Система керування відносним рухом космічного апарату для безконтактного видалення космічного сміття

Abstract

Вступ. Розглянуто питання створення системи керування космічного апарату для безконтактного видалення космічного сміття з використанням технології «Пастух з іонним променем». Ця система необхідна для того, щоб забезпечити умови ефективної передачі іонним променем гальмуючого імпульсу об’єкту космічного сміття в фазі відведення. Проблематика. При синтезі та аналізі системи необхідно враховувати вплив іонного променя, широкий спектр орбітальних збурень, неточності визначення відносного положення та реалізації керуючих впливів, нестаціонарність і параметричну невизначеність об’єкта керування, а також обмеження на керування. Мета. Синтез системи керування відносним рухом космічного апарату для безконтактного видалення космічного сміття. Матеріали й методи. Для синтезу системи використано метод змішаної чутливості. Вимоги до регулятора задано в частотній області за допомогою обраних вагових функцій. Аналіз робастності системи виконано на базі методології структурованих сингулярних чисел. Результати. Робастність системи та відповідність заданим вимогам підтверджено як за допомогою формального критерію, так і шляхом комп’ютерного моделювання. Показано, що раціональне зниження вимог до точності керування дозволяє істотно знизити витрату робочого тіла на підтримку відносного положення при збереженні прийнятної швидкості відведення космічного сміття. Висновки. Синтезовано систему керування, яка забезпечує необхідний компроміс між робастною стійкістю, якістю і витратами на керування з урахуванням широкого спектра розглянутих збурень.

Introduction. The research deals with the development of a spacecraft control system for contactless space debris removal using the “ion beam shepherd” technology. Such a system is necessary to provide conditions for effective transfer of decelerating impulse to a space debris object by ion beam in the deorbiting phase. Problem Statement. The design and analysis of the system has to be carried out taking into account the ion beam effects, a wide range of orbital disturbances, inaccuracies in determining the relative position and implementing the control actions, time-varying and parametric uncertainty, and limitations on the control actions. Purpose. The purpose is to design a system to control spacecraft relative motion for contactless space debris removal. Materials and Methods. The mixed sensitivity approach is applied to the system design. The requirements for the controller are specified in the frequency domain using the selected weight functions. The structured singular values methodology is used to analyze the system robustness. Results. The system robustness and compliance with specified requirements have been confirmed both by a formal criterion and by computer simulation. A rational softening of the requirements for the control accuracy enables redu cing significantly the propellant mass needed to maintain the relative position keeping an acceptable rate of space de bris removal. Conclusions. The designed control system provides a compromise between robust stability, performance, and costs of control under the impact of a wide range of disturbances.

Введение. Рассмотрены вопросы создания системы управления космического аппарата для безконтактного удаления космического мусора с использованием технологии «Пастух с ионным лучом». Эта система необходима для того, чтобы обеспечить условия эффективной передачи ионным лучом тормозящего импульса объекту космического мусора в фазе увода. Проблематика. При синтезе и анализе системы необходимо учитывать воздействия ионного луча, широкий спектр орбитальных возмущений, неточности определения относительного положения и реализации управляющих воздействий, не стационарность и параметрическую неопределенность объекта управления, а также ограничения на управляющие воздействия. Цель. Синтез системы управления относительным движением космического аппарата для бесконтактного удаления космического мусора. Материалы и методы. Для синтеза системы использован метод смешанной чувствительности. Требования к регулятору заданы в частотной области с помощью выбранных весовых функций. Анализ робастности системы выполнен на базе методологии структурированных сингулярных чисел. Результаты. Робастность системы и соответствие заданным требованиям подтверждены как с помощью формального критерия, так и путем компьютерного моделирования. Показано, что рациональное снижение требований по точности управления позволяет существенно снизить расход рабочего тела на поддержание относительного положения при сохранении приемлемой скорости увода космического мусора. Выводы. Синтезирована система управления, которая обеспечивает необходимый компромисс между робастной устойчивостью, качеством и затратами на управление с учетом широкого спектра рассмотренных возмущений.