахождение в них, для увеличения полезной нагрузки на космических аппаратах.

В работе были получены следующие результаты:

1. Изучено неуправляемое поступательное движение космического аппарата
вблизи точки либрации L1 .

2. Представлены уравнения плоской модели поступательно – вращательного
движения для солнечного паруса.

3. Построен закон управления для вращательного движения, который обеспе-
чивает солнечному парусу заданную ориентацию.

4. Проведено численное исследование для уточнения границы удержания кос-
мического аппарата с учётом вращательного движения.

1. Охоцимский Д. Е., Сихарулидзе Ю. Г. Основы механики космического полета:
учеб.пособие. М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит-ры, 1990, 448 с.
2. Себехей В. Теория орбит: ограниченная задача трёх тел. Пер. с англ. Под ред. Г.
Н. Дубошина.–М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы.
1982. 655 с.
3. Маркеев А. П. Точки либрации в небесной механике и космодинамике. М.: На-
ука, 1978. 312 с.
4. Шмыров В. А. Стабилизация управляемого орбитального движения косми-
ческого аппарата о окрестности коллинеарной точки либрации L1 // Вестн. С.-
Петерб. ун-та. Сер. 10: Прикладная математика, информатика, процессы управ-
ления. 2005. Вып. 2. С. 193-199
5. Шиманчук Д. В. Моделирование орбитального управляемого движения кос-
мического аппарата в окрестности коллинеарной точки либрации L1 // Вест-
ник Санкт-Петербургского университета. Прикладная математика. Информатика.
Процессы управления. 2010. Сер. 10. Вып. 3. С. 86-92.
6. Shimyrov A.S., Shimyrov V.A. Qualitative Properties of Controllable Orbital Motion
in a Neighborhood of Collegium Libration Point // Classical and celestial mechanics:
selection papers. Siedlice: Wydawnictwo Collegium Mazovia, 2012. P.
7. Проблемы дислокации космических аппаратов в окрестностях точек либрации
Земля – Луна/ Под ред. Г. С. Титова и А.В. Брыкова. – М.: Машиностроение, 1979
8. Бранец В.Н., Шмыглевский И.П. Применение кватернионов в задачах ориента-
ции твердого тела. М.: Наука, 1973. 320 с.
9. Голубев Ю.Ф. Алгебра кватернионов в кинематике твердого тела // Препринты
ИПМ им. М.В.Келдыша. 2013. № 39. 23 с.
10. Матросов А. В. Maple 6. Решение задач высшей математики и механики., СПб.:
BHV-Санкт-Петербург, 2001. — 528 с.
11. Олемской И. В. О структурном методе типа Рунге–Кутты // 9-й Всесоюз.семинар
«Вопросы оптимизации вычислений». Киев: Ин-т кибернетики АН УССР, 1987. С.
242
12. Шмыров А.С., Шмыров В.А. Оптимальная стабилизация орбитального дви-
жения КА в окрестности точки либрации L1 // Четвертые Поляховские чтения:
избр.труды. СПб.:Изд-во “ВВМ”, 2006. С. 296-300.
13. Шиманчук Д. В. Моделирование управляемого поступательно – вращательно-
го движения небесного тела в окрестности коллинеарной точки либрации L1 //
Вестник Санкт-Петербургского университета. Прикладная математика. Инфор-
матика. Процессы управления. 2017. Т. 13. Вып. 2. С. 147-167.
14. E. N. Polyakhova, A. S. Shmyrov and V. A. Shmyrov, Solar Radiation Pressure
Application for Orbital Motion Stabilization near the Sun-Earth Collinear Libration
Point // Journal Article 2018
15. P. Albrecht, A new theoretical approach to Runge–Kutta methods, SIAM J. Numer.
Anal. 24 (1987) 391–406.

Заказать новую

Лучшие эксперты сервиса ждут твоего задания

от 5 000 ₽

Не подошла эта работа?
Закажи новую работу, сделанную по твоим требованиям

    Нажимая на кнопку, я соглашаюсь на обработку персональных данных и с правилами пользования Платформой

    Хочешь уникальную работу?

    Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!

