Dynamics of Tethered Satellite Systems

Аннотация

Книга “Dynamics of Tethered Satellite Systems” написана для студентов и инженеров, работающих в области механики космического полета. В ней рассматриваются различные аспекты динамики космических тросовых систем. Последние десятилетия эта технология активно обсуждается в научной литературе. Космические тросы могут быть применены для решения большого числа практических задач. Они просты в использовании, компактны и экологичны. Книга знакомит читателя с современным состоянием проблемы и содержит полученные авторами оригинальные результаты. Основное внимание уделено задачам моделирования космической тросовой системы, использования троса для доставки груза с орбиты, исследованию воздействия троса на несущий спутник, хаотическим режимам движения космической тросовой системы.

В первой главе приводится подробный обзор литературы. Описываются задачи, которые могут быть решены с помощью космических тросов. В хронологическом порядке рассказывается об экспериментах с тросами на орбите. Дается информация о материалах, из которых изготавливались космические тросы. Рассматриваются различные типы математических моделей, описываются их достоинства и недостатки. На основании анализа литературы приводится обзор слабо изученных вопросов.

Вторая глава посвящена математическим моделям космических тросовых систем. Рассматривается механическая система, состоящая из двух тел, которые соединены между собой тросом. Детально описан процесс получения математических моделей, в которых трос рассматривается как невесомый упругий стержень, весомый упругий стержень, совокупность точечных масс, соединенных между собой отрезками невесомых вязко-упругих стержней. Для многоточечной модели учтено влияние гравитационного поля геоида и атмосферы.

В третьей главе исследуется влияние троса на движение несущего спутника относительно его центра масс. Для случая медленного изменения силы натяжения троса и угла отклонения троса от местной вертикали получено приближенное аналитическое решение, описывающее плоские колебания спутника. Найдено аналитическое выражение, позволяющее оценить уровень дополнительных микроускорений на борту спутника. Исследовано влияние упругости троса на движение несущего спутника.

В четвертой главе рассматривается задача доставки груза с орбиты на Землю с помощью троса переменной длины. Разобраны схемы динамического и статического развертывания троса. На примере эксперимента YES2 показан высокий потенциал этого способа доставки грузов. Проведен анализ возможных нештатных ситуаций и их последствий. В частности исследовано отделение груза в неверном направлении, заклинивание троса в процессе развертывания, поломка системы управления несущего спутника, преждевременный обрыв троса.

В пятой главе изучены хаотические движения космической тросовой системы. Показано, что наличие эксцентриситета у орбиты центра масс системы приводит к появлению хаоса. Для упрощенной модели спутника с прикрепленным упругим тросом получено аналитическое решение, описывающее его гомоклинические и гетероклинические орбиты, найдена функция Мельникова. Для случая вертикально ориентированного троса получено условие отсутствия хаоса.

Содержание

• Introduction
• Chapter 1: Space tether systems: review of the problem
• 1.1 Application of space tether systems
• 1.2 Chronology of experiments with the use of space tethers
• 1.3 Materials for tether production
• 1.4 Study of space tether dynamics: state of the problem
• Chapter 2: Mathematical models of space tether systems
• 2.1 Simple models of STS consisting of two point masses connected by a massless tether
• 2.2 Simple model of a STS consisting of two point masses connected by a heavy tether
• 2.3 Model of a STS with a ponderous flexible tether
• 2.4 Model of a STS consisting of a point mass connected by a heavy tether with a rigid body
• 2.5 Model of a STS consisting of two rigid bodies connected by a heavy elastic multipoint tether
• Chapter 3: Motion of a spacecraft with a tethered payload

• 3.1 Mathematical model of a base spacecraft with a tethered payload
• 3.2 Analytical solution in case of a slow changing of the parameters
• 3.3 The approximate analytical solutions in the variables of the amplitude–phase
• 3.4 Analytical solutions for small oscillations
• 3.5 Estimation of the microaccelerations level on board the spacecraft
• 3.6 Motion of the spacecraft with a propulsion system
• 3.7 Motion of a spacecraft around its centre of mass in a circular orbit with a vertically deployed elastic tether
• Chapter 4: Delivery of a payload from an orbit by means of a space tether
• 4.1 Tether deployment schemes
• 4.2 Project YES2
• 4.3 Modelling of the YES2 tether deployment
• 4.4 Abnormal situations during tether deployment
• Chapter 5: Use of methods of chaotic dynamics for the analysis of tether system motion
• 5.1 Some elements of chaotic dynamics
• 5.2 The chaotic approach in STS dynamics
• Conclusion
• Index