Аэрокосмический научный журнал. 2016; 2: 11-25
Анализ способов демпфирования колебаний крупногабаритной конструкций КА в магнитном поле земли
https://doi.org/DOI: 10.7463/aersp.0316.0841754Аннотация
Известно, что в состав многих современных космических аппаратов входят крупногабаритные антенны. Они крепятся к корпусу космического аппарата при помощи кронштейнов. Размеры рефлекторов антенн могут достигать 30…50 м. Масса таких конструкций может достигать около 200 кг.
Поскольку габариты антенны существенно превосходят размеры корпуса космического аппарата и места крепление кронштейнов к корпусу имеют малую жесткость, обычные демпферы могут оказаться неэффективны. Предложено рассмотреть возможность демпфирования антенны за счет ее взаимодействия с магнитным полем Земли.
Построена простейшая динамическая модель космического аппарата, оснащенного крупногабаритной конструкцией. Космический аппарат представляет собой параллелепипед, к которому с помощью балки крепится антенна.
Для решения модельных задач принята упрощенная модель магнитного поля Земли: однородное, линии напряженности параллельны между собой и ориентированы перпендикулярно плоскости антенны.
Рассматривались две схемы расположения катушки относительно антенны. Вертикальная схема, в которой ось магнитного диполя перпендикулярна плоскости антенны, и горизонтальная схема, в которой ось магнитного диполя лежит в плоскости антенны. Кроме компоновки исследовались два способа магнитного демпфирования колебаний: за счет управляемого тока, подаваемого от системы электропитания космического аппарата, и за счет самоиндукции тока в катушке. Таким образом, были сформулированы четыре задачи.
В каждой задаче составлялось уравнение колебаний. После чего оценивалось отношение амплитуд колебаний и время их затухания. Оказалось, что для каждой задачи нужны определенные параметры, либо самой антенны, ее габаритные размеры и момент инерции, либо катушки и соответственно тока, который подается от космического аппарата. В каждой задаче для этих параметров были найдены диапазоны, при которых можно говорить о том, что демпфирование колебаний будет эффективным.
На основе анализа задач можно сделать вывод о том, что для демпфирования колебаний крупногабаритной антенны может быть использована специализированная система управления. Исполнительными органами в этом случае могут быть катушки. Показано, что эффективное демпфирование возможно в том случае, если учитываются определенные параметры системы.
Список литературы
1. Large Space Apertures Workshop. Overview // Keck institute for space studies: веб-сайт. Режим доступа: http://www.kiss.caltech.edu/workshops/apertures2008/ (дата обращения: 01.05.16)
2. Anthony Raab. Deployable double-membrane surface antenna. Patent US 5777582 A. 07.07.1998. Режим доступа: https://www.google.si/patents/US5777582 (Дата обращения: 05.05.16).
3. Зимин В.Н., Крылов А.В., Мешковский В.Е., Сдобников А.Н., Файзуллин Ф.Р., Чурилин С.А. Особенности расчета раскрытия крупногабаритных трансформируемых конструкций различных конфигураций // Наука и Образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2014. № 10. С. 179–191. DOI: 10.7463/1014.0728802
4. Mark W. Thomson, Geoffrey W. Marks, John M. Hedgepeth. Light-weight reflector for concentrating radiation. Patent US 5680145 A. 21.10.1997. Режим доступа: http://www.google.com/patents/US5680145 (дата обращения: 05.05.16).
5. H. Kohata, M. Usui, K. Sunagawa, T. Hamaki, Y. Yamasa. In-orbit Electrical Performance of Large Deployable Reflector and Communications Experiments on ETS-VIII // Proceedings of the 26th ISTS (International Symposium on Space Technology and Science), Hamamatsu City, Japan, June 1-8, 2008.
6. Meguroa, K. Shintateb, M. Usuib, A. Tsujihatab. In-orbit deployment characteristics of large deployable antenna reflector onboard Engineering Test Satellite VIII // Acta Astronautica. 2009. Vol. 65, no. 9–10, pp. 1306–1316. DOI: 10.1016/j.actaastro.2009.03.052
7. J. Santiago-Prowald Large Deployable Antennas Mechanical Concepts // Large Space Apertures Workshop. California Institute of Technology Pasadena, 2008, November 10-11. Режим доступа: http://www.kiss.caltech.edu/workshops/apertures2008/talks/santiagoprowald.pdf (дата обращения: 08.04.16).
8. Instrument // Официальный сайт проекта SMAP. Режим доступа: http://smap.jpl.nasa.gov/observatory/instrument/ (дата обращения: 15.04.16).
9. Peter Xaypraseuth NISAR spacecraft concept overview: Design challenges for a proposed flagship dual-frequency SAR mission // 2015 IEEE Aerospace Conference, 7-14 March 2015. Big Sky, MT. Pp. 1-11.
