ҚАЗАҚСТАН РЕСПУБЛИКАСЫ БІЛІМ ЖӘНЕ ҒЫЛЫМ МИНИСТРЛІГІ Л.Н. ГУМИЛЕВ АТЫНДАҒЫ ЕУРАЗИЯ ҰЛТТЫҚ УНИВЕРСИТЕТІ
Студенттер мен жас ғалымдардың
«Ғылым және білім - 2014»
атты IX Халықаралық ғылыми конференциясының БАЯНДАМАЛАР ЖИНАҒЫ
СБОРНИК МАТЕРИАЛОВ
IX Международной научной конференции студентов и молодых ученых
«Наука и образование - 2014»
PROCEEDINGS
of the IX International Scientific Conference for students and young scholars
«Science and education - 2014»
2014 жыл 11 сәуір
Астана
УДК 001(063) ББК 72
Ғ 96
Ғ 96
«Ғылым және білім – 2014» атты студенттер мен жас ғалымдардың ІХ Халықаралық ғылыми конференциясы = ІХ Международная научная конференция студентов и молодых ученых «Наука и образование - 2014» = The IX International Scientific Conference for students and young scholars «Science and education - 2014».
– Астана: http://www.enu.kz/ru/nauka/nauka-i-obrazovanie/, 2014. – 5830 стр.
(қазақша, орысша, ағылшынша).
ISBN 978-9965-31-610-4
Жинаққа студенттердің, магистранттардың, докторанттардың және жас ғалымдардың жаратылыстану-техникалық және гуманитарлық ғылымдардың өзекті мәселелері бойынша баяндамалары енгізілген.
The proceedings are the papers of students, undergraduates, doctoral students and young researchers on topical issues of natural and technical sciences and humanities.
В сборник вошли доклады студентов, магистрантов, докторантов и молодых ученых по актуальным вопросам естественно-технических и гуманитарных наук.
УДК 001(063) ББК 72
ISBN 978-9965-31-610-4 © Л.Н. Гумилев атындағы Еуразия ұлттық
университеті, 2014
3138
дополнять измерением угловых скоростей, и корректировать вычисление на смещение, вызванное вращением.
Использование четырех камер одновременно может оказаться невозможным на наноспутниках с жесткими ограничениями на потребление электроэнергии, поскольку работающая камера потребляет до 2-2,5 ватт мощности. В таком случае, можно рассмотреть поочередное включение камер. При этом добавится задержка выхода на режим съемки, которая может достигать 1-2 секунды.
В интервалах между определениями угловых положений по камерам можно определять угловое положение с помощью инерциальных датчиков, путем интегрирования угловых скоростей. Длительность таких интервалов подлежит выбору из соображений обеспечения сохранения достаточной точности ориентации по инерциальным приборам.
Выводы. Предложен способ определения отклонения углового положения космического аппарата от направления в надир при использовании информации с малогабаритной цифровой камеры.
Для расширения зоны определения угловых отклонений предложено использовать 4 камеры, попарно расположенные в плоскостях определения угловых отклонений, и установленных под углом к оси аппарата. Определена зависимость оптимальных углов расположения камер от высоты орбиты КА.
Определены факторы, которые необходимо будет учесть для повышения точности угловых измерений.
Список использованных источников
1. Герасюта Н.Ф., Новиков А.В., Белецкая Н.Г. Динамика полета. Основные задачи динамического проектирования ракет. Учебное пособие для вузов. Под ред. акад. НАН Украины Конюхова С.Н. Севастополь, НПЦ "ЭКОСИ – Гидрофизика", 1998, 365 с.
2. Лебедев Д.В., Ткаченко А.И. Навигация и управление ориентацией малых космических аппаратов. – К: Наукова думка, 2006, 298 с
УДК 629.764
ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СБЛИЖЕНИЯ РАКЕТЫ- НОСИТЕЛЯ НА АКТИВНОМ УЧАСТКЕ ТРАЕКТОРИИ С
КАТАЛОГИЗИРОВАННЫМИ КОСМИЧЕСКИМИ ОБЪЕКТАМИ Голубек Александр Вячеславови
Доцент кафедры систем автоматизированного управления
физико-технического факультета Днепропетровского национального университета имени Олеся Гончара, Днепропетровск, Украина
Научный руководитель – профессор А.М. Кулабухов
В данный момент средствами контроля космического пространства уже каталогизировано более 15 тысяч околоземных космических объектов (КО) искусственного происхождения. Около трѐх с половиной тысяч из них – космические аппараты (КА) (менее тысячи функционирующих), около двух тысяч – верхние ступени ракет-носителей (РН), остальные – обломки, образовавшиеся в результате столкновений и нештатных ситуаций. То есть, большинство каталогизированных КО представляют собой неуправляемые объекты, являющиеся так называемым космическим мусором. Большая его часть движется на низких околоземных орбитах, создавая тем самым проблемы для безопасного выполнения миссии летательных аппаратов. Кроме того, космический мусор может увеличивать свою численность за счѐт процесса взаимных столкновений КО между собой, называемого синдромом Кесслера. Согласно некоторых экспертных оценок, синдром Кесслера уже
3139
начался, и в ближайшие десятилетия следует ожидать существенного увеличения численности КО. Как следствие, в таких условиях растѐт вероятность столкновения КО как с функционирующими КА, так и с выводящими их РН. В свою очередь, эта проблема порождает задачу определения характеристик сближения и вероятности столкновения РН с КО, необходимых для разработки и внедрения методов повышения вероятности безопасного пролѐта РН.
Анализ доступных решений и публикаций показал, что задача повышения безопасности полѐта РН через группировку КО является малоисследованной, а оценки основных характеристик их сближений отсутствуют.
Сформулируем постановку задачи в следующем виде.
Даны:
основные характеристики РН в составе: аэродинамических и массово-инерционных характеристик, характеристик двигательной установки, компоновочной схемы, циклограммы работы системы управления и угловых программ полѐта;
характеристики целевой орбиты РН;
характеристики точки старта РН;
окно времѐн запуска РН;
каталогизированная космическая обстановка.
Необходимо:
провести исследование совместного движения РН на активном участке траектории и каталогизированных КО, включая определение распределений основных характеристик опасных сближений, таких как относительное расстояние, относительная скорость и угол встречи.
Под опасным понимается сближение РН и КО на минимальное относительное расстояние не превышающее 5 км.
Учитывая неравномерность распределения каталогизированных КО по околоземной орбите (большая часть всех объектов движутся по орбитам высотой до 2000 км и наклонением, 90-110 град), в качестве базовых для РН приняты солнечно-синхронные орбиты высотой от 500 до 2100 км. Кроме того, необходимо обратить внимание на малость вероятности опасного сближения РН и КО, значение которой на несколько порядков ниже, чем для КА. Так, например, вероятность столкновения КА с КО по данным средств контроля космического пространства РФ и США составляет порядка двух за четыре года, в тоже время, столкновений РН и КО на данный момент не зарегистрировано. В связи с вышесказанным, для получения большего количества статистических данных рассмотрено совместное движение РН на активном участке и КО в пределах суточного окна запуска.
Введем предположения:
совместное движение РН и группировки КО рассматривается в детерминированной постановке на участке от момента выхода РН из плотных слоѐв атмосферы до момента отделения КА;
космическая обстановка постоянна, то есть не появляются новые КО и не прекращают своѐ существование старые;
РН и КО – материальные точки;
КО – пассивные объекты, не совершающие манѐвров по поддержанию или изменению орбиты.
Рассмотрим совместное