طراحی مفهومی بادبان فضایی کاهش مدار برای ماهواره های مدار لئو

نوع مقاله : علمی- ترویجی

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی هوافضا-دانشگاه صنعتی امیرکبیر

2 هیئت علمی پژوهشگاه علوم و فناوری فضا-دانشگاه صنعتی امیرکبیر

چکیده

هدف اصلی از انجام این پژوهش، ارائة یک روند طراحی به منظور طراحی بادبان کاهش مدار برای ماهواره­‌های مستقر در مدارهای ارتفاع پایین (لئو) با در نظر گرفتن الزامات مأموریت است. در این راستا، ابتدا الزامات و ملاحظات طراحی بادبان کاهش مدار مورد مطالعه قرار گرفته است. در ادامه، مدل‌­های اتمسفری متفاوت و روابط لازم برای طراحی اولیة بادبان کاهش مدار ارائه شده است. سپس، به کمک ابزار Life-time در نرم افزار STK زمان کاهش مدار چندین ماهواره با نسبت‌های جرم به سطح متفاوت، با استفاده از سه مدل تراکم اتمسفری استاتیکی و دینامیکی‌ Harris-priester، Jacchia-Roberts و  MSISE2000از ارتفاع اولیه 700 و 800 کیلومتری محاسبه شد. از این اطلاعات در بخش طراحی ابعاد بادبان مناسب جهت خارج کردن ماهواره­‌ای با ابعاد و جرم مشخص (مطابق سناریو از پیش تعریف شده) از مدار لئو استفاده می­‌شود. در انتها با استفاده از روابط و نمودارهای ارائه شده، برای مدارزدایی یک ماهوره‌ 20 کیلوگرمی از ارتفاع اولیه 800 کیلومتری بادبانی با نسبت جرم به سطح 01/0 کیلوگرم بر متر طی یک روند منظم طراحی شده است. هندسة این بادبان به منظور بهینه بودن به شکل مربع و مبتنی بر  4 تیرک نگهدارنده انتخاب شده است. این هندسه با مصالحه بین دو المان 1-قابلیت اطمینان و 2- انعطاف­‌پذیری انتخاب شده است. نتایج شبیه­‌سازی نشان می‌­دهد که بادبان طراحی شده قادر است الزامات مأموریت سیستم مدارزدایی را برآورده ساخته و ماهواره را طی مدت 6/3 سال از مدار خارج کند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Chen, X., Ren, Y., Cai, Y., Li, N., and Jia, H., “Integrated Control of Attitude Maneuver and Vibration Suppression of Flexible Spacecraft Based on Magnetically Suspended Control Moment Gyros”, Proc. of the Inst. of Mech. Eng., Part C: J. of Mech. Eng. Sci., p. 0954406220942801, 2020.
[2] Golestani, M., Esmailzadeh, S.M., and Mobayen, S., “Fixed-time Control for High-precision Attitude Stabilization of Flexible Spacecraft”, European Journal of Control, Vol. 57, pp. 222-231, 2020.
[3] Sendi, C. “Attitude Stabilization during Retargeting Maneuver of Flexible Spacecraft Subject to Time Delay and Actuators Saturation”, 2020 IEEE Aerospace Conference, Big Sky, MT, USA, 2020.
[4] Liu, Y., Fu, Y., He, W., and Hui, Q., “Modeling and Observer-based Vibration Control of a Flexible Spacecraft with External Disturbances”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 66, No. 11, pp. 8648-8658, 2018.
[5] Sun, H., Hou, L., Zong, G., and Guo, L., “Composite Anti-disturbance Attitude and Vibration Control for Flexible Spacecraft”, IET Control Theory & Applications, Vol. 11, pp. 2383-2390, 2017.
[6] Liu, L., Cao, D., and Wei, J., “Rigid-flexible Coupling Dynamic Modeling and Vibration Control for Flexible Spacecraft Based on Its Global Analytical Modes”, Science China Technological Sciences, Vol. 62, pp. 608-618, 2019.
[7] Zhu, W., Zong, Q., and Tian, B., “Adaptive Tracking and Command Shaped Vibration Control of Flexible Spacecraft”, IET Control Theory & Applications, Vol. 13, pp. 1121-1128, 2019.
[8] Chang, J.-L.  and Wu, T.-C., “Dynamic Compensator-based Output Feedback Controller Design for Uncertain Systems with Adjustable Robustness”, Journal of Control Science and Engineering, Vol. 2018, pp. 1-9, 2018.
