Представлены методические подходы к построению математических моделей сложных механических систем. Описаны модели и результаты исследования на их базе свободного и управляемого движения типовых объектов изучаемого класса.

Описано модель динаміки відособленого меридіонального ланцюга як формотвірного елемента робочого каркаса великого космічного антенного рефлектора перспективного каркасно-опорного типу конструкції. Модель одержано за допомогою рівнянь Лагранжа з множниками. Наведено результати моделювання динаміки меридіонального ланцюга у вигляді зміни конфігурації формотвірних елементів у процесі заданого кутового розвороту рефлектора.

Одним з напрямів розвитку сучасної супутникової техніки є створення космічних апаратів з просторово розвиненими периферійними елементами. Перспективними є відбивальні поверхні великої площі, що використовуються для вирішення задач супутникового зв'язку, радіоастрономії, геліоенергетики. Розглянуто конструкції сучасних великогабаритних космічних антен, наведено приклади застосування у складі систем супутникового зв'язку. Зазначені особливості конструкцій, як механічних об'єктів, важливі з точки зору керування їх орієнтацією та формою відбивальної поверхні.

Одним з напрямів розвитку сучасної супутникової техніки є створення космічних апаратів з просторово розвиненими периферійними елементами. Розглянуто конструкції сучасних великогабаритних радіотелескопів у складі космічних радіоінтерферометрів з надвеликою базою. Наведено проекти систем з використанням сонячних концентраторів та відбивачів сонячного випромінювання. Зазначені особливості конструкцій, як механічних об'єктів, важливі з точки зору керування їх орієнтацією та формою відбивальної поверхні.

Рассмотрена задача планирования траектории движения транспортного средства с учетом обхода препятствий. Известные подходы к решению задачи предложено объединить в две группы - оптимизационные и градиентные. Для оптимизационного подхода предложен новый вид функции стоимости при планировании пути по критерию минимума времени, который учитывает кинематику перемещаемого объекта. Описаны приемы решения задачи, которые позволяют ускорить процесс вычислений и получить более точное решение.

Проведен обзор современного состояния и проанализированы тенденции развития перспективных космических аппаратов, в состав которых входят крупногабаритные антенны, радиотелескопы, концентраторы солнечного излучения. Рассмотрены свойства таких систем как механических объектов, особенности моделирования динамики с учетом специфики задач управления.

В настоящее время усилился интерес к разработке проектов космических систем освещения. Практическая реализация этих систем сдерживается значительными техническими трудностями и вопросами экономической целесообразности. Проанализированы проблемы, связанные с применением крупногабаритных космических отражателей солнечного света. Выделены технические задачи, решение которых необходимо для создания космических систем освещения.

Одержано співвідношення для передаточних функцій розподіленого пружного елемента у вигляді протяжної пружної балки. Співвідношення необхідні під час використання заснованого на застосуванні апарата передаточних функцій методу визначення характеристик механічного об'єкта із зосередженими параметрами, що еквівалентний по динамічних властивостях вихідному розподіленому пружному елементу в складі КА. Дано трактування критерію еквівалентності, застосовуваного в методі суперелемента, з погляду зіставлення передаточних функцій розподіленого пружного елемента і його механічного еквівалента.

Предложен оригинальный подход к выбору критерия эквивалентности механических расчетных схем вида упругих балок и вида шарнирно соединенных твердых тел, ориентированный на использование при моделировании динамики пространственно развитых периферийных элементов космических аппаратов, в том числе с применением современных программных инструментов.

Получены передаточные функции от силовых воздействий со стороны упругого распределенного периферийного элемента (в виде балки) космического аппарата к координатам сечения заделки балки. Эти передаточные функции можно использовать при определении параметров конечномерного механического эквивалента распределенного упругого периферийного элемента на основе принципа динамической эквивалентности. Данный принцип предполагает обеспечение близости характеристик передаточных функций "от усилий к перемещениям" для торцевых поперечных сечений периферийного элемента и его эквивалента.

Проанализировано современное состояние и тенденции развития космической робототехники, в первую очередь - транспортных манипуляционных систем, применительно к которым накоплен значительный опыт орбитальной эксплуатации. Рассмотрены особенности монтажно-сервисных операций, потребностью в автоматизации которых в значительной мере будет определяться дальнейшее развитие средств космической робототехники. Отмечена возможная конструктивная целесообразность упругой податливости звеньев и сочленений манипулятора как пассивного средства уменьшения напряжений при выполнении контактных операций, связанных с силовым взаимодействием схвата и основания. Выделены требующие проведения дополнительных исследований задачи, порождаемые особенностями моделирования динамики управляемого движения манипулятора с учетом упругости элементов конструкции при синтезе исполнительной системы управления.

