В узагальненому і систематизованому вигляді викладено головні результати наукових досліджень, проведених в Інституті механіки ім. С. П. Тимошенка НАН України у творчій співдружності з ученими ДКБ "Південне" ім. М. К. Янгеля та Інституту технічної механіки НАНУ і НКАУ, що відносяться до розвитку математичних моделей і вивчення динаміки об'єктів ракетно-космічної техніки в рамках керованих систем твердих і пружних тіл, систем твердих тіл змінюваної конфігурації та систем тіл із однобічними зв'язками. Викладено методи створення просторових програмних рухів пружних космічних конструкцій навколо центра мас, методи та алгоритми математичного моделювання динаміки космічних апаратів (КА) змінної конфігурації та нетрадиційну ідеологію моделювання стану невагомості КА в режимі зміни конфігурації в земних умовах за допомогою тросових підвісок на спеціальних стендах, різноманітні аспекти дослідження динаміки космічних тросових систем й інші питання даної тематики.

Рассмотрены области применения и преимущества малых космических тросовых систем. Проанализированы особенности динамики и определены основные проблемы исследований в связи с проблемами нелинейной динамики. Рассмотрены основные закономерности эволюции ротационного движения КТС при воздействии внутренних и внешних возмущений: определено влияние существенно нелинейных внутренних колебаний на динамику систем; установлены закономерности воздействия диссипативных сил аэродинамического сопротивления и внутреннего трения в материале нити. Проанализирована взаимосвязь орбитального и относительного движений и предложены алгоритмы управления ими за счет внутренних сил периодическим изменением расстояния между телами.

Розглянуто механічну і математичну модель пневморегулятора (редуктора) приладового відсіку космічного корабля, яка враховує взаємодію газу, рухомих частин редуктора і зовнішнього середовища. Запропоновано метод побудови стаціонарних розв'язків відповідної системи диференціальних рівнянь. Розроблено алгоритм реалізації даного методу і побудовано області стійкості роботи пневморегулятора в просторі його характерних параметрів. Наведено рекомендації щодо підбору значень параметрів системи, які забезпечують стійкий режим функціонування досліджених газових редукторів.

Досліджено проблему розгортання на орбіті малих зв'язок, що можуть бути еталоном довжини для колібрування бортових і наземних оптичних і радіолокаційних систем, інтегральним датчиком впливів силових полів планети, тощо. Розглянуто зв'язку двох тіл, виконану у вигляді ланцюга тіл. Обговорено можливі варіанти приведення в робочий стан зв'язки, що компактно транспортується на орбіту. Як основний розглянуто варіант використання відцентрових сил, що виникають у результаті надання зв'язці початкової кутової швидкості в процесі відштовхування її від космічного апарата. Розглянуто різноманітні варіанти створення моментів сил тертя в шарнірах системи. У рамках теорії системи тіл проведено чисельне моделювання динамічних процесів. Розглянуто питання, пов'язані з визначенням необхідної початкової кутової швидкості та "конуса відходу" зв'язки від космічного апарата.

Використано метод тросової підвіски для моделювання умов невагомості на Землі в загальному випадку. На прикладі математичного моделювання поводження системи твердих тіл, сполучених циліндричними шарнірами й "підвішеної" на спеціальному пристрої, показано, що розроблений метод забезпечує надійність моделювання земних процесів, що відбуваються на орбіті. Критерієм достовірності в моделюванні є близкість значень сил і моментів у з'єднаннях, а також орієнтації і кутових швидкостей до їх теоретичних значень для руху за умов орбіти.

Освещены проблемы динамики интенсивно развивающейся в настоящее время области космонавтики - космических тросовых систем. Рассмотрены особенности практического использования вращающихся тросовых систем. Проанализировано влияние существенно нелинейных колебаний тел по внутренним степеням свободы на динамику систем в центральном поле сил. Акцентировано внимание на эволюции протяженных систем на околоземных орбитах, проблемах стохастизации и синхронизации движений, а также проблемах перераспределения энергии в резонансных режимах движения. Предложены методики исследования существенно нелинейных режимов движения и описаны общие закономерности нелинейных движений систем тел в ньютоновском поле сил; математические модели и методики проведения экспериментальных исследований.

Проведено побудову узагальненої математичної моделі та комп'ютерне моделювання динаміки космічного апарата, що несе пружне тіло змінної геометрії, зумовленої розгортанням за заданою програмою компактно сформованої системи у подовжений пружний елемент типу антени чи штанги гравітаційного стабілізатора.

Проведено обобщение теории систем твердых тел на системы, содержащие тела переменной конфигурации. Рассмотрены случаи программного и динамического изменения конфигурации отдельных тел системы. Приведен иллюстративный пример.

Розглянуто динаміку системи твердих тіл, що містить тіла змінної конфігурації, що змінюється програмно. За допомогою методів аналітичної механіки побудовано математичну модель. Наведено числовий приклад дослідження поведінки мікросупутника з висунутим гравітаційним стабілізатором.

Отмечено, что современный космический аппарат может содержать пантограф, используемый для раскрытия системы солнечных батарей и в качестве гравитационного стабилизатора. Существенное влияние на возможные отклонения такой конструкции от номинальной конфигурации будет оказывать деформируемость отдельных элементов. Построена математическая модель такой системы и проведено численное моделирование процесса раскрытия и закрытия изделия с учетом упругости элементов и возмущающих моментов в узлах. Установлено, что после первого раскрытия конфигурация системы отличается от той, которая получается при последующих раскрытиях предварительно свернутой конструкции. Для определения конфигурации пантографа в процессе ее изменения использован метод последовательных приближений.

Розглянуто задачу побудови оптимального програмного розвороту космічного апарата (КА) з приєднаними пружними елементами в класі розворотів навколо ейлерової осі. Побудовано математичну модель, що дозволяє враховувати довільну кількість парціальних форм пружних коливань. Сформульовано задачу оптимальної переорієнтації КА з нетрадиційним критерієм якості, що зводить до мінімуму динамічні перевантаження пружних елементів у відносному русі. Розроблено алгоритм числового розв'язку відповідної нелінійної крайової задачі, реалізований у вигляді пакета прикладних FORTRAN-програм. У просторі параметрів розвороту створено нейронну мережу, навчання якої можна провести в період передполітної підготовки. На основі використання відомих радіальних базисних функцій проведено моделювання процесу швидкого обчислення в польоті параметрів програми оптимальної переорієнтації.

Рассмотрен процесс развертывания малой космической связки трех тел, соединенных упругим тросом. Развертывание происходит под действием центробежных сил, возникающих в результате начальной закрутки компактно уложенной связки. Движение системы рассмотрено с момента ее отделения от космического аппарата. Внимание сконцентрировано на изучении движения связки вокруг собственного центра масс. Для описания динамики такой системы использован принцип Даламбера. Модель Виттенбурга для системы твердых тел обобщена на свободную систему тел со связями, обладающими упругостью. Рассмотрены возможные пути создания сил сопротивления извлечению тросов из центрального тела, в результате действия которых развернутая связка будет вращаться. Освещена проблема оценки значения необходимой начальной угловой скорости. Проведено численное моделирование и анализ динамики данной системы.

Ключ. слова: космический аппарат, гравитационный стабилизатор, гиродемпфер, упругость, развертывание, изменение ориентации
Індекс рубрикатора НБУВ: О62-015

Рубрики:

Космічні літальні апарати

Шифр НБУВ: Ж16745 Пошук видання у каталогах НБУВ 

Об'єкт дослідження - космічний апарат, у якому як носій сонячних батарей використовується конструкція на базі пантографа, що трансформується на орбіті. Мета дослідження - побудова математичної моделі такої системи з урахуванням пружності елементів конструкції пантографа. Математична модель побудована на основі формалізму Лагранжа. Для числового моделювання динамічних процесів в системі створено пакет прикладних програм, що за необхідності може бути адаптований для дослідження систем з конструкціями інших типів, що розгортаються. Проведено числове моделювання поведінки об'єкта дослідження в режимах розкриття, а також закриття і повторного розкриття під дією різних факторів, що збурюють. Приведено графіки, що ілюструють поведінку характерних змінних.

Досліджено особливості рівноважних станів електродинамічної зв'язки двох тіл малої маси на орбіті, близької до полярної. Просліджено зміну протягом доби таких характерних параметрів як натяг зв'язки, радіус її кривизни, кут відхилення від площини орбіти, індукційована електродинамічна зв'язка та інші. Розглянуто питання про тривалість існування зв'язки на навколоземній круговій орбіті.

Побудовано узагальнену математичну модель і проведено комп'ютерне моделювання динаміки стабілізованого космічного апарата, що несе пружне тіло змінної геометрії, обумовленої розгортанням за заданою програмою компактно сформованої системи в кільцевий пружний елемент типу антени.

Побудовано узагальнену математичну модель і розроблено комп'ютерну модель динаміки нестабілізованого космічного апарата, що несе тіло змінної геометрії, обумовленої розгортанням за заданою програмою компактно сформованої системи в кільцевий елемент типу антени.

Проведено побудову узагальненої математичної моделі і комп'ютерне моделювання динаміки некерованого космічного апарату, що несе пружне тіло змінної геометрії, обумовленої розгортанням по заданій програмі компактно сформованої системи в кільцевий елемент типу антени.

Объект исследования - нестабилизированный космический аппарат, в котором в качестве гравитационного стабилизатора и носителя солнечных батарей используется пантографная конструкция, развертываемая на орбите. Цель исследования - построение математической модели такой системы с учетом упругости элементов конструкции пантографа как в продольном, так и в поперечном направлении. С использованием пакета прикладных программ, написанного на языке Fortran, проведено численное моделирование поведения объекта в режиме раскрытия конструкции при разных значениях как параметров объекта, так и характера процесса в поле гравитационных сил Земли. Проведен анализ полученной информации и приведены графики, которые иллюстрируют поведение характерных переменных.

Запропоновано ефективний метод побудови програмного оптимального керування переорієнтацією космічного апарата із приєднаними пружними елементами при обмеженій кутовій швидкості розвороту. Пружні елементи враховуються в математичній моделі на основі квазістатичного наближення. Задачу розв'язано аналітично за допомогою методу параметризації функціонала багатоточкової крайової задачі. Одержаний розв'язок проілюстровано графічно на різних ділянках областей досяжності.