Анализ влияния атмосферы на движение космических аппаратов, расположенных на низких околоземных орбитах

全文:

Обоснование. В настоящее время наблюдается растущая тенденция к применению малых космических аппаратов (МКА) для дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Согласно актуальной классификации, к малым относят спутники массой до 1000 кг. Ключевым преимуществом МКА являются их оптимальные массогабаритные характеристики.

Развитие современных технологий и процессы миниатюризации значительно расширяют возможности МКА в плане производительности целевой аппаратуры и функциональности платформы.

Доступность компонентной базы и снижение стоимости производства сделали возможным создание МКА студенческими коллективами и частными компаниями. Современные опытно-технологические и студенческие МКА зачастую разрабатываются без корректирующей двигательной установки (КДУ), поскольку плотная компоновка МКА не всегда позволяет разместить двигатель на борту. В связи с этим актуальной становится задача увеличения срока баллистического существования МКА без КДУ.

Цель — анализ воздействия солнечной активности и плотности остаточной атмосферы на космические аппараты с высотой орбиты менее 1000 км для увеличения срока баллистического существования МКА без КДУ.

Методы. Для эффективного управления орбитальным движением и прогнозирования положения спутника необходимо иметь точные данные о его траектории и параметрах орбиты. Для определения эволюции орбиты КА используются навигационные данные в формате TLE, которые содержат в себе следующие орбитальные параметры спутника:

–средняя аномалия (η);

–аргумент перигея (ω);

–наклонение орбиты (i);

–эксцентриситет орбиты (e);

–долгота восходящего узла (Ω);

–среднее движение (n).

На основе данных TLE МКА «АИСТ-2Д» [1] была разработана специальная программа для обработки двухстрочных орбитальных элементов. В результате работы программы «сырые» данные преобразуются в удобную табличную форму, пример которой представлен на рис. 1.

 

Рис. 1. Набор обработанных TLE данных МКА «АИСТ-2Д»

 

Используя данные об орбитальном движении спутника за весь период его функционирования, были построены следующие временные зависимости: аргумент перигея от времени, наклонение орбиты от времени, эксцентриситет от времени, долгота восходящего узла от времени.

Используя закон Кеплера о движении планет, было рассчитано значение большой полуоси орбиты МКА [2]:

$a=\frac{{\mu }^{1/3}}{{\left(\frac{2\pi n}{86400}\right)}^{2/3}}$ (1)

где $\mu$ — гравитационный параметр Земли; n — среднее движение, полученное из TLE.

Одной из причин быстрой эволюции орбиты могут служить циклы повышенной солнечной активности, которые повторяются каждые 11 лет. Следует отметить, что такие периоды приводят к изменению плотности атмосферы, что, в свою очередь, может вызывать резкое снижение высоты орбиты МКА. На рис. 2 представлен график зависимости солнечной активности от времени за весь срок баллистического существования МКА «АИСТ-2Д».

 

Рис. 2. График зависимости солнечной активности от времени за весь срок существования МКА «АИСТ-2Д»

 

Для увеличения срока баллистического существования МКА на орбите предлагается применять метод пространственного управления ориентацией. Предполагается, что в процессе эксплуатации МКА может функционировать в трех основных режимах ориентации:

– режим солнечной ориентации;

– режим для проведения съемки и обеспечения связи с наземным комплексом управления;

– режим с минимальной площадью миделя.

Проведя моделирование по методике ГОСТ-Р 25645.166–2004 [3], были получены зависимости высоты орбиты МКА «АИСТ-2Д» для трех вариантов ориентации, изображенных на рис. 3.

 

Рис. 3. График зависимости высоты орбиты при различных вариантах ориентации МКА от времени

 

Результаты. В ходе выполнения работы были получены следующие результаты:

–проведен анализ влияния солнечной активности и плотности остаточной атмосферы на эволюцию орбитальных параметров КА;

–проведено моделирование орбитального движения при разных вариантах ориентации МКА «АИСТ-2Д»;

–предложен способ увеличения срока баллистического существования спутников на низкой околоземной орбите;

–получен патент на программу для ЭВМ.

Выводы. В рамках работы проанализировано влияние солнечной активности и плотности остаточной атмосферы на изменение орбитальных параметров малых космических аппаратов, функционирующих на низких околоземных орбитах. В качестве примера рассматривался малый космический аппарат «АИСТ-2Д». Доказано, что применение разработанной циклограммы функционирования и соответствующих режимов ориентации позволяет увеличить срок баллистического существования МКА «АИСТ-2Д» на 278 дней. Данная работа может быть использована студенческими конструкторскими бюро для увеличения срока баллистического существования МКА без корректирующих двигательных установок.

作者简介

Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева

编辑信件的主要联系方式.
Email: olya-zhaldybina@mail.ru

аспирант, группа А1_02.05.13, институт авиационной и ракетно-космической техники

俄罗斯联邦, Самара

Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева

Email: mordanov.mr@ssau.ru

инженер учебной лаборатории наземных испытаний летательных аппаратов

俄罗斯联邦, Самара

参考

补充文件