    Сергей Е. МГУ 2012, физический, выпускник, кандидат наук
    4.9 (5 отзывов)
    Имеется большой опыт написания творческих работ на различных порталах от эссе до кандидатских диссертаций, решения задач и выполнения лабораторных работ по любым напра... Читать все
    Имеется большой опыт написания творческих работ на различных порталах от эссе до кандидатских диссертаций, решения задач и выполнения лабораторных работ по любым направлениям физики, математики, химии и других естественных наук.
    #Кандидатские #Магистерские
    5 Выполненных работ
    Анастасия Б.
    5 (145 отзывов)
    Опыт в написании студенческих работ (дипломные работы, магистерские диссертации, повышение уникальности текста, курсовые работы, научные статьи и т.д.) по экономическо... Читать все
    Опыт в написании студенческих работ (дипломные работы, магистерские диссертации, повышение уникальности текста, курсовые работы, научные статьи и т.д.) по экономическому и гуманитарному направлениях свыше 8 лет на различных площадках.
    #Кандидатские #Магистерские
    224 Выполненных работы
    Шиленок В. КГМУ 2017, Лечебный , выпускник
    5 (20 отзывов)
    Здравствуйте) Имею сертификат специалиста (врач-лечебник). На данный момент являюсь ординатором(терапия, кардио), одновременно работаю диагностом. Занимаюсь диссертац... Читать все
    Здравствуйте) Имею сертификат специалиста (врач-лечебник). На данный момент являюсь ординатором(терапия, кардио), одновременно работаю диагностом. Занимаюсь диссертационной работ. Помогу в медицинских науках и прикладных (хим,био,эколог)
    #Кандидатские #Магистерские
    13 Выполненных работ
    Александр О. Спб государственный университет 1972, мат - мех, преподав...
    4.9 (66 отзывов)
    Читаю лекции и веду занятия со студентами по матанализу, линейной алгебре и теории вероятностей. Защитил кандидатскую диссертацию по качественной теории дифференциальн... Читать все
    Читаю лекции и веду занятия со студентами по матанализу, линейной алгебре и теории вероятностей. Защитил кандидатскую диссертацию по качественной теории дифференциальных уравнений. Умею быстро и четко выполнять сложные вычислительные работ
    #Кандидатские #Магистерские
    117 Выполненных работ
    Анна С. СФ ПГУ им. М.В. Ломоносова 2004, филологический, преподав...
    4.8 (9 отзывов)
    Преподаю англ язык более 10 лет, есть опыт работы в университете, школе и студии англ языка. Защитила кандидатскую диссертацию в 2009 году. Имею большой опыт написания... Читать все
    Преподаю англ язык более 10 лет, есть опыт работы в университете, школе и студии англ языка. Защитила кандидатскую диссертацию в 2009 году. Имею большой опыт написания и проверки (в качестве преподавателя) контрольных и курсовых работ.
    #Кандидатские #Магистерские
    16 Выполненных работ
    Олег Н. Томский политехнический университет 2000, Инженерно-эконо...
    4.7 (96 отзывов)
    Здравствуйте! Опыт написания работ более 12 лет. За это время были успешно защищены более 2 500 написанных мною магистерских диссертаций, дипломов, курсовых работ. Явл... Читать все
    Здравствуйте! Опыт написания работ более 12 лет. За это время были успешно защищены более 2 500 написанных мною магистерских диссертаций, дипломов, курсовых работ. Являюсь действующим преподавателем одного из ВУЗов.
    #Кандидатские #Магистерские
    177 Выполненных работ
    Ольга Б. кандидат наук, доцент
    4.8 (373 отзыва)
    Работаю на сайте четвертый год. Действующий преподаватель вуза. Основные направления: микробиология, биология и медицина. Написано несколько кандидатских, магистерских... Читать все
    Работаю на сайте четвертый год. Действующий преподаватель вуза. Основные направления: микробиология, биология и медицина. Написано несколько кандидатских, магистерских диссертаций, дипломных и курсовых работ. Слежу за новинками в медицине.
    #Кандидатские #Магистерские
    566 Выполненных работ
    Ольга Р. доктор, профессор
    4.2 (13 отзывов)
    Преподаватель ВУЗа, опыт выполнения студенческих работ на заказ (от рефератов до диссертаций): 20 лет. Образование высшее . Все заказы выполняются в заранее согласован... Читать все
    Преподаватель ВУЗа, опыт выполнения студенческих работ на заказ (от рефератов до диссертаций): 20 лет. Образование высшее . Все заказы выполняются в заранее согласованные сроки и при необходимости дорабатываются по рекомендациям научного руководителя (преподавателя). Буду рада плодотворному и взаимовыгодному сотрудничеству!!! К каждой работе подхожу индивидуально! Всегда готова по любому вопросу договориться с заказчиком! Все работы проверяю на антиплагиат.ру по умолчанию, если в заказе не стоит иное и если это заранее не обговорено!!!
    #Кандидатские #Магистерские
    21 Выполненная работа
    Виктор В. Смоленская государственная медицинская академия 1997, Леч...
    4.7 (46 отзывов)
    Имеют опыт грамотного написания диссертационных работ по медицине, а также отдельных ее частей (литературный обзор, цели и задачи исследования, материалы и методы, выв... Читать все
    Имеют опыт грамотного написания диссертационных работ по медицине, а также отдельных ее частей (литературный обзор, цели и задачи исследования, материалы и методы, выводы).Пишу статьи в РИНЦ, ВАК.Оформление патентов от идеи до регистрации.
    #Кандидатские #Магистерские
    100 Выполненных работ

    Другие учебные работы по предмету

    Кооперативные игры на гиперграфах
    📅 2019год
    🏢 Санкт-Петербургский государственный университет