[9] Chen, H., Song, S., and Li, X., “Robust Spacecraft Attitude Tracking Control with Integral Terminal Sliding Mode Surface Considering Input Saturation”, Transactions of the Institute of Measurement and Control, Vol. 41, pp. 405-416, 2019.
[10] Yuan, C.-Q., Li, J.-F., Wang, T.-S., and Baoyin, H.-X., “Robust Attitude Control for Rapid Multi-Target Tracking in Spacecraft Formation Flying”, Applied Mathematics and Mech., Vol. 29, pp. 185-198, 2008.
[11] De Queiroz, M.S., Dawson, D.M., Nagarkatti, S.P., and Zhang, F., Lyapunov-based Control of Mechanical Systems, Springer Science & Business Media, New York, USA, 2012.
[12] Ge, S.S., Lee, T.H., and Zhu, G., “Genetic Algorithm Tuning of Lyapunov-based Controllers: An Application to a Single-link Flexible Robot System”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 43, pp. 567-574, 1996.
[13] Lyapunov, A.M., “The General Problem of the Stability of Motion”, International Journal of Control, Vol. 55, pp. 531-534, 1992.
[14] Zhong, C., Chen, Z., and Guo, Y., “Attitude Control for Flexible Spacecraft with Disturbance Rejection”, IEEE Trans. on Aer. and Elec. Sys., Vol. 53, pp. 101-110, 2017.
[15] Abdessameud, A. and Tayebi, A., “Attitude Synchronization of a Spacecraft Formation Without Velocity Measurement”, 47th IEEE Conf.e on Decision and Control, Cancun, Mexico, 2008.
[16] Mehrabian, A.R., Tafazoli, S., and Khorasani, K., “Coordinated Attitude Control of Spacecraft Formation Without Angular Velocity Feedback: a Decentralized Approach”, AIAA Guidance, Navigation, and Control Conf., Portland, Oregon, USA, 2009.
[17] Hu, Q., Shi, P., and Gao, H., “Adaptive Variable Structure and Commanding Shaped Vibration Control of Flexible Spacecraft”, Journal of Guidance, Control, and Dynamics, Vol. 30, pp. 804-815, 2007.
[18] Ye, D. and Sun, Z., “Variable Structure Tracking Control for Flexible Spacecraft”, Aircraft Engineering and Aerospace Technology: An International Journal, Vol. 88, pp. 508-514, 2016.
[19] Mazinan, A., Pasand, M., and Soltani, B., “Full Quaternion Based Finite-time Cascade Attitude Control Approach Via Pulse Modulation Synthesis for a Spacecraft”, ISA tran., Vol. 58, pp. 567-585, 2015.
[20] Song, G. and Agrawal, B.N., “Vibration Suppression of Flexible Spacecraft During Attitude Control”, Acta Astronautica, Vol. 49, pp. 73-83, 2001.
[21] Chakrabarti, D., and Selvaganesan, N., “PD and PDβ Based Sliding Mode Control Algorithms with Modified Reaching Law for Satellite Attitude Maneuver”, Advances in Space Research, Vol. 65, pp. 1279-1295, 2020.
[22] Ran, D., Chen, X., de Ruiter, A., and Xiao, B., “Adaptive Extended-state Observer-based Fault Tolerant Attitude Control for Spacecraft with Reaction Wheels”, Acta Astr., Vol. 145, pp. 501-514, 2018.
[23] Wang, J., Wu, J., Liu, W., and Ji, H., “Coupling Attitude Control for Flexible Spacecraft with Rotating Structure”, in  4th International Conference on Robotics and Automation Sciences (ICRAS),  Wuhan, China, 2020.
[24] Newman, S.M., Active Damping Control of a Flexible Space Structure Using Piezoelectric Sensors and Actuators, Naval Postgraduate School, Monterey, CA, USA, 1992.
[25] Weldegiorgis, R., Krishna, P., and Gangadharan, K., “Vibration Control of Smart Cantilever Beam Using Strain Rate Feedback”, Procedia Materials Science, Vol. 5, pp. 113-122, 2014.
[26] Hall, J.F., “Problems Encountered from the Use (or Misuse) of Rayleigh Damping”, Earthquake eng. & struc. dyn., Vol. 35, pp. 525-545, 2006.