Цель работы - разработка методов и средств анализа проектных решений и проведения в процессе эксплуатации оперативных оценок изменения углового положения аппаратуры полезной нагрузки, установленной на выносных штангах космического аппарата. На примере разработанной компьютерно-ориентированной модели, описывающей угловое движение космического аппарата с выносными штангами в плоскости его нижней грани при заданном управляющем моменте, проиллюстрирована возможность использования сравнительно простых средств для исследования нестабильности углового положения аппаратуры. Адекватность модели подтверждена численным интегрированием адаптированных для рассматриваемого случая известных приближенных аналитических уравнений движения космического аппарата с симметрично расположенными выносными штангами. Разработанная модель может найти применение при оценке влияния проектных решений на нестабильность углового положения аппаратуры. Развитие модели на пространственный случай, а также в направлении учета возмущающих и управляющих воздействий позволит проводить оперативный анализ углового положения аппаратуры полезной нагрузки в процессе эксплуатации космического аппарата.

Цель работы - решение задачи нахождения оптимального с точки зрения передаваемого "ионным лучом" силового воздействия положения "пастуха" относительно мишени. Минимизируемая целевая функция определена с учетом эффективности реализации миссии по активному удалению космического мусора в рамках концепции "Пастух с ионным лучом". Предложено использовать информацию о контуре центральной проекции мишени для определения составляющих вектора создаваемой факелом электрореактивного двигателя силы, входящих в целевую функцию. Оптимальное положение "пастуха" для заданной ориентации мишени найдено численно с помощью метода поиска по шаблону. Полученные результаты целесообразно использовать при управлении относительным движением системы "пастух - мишень".

Приведены результаты валидации нового метода определения силы, передаваемой факелом электрореактивного двигателя орбитальному объекту. Метод позволяет выполнять расчет такой силы лишь по информации о центральной проекции объекта на плоскость, перпендикулярную оси факела, и представляет значительный интерес в контексте задач бесконтактного удаления космического мусора. Выполнены расчеты для объектов сферической и цилиндрической формы с использованием трех различных методов при рассмотрении различных случаев относительного положения сопла двигателя и мишени. Проанализированы результаты расчетов, сделаны выводы о целесообразности и особенностях применения метода расчета передаваемой силы по информации о центральной проекции орбитального объекта.

Рассмотрен предложенный ранее упрощенный подход к определению воздействия на объект космического мусора со стороны электрореактивного двигателя космического аппарата (пастуха) при удалении космического мусора по технологии "пастух с ионным пучком". Подход основан на методе вычисления величины воздействия по информации о контуре центральной проекции объекта на некоторую плоскость, перпендикулярную оси ионного потока факела двигателя. Проведен анализ погрешностей данного метода. Результаты анализа обосновывают допустимость применения оговоренного подхода в рамках автоподобной модели распространения потока плазмы факела. Также сделан предварительный вывод о возможности применения данного упрощенного подхода в процессе управления относительным движением системы "пастух - объект космического мусора".

Предложен подход для определения силы воздействия факела электрореактивного двигателя на орбитальный объект по его центральной проекции на выбранную плоскость. Для получения изображения центральной проекции объекта была использована фотокамера. Разработаны алгоритмы вычисления контура проекции рассматриваемого объекта, определения на основании этого контура элементов луча, которые попадают на его поверхность, а также расчета силы воздействия.

Рассмотрен класс систем взаимного позиционирования космического аппарата и полезной нагрузки, к которому могут быть отнесены как существующие транспортные системы перемещения полезного груза относительно орбитального корабля при помощи антропоморфного манипулятора (механизма последовательной кинематики), так и перспективные системы высокоточного позиционирования полезной нагрузки с использованием манипуляционного механизма параллельной кинематики. Цель работы - разработка для данного класса систем модельных задач, в которых для анализа исследуемых процессов выделены наиболее существенные элементы, и которые позволяют выявить особенности динамики управляемого движения рассматриваемых систем, произвести выбор и отработку алгоритмов управления их движением. Использование представленных в работе модельных задач дает также возможность исследования колебательных процессов в механизме параллельной кинематики при учете подвижности его основания в инерциальном пространстве и взаимовлияния движения системы в целом и ее относительного движения.

Выполнен анализ целесообразности использования аэродинамического компенсатора в схеме, так называемого, бесконтактного способа увода объектов космического мусора с низких околоземных орбит, не предполагающего механического контакта космического аппарата и объекта мусора. Ранее по отношению к одной из технологий реализации такого способа увода, именуемой "пастух с ионным лучом", была предложена ее модификация, которая заключается в замене компенсирующего электрореактивного двигателя аэродинамическим компенсатором. Компенсирующий двигатель в исходной технологии служит для компенсации реактивной силы основного электрореактивного двигателя, ионный поток факела которого оказывает "тормозящее" воздействие на объект космического мусора. Идея модификации технологии заключалась в предполагаемой экономии расхода дорогостоящего рабочего тела электрореактивного двигателя и снижении стартовой массы космического аппарата-пастуха. Вместе с тем это предположение не было достаточно обосновано. Анализ целесообразности использования аэродинамического компенсатора выполнен на основе расчета массы рабочего тела и количества электрической энергии, сохраненных за счет его применения. Приведенный расчет сохраненной массы рабочего тела выполнен при использовании ряда упрощающих предположений. В результате анализа определено, что целесообразность использования аэродинамического компенсатора не очевидна, учитывая массу самого компенсатора и усложнение конструкции космического аппарата. В то же время, если за одну миссию космического аппарата-пастуха будет предусмотрено осуществить несколько уводов с орбиты разных объектов космического мусора, то использование аэродинамического компенсатора, вероятно, становится оправданным. Направление дальнейших исследований предполагает проведение более детального анализа целесообразности использования аэродинамического компенсатора, в том числе - проработку конструкции компенсатора, способа управления его площадью миделя, проведение симуляции орбитального и относительного движения системы "пастух - объект космического мусора" с учетом возмущающих факторов и алгоритма управления относительным движением.

Для решения задач исследования движения систем орбитального сервиса необходим учет процесса обработки измерительной информации о параметрах объекта сервиса, который, как правило, является некооперированным, часто с неизвестными характеристиками. Цель работы - систематизация результатов исследований, посвященных процессу обработки измерительной информации о параметрах некооперированных космических объектов. С этой целью проведен анализ публикаций по методам орбитального дистанционного определения параметров космических объектов и параметров их движения. В результате работы дана характеристика разрабатываемых методов. Выделены их необходимые составляющие - первоначальная обработка данных непосредственных измерений, выбор моделей движения центра масс объекта и движения вокруг центра масс, оценивание параметров объекта и его движения, основанное на использовании результатов первоначальной обработки данных и принятых моделях динамики. Современные методы орбитального дистанционного определения параметров объектов используют в основном данные диапазонного изображения (range imaging). На выходе первоначальной (суррогатной) обработки данных измерений, как правило, получают расположения так называемых геометрического центра объекта и геометрических осей координат. При выборе модели движения объекта сервиса в большинстве случаев пренебрегают орбитальным движением сервисного космического аппарата и объекта. Вместе с тем намечается тенденция учета орбитального движения в дальнейших исследованиях. Среди алгоритмов оценивания параметров объектов орбитального сервиса наиболее частое использование получили алгоритмы на основе фильтров Калмана различной модификации. Наряду с этим применяют и другие методы оценивания. В настоящее время усилия разработчиков рассматриваемых методов направлены на повышение точности оценивания параметров объектов и сокращение времени вычислений. Приведенный в работе анализ методов орбитального дистанционного определения характеристик объектов сервиса может быть использован для моделирования движения сервисного космического аппарата и объекта обслуживания, а также для оценки характеристик процесса обработки измерительной информации.

Здійснення багатьох операцій орбітального сервісу вимагає виконання механічного захоплення об'єкта обслуговування. Однією із задач, розв'язуваних при захопленні об'єкта, є задача уповільнення його обертового руху. Наведено приклади відомих проектів вирішень даної задачі. Спираючись на відому концепцію двоступінчастої космічного апарата й космічного робота, запропоновано застосувати концепцію стільникової архітектури до побудови автономної системи уповільнення обертового руху некооперованого об'єкта орбітального сервісу. Система являє собою інформаційно поєднані модулі або комірки, які закріплені на об'єкті сервісу (твердому тілі) і мають мінімально необхідні функціональні можливості. Під можливостями розуміються такі: вимірювання за допомогою акселерометрів лінійних прискорень у точках кріплення сенсорних комірок до тіла; прикладення силових впливів до об'єкта за допомогою виконавчих органів у вигляді двигунних пристроїв; обмін даними і їх обробка для визначення силових впливів з боку двигунних пристроїв. Вирішено задачу розробки алгоритмів функціонування розглянутої системи, а саме визначення параметрів кутового руху й положення центра мас за даними акселерометрів і визначення керуючих впливів для зменшення обертання об'єкта. Ціль роботи - обгрунтування можливості побудови запропонованої автономної системи. У результаті роботи задачі оцінювання параметрів кутового руху, оцінювання положення центра мас, формування гальмівного імпульсу, оцінки тензора інерції об'єкта зведено до знаходження лінійної незміщеної оцінки з мінімальною середньоквадратичною помилкою, до нормального псевдорозв'язання недовизначеної й до розв'язання перевизначеної систем алгебраїчних рівнянь. Виконано числове моделювання функціонування автономної системи, результати якого підтвердили працездатність запропонованих алгоритмів і, тим самим, принципову можливість створення запропонованої автономної системи. Запропонована концепція побудови автономної системи уповільнення обертового руху об'єкта орбітального сервісу й розроблені алгоритми її функціонування можуть бути використані при проектуванні космічних апаратів орбітального сервісного обслуговування.