10. Satoru Ozawa. 30m class lightweight large deployable reflector // Proceedings of the 5th European Conference on Antennas and Propagation (EUCAP). Rome. 11-15 April 2011. Pp. 3354-3358.
11. Овчинников М.Ю., Пеньков В.И., Ролдугин Д.С., Карпенко С.О. Исследование быстродействия алгоритма активного магнитного демпфирования // Космические исследования. 2012. Т. 50, № 2. С. 176-183.
12. Santoni F., Zelli M. Passive Magnetic Attitude Stabilization of the UNISAT-4 microsatellite // Acta Astronautica. 2009. Vol. 65, no 5-6. Pp. 792-803. DOI: 10.1016/j.actaastro.2009.03.012
13. Rawashdeh, Samir Ahmed. Passive attitude stabilization for small satellites University of KentuckyMaster's Theses. 2010. Paper 624. Режим доступа: http://uknowledge.uky.edu/gradschool_theses/624 (дата обращения: 21.04.16).
14. G. Park, S. Seagraves, N.H. McClamroch. A Dynamic Model of a Passive Magnetic Attitude Control System for the RAX Nanosatellite // AIAA Guidance, Navigation, and Control Conference. 2-5 August 2010, Toronto, Ontario Canada AIAA 2010-8154. Режим доступа: https://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/handle/2027.42/83649/AIAA-2010-8154-374.pdf?sequence=1 (дата обращения: 01.05.16).
15. Stellini J.P. Magnetic Attitude Control for Spacecraft with Flexible Appendages // Master of Applied Science thesis University of Toronto. 2012. 97 p. Режим доступа: https://tspace.library.utoronto.ca/bitstream/1807/33545/3/Stellini_Julian_P_201208_MASc_thesis.pdf (дата обращения: 01.05.16)
16. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория поля. Издание 7-е, исправленное М.: Наука. 1988. 512 с.
17. Магнитное поле Земли: Определение модуля горизонтальной составляющей напряженности геомагнитного поля: Учеб.-метод. пособие / Сост. Т.П. Смирнова; НовГУ им. Ярослава Мудрого. Великий Новгород, 2008. 49 с.
18. International Geomagnetic Reference Field // IUGG: веб-сайт. Режим доступа: http://www.ngdc.noaa.gov/IAGA/vmod/igrf.html (дата обращения: 20.04.16).
Aerospace Scientific Journal. 2016; 2: 11-25
Analyzing Damping Vibration Methods of Large-Size Space Vehicles in the Earth's Magnetic Field
https://doi.org/DOI: 10.7463/aersp.0316.0841754Abstract
It is known that most of today's space vehicles comprise large antennas, which are bracket-attached to the vehicle body. Dimensions of reflector antennas may be of 30 ... 50 m. The weight of such constructions can reach approximately 200 kg.
Since the antenna dimensions are significantly larger than the size of the vehicle body and the points to attach the brackets to the space vehicles have a low stiffness, conventional dampers may be inefficient. The paper proposes to consider the damping antenna in terms of its interaction with the Earth's magnetic field.
A simple dynamic model of the space vehicle equipped with a large-size structure is built. The space vehicle is a parallelepiped to which the antenna is attached through a beam.
To solve the model problems, was used a simplified model of Earth's magnetic field: uniform, with intensity lines parallel to each other and perpendicular to the plane of the antenna.
The paper considers two layouts of coils with respect to the antenna, namely: a vertical one in which an axis of magnetic dipole is perpendicular to the antenna plane, and a horizontal layout in which an axis of magnetic dipole lies in the antenna plane. It also explores two ways for magnetic damping of oscillations: through the controlled current that is supplied from the power supply system of the space vehicle, and by the self-induction current in the coil. Thus, four objectives were formulated.
In each task was formulated an oscillation equation. Then a ratio of oscillation amplitudes and their decay time were estimated. It was found that each task requires the certain parameters either of the antenna itself, its dimensions and moment of inertia, or of the coil and, respectively, the current, which is supplied from the space vehicle. In each task for these parameters were found the ranges, which allow us to tell of efficient damping vibrations.
The conclusion can be drawn based on the analysis of tasks that a specialized control system can be used for damping vibrations of large-size antennas. In this case the actuating elements can be coils. It is shown that efficient damping is possible when the certain system parameters are taken into consideration.
References
1. Large Space Apertures Workshop. Overview // Keck institute for space studies: veb-sait. Rezhim dostupa: http://www.kiss.caltech.edu/workshops/apertures2008/ (data obrashcheniya: 01.05.16)
2. Anthony Raab. Deployable double-membrane surface antenna. Patent US 5777582 A. 07.07.1998. Rezhim dostupa: https://www.google.si/patents/US5777582 (Data obrashcheniya: 05.05.16).
3. Zimin V.N., Krylov A.V., Meshkovskii V.E., Sdobnikov A.N., Faizullin F.R., Churilin S.A. Osobennosti rascheta raskrytiya krupnogabaritnykh transformiruemykh konstruktsii razlichnykh konfiguratsii // Nauka i Obrazovanie. MGTU im. N.E. Baumana. Elektron. zhurn. 2014. № 10. S. 179–191. DOI: 10.7463/1014.0728802
4. Mark W. Thomson, Geoffrey W. Marks, John M. Hedgepeth. Light-weight reflector for concentrating radiation. Patent US 5680145 A. 21.10.1997. Rezhim dostupa: http://www.google.com/patents/US5680145 (data obrashcheniya: 05.05.16).
5. H. Kohata, M. Usui, K. Sunagawa, T. Hamaki, Y. Yamasa. In-orbit Electrical Performance of Large Deployable Reflector and Communications Experiments on ETS-VIII // Proceedings of the 26th ISTS (International Symposium on Space Technology and Science), Hamamatsu City, Japan, June 1-8, 2008.
6. Meguroa, K. Shintateb, M. Usuib, A. Tsujihatab. In-orbit deployment characteristics of large deployable antenna reflector onboard Engineering Test Satellite VIII // Acta Astronautica. 2009. Vol. 65, no. 9–10, pp. 1306–1316. DOI: 10.1016/j.actaastro.2009.03.052
7. J. Santiago-Prowald Large Deployable Antennas Mechanical Concepts // Large Space Apertures Workshop. California Institute of Technology Pasadena, 2008, November 10-11. Rezhim dostupa: http://www.kiss.caltech.edu/workshops/apertures2008/talks/santiagoprowald.pdf (data obrashcheniya: 08.04.16).
8. Instrument // Ofitsial'nyi sait proekta SMAP. Rezhim dostupa: http://smap.jpl.nasa.gov/observatory/instrument/ (data obrashcheniya: 15.04.16).
9. Peter Xaypraseuth NISAR spacecraft concept overview: Design challenges for a proposed flagship dual-frequency SAR mission // 2015 IEEE Aerospace Conference, 7-14 March 2015. Big Sky, MT. Pp. 1-11.
10. Satoru Ozawa. 30m class lightweight large deployable reflector // Proceedings of the 5th European Conference on Antennas and Propagation (EUCAP). Rome. 11-15 April 2011. Pp. 3354-3358.
11. Ovchinnikov M.Yu., Pen'kov V.I., Roldugin D.S., Karpenko S.O. Issledovanie bystrodeistviya algoritma aktivnogo magnitnogo dempfirovaniya // Kosmicheskie issledovaniya. 2012. T. 50, № 2. S. 176-183.
12. Santoni F., Zelli M. Passive Magnetic Attitude Stabilization of the UNISAT-4 microsatellite // Acta Astronautica. 2009. Vol. 65, no 5-6. Pp. 792-803. DOI: 10.1016/j.actaastro.2009.03.012
13. Rawashdeh, Samir Ahmed. Passive attitude stabilization for small satellites University of KentuckyMaster's Theses. 2010. Paper 624. Rezhim dostupa: http://uknowledge.uky.edu/gradschool_theses/624 (data obrashcheniya: 21.04.16).
14. G. Park, S. Seagraves, N.H. McClamroch. A Dynamic Model of a Passive Magnetic Attitude Control System for the RAX Nanosatellite // AIAA Guidance, Navigation, and Control Conference. 2-5 August 2010, Toronto, Ontario Canada AIAA 2010-8154. Rezhim dostupa: https://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/handle/2027.42/83649/AIAA-2010-8154-374.pdf?sequence=1 (data obrashcheniya: 01.05.16).
15. Stellini J.P. Magnetic Attitude Control for Spacecraft with Flexible Appendages // Master of Applied Science thesis University of Toronto. 2012. 97 p. Rezhim dostupa: https://tspace.library.utoronto.ca/bitstream/1807/33545/3/Stellini_Julian_P_201208_MASc_thesis.pdf (data obrashcheniya: 01.05.16)
16. Landau L.D., Lifshits E.M. Teoriya polya. Izdanie 7-e, ispravlennoe M.: Nauka. 1988. 512 s.
17. Magnitnoe pole Zemli: Opredelenie modulya gorizontal'noi sostavlyayushchei napryazhennosti geomagnitnogo polya: Ucheb.-metod. posobie / Sost. T.P. Smirnova; NovGU im. Yaroslava Mudrogo. Velikii Novgorod, 2008. 49 s.
18. International Geomagnetic Reference Field // IUGG: veb-sait. Rezhim dostupa: http://www.ngdc.noaa.gov/IAGA/vmod/igrf.html (data obrashcheniya: 20.04.16).
