Колебания малой космической тросовой системы под действием аэродинамического момента

Abstract

Рассматриваются колебания гравитационно стабилизированной космической тросовой системы (КТС) при воздействии аэродинамического момента на низких околоземных почти круговых орбитах. Основное внимание сосредоточено на исследовании динамики класса малых КТС, создаваемых на основе тройного CubeSat. Такой выбор обоснован необходимостью подготовки натурного эксперимента электродинамической КТС. Показано, что аэродинамический момент может существенно влиять на динамику рассматриваемого класса КТС и вызывать резонансы в колебаниях КТС, перпендикулярных плоскости орбиты. Для соблюдения режима гравитационной стабилизации необходимо, чтобы параметры КТС соответствовали ожидаемый расчетным значениям плотности атмосферы на предполагаемой орбите движения центра масс. Получены простые аналитические выражения, позволяющие оценить амплитуду колебаний КТС относительно центра масс. Результаты работы могут быть использованы при выборе параметров экспериментальной КТС и орбиты ее движения или для оценки аэродинамического воздействия на колебания КТС с выбранными параметрами.

Розглядаються коливання гравітаційно стабілізованої космічної тросової системи (КТС) при впливі аеродинамічного моменту на низьких навколоземних майже колових орбітах. Основна увага зосереджена на дослідженні динаміки класу малих КТС, побудованих на основі потрійного CubeSat. Такий вибір обумовлено необхідністю підготовки натурного експерименту електродинамічної КТС. Показано, що аеродинамічний момент може істотно впливати на динаміку даного класу КТС і викликати резонанси в коливаннях КТС, що перпендикулярні площині орбіти. Для дотримання режиму гравітаційної стабілізації необхідно, щоб параметри КТС відповідали очікуваним розрахунковим значенням щільності атмосфери на заданій орбіті руху центру мас. Отримано прості аналітичні вирази, що дозволяють оцінити амплітуду коливань КТС відносно центру мас. Результати роботи можуть бути використані при виборі параметрів експериментальної КТС та її орбіти або для оцінки аеродинамічного впливу на коливання КТС з вибраними параметрами.

Oscillations of the gravity-stabilized tethered space system exposed to an aerodynamic moment in low Earth near-circular orbits are examined. The emphasis is on the study of the dynamics of small tethered space systems based on a triple CubeSat. This approach is validated by a need for the preparation of a full-scale experiment with an electrodynamic tethered space system. It is demonstrated that an aerodynamic moment can affect significantly the dynamics of the tethered space systems under consideration and result in resonances in oscillations of the space tethered systems, which are perpendicular to the orbit plane. To attain the gravitational stabilization, it is necessary that the parameters of the tethered space system should be corresponded to the desired computational values of an atmospheric density in an assumed orbit of a mass-center motion. The simple analytical expressions for estimating an amplitude of oscillations of the tethered space system relative to the mass center are derived. The study results can be employed to choose the parameters of an experimental tethered space system and the orbit of its motion or to estimate the aerodynamic effects on oscillations of the tethered space system with the selected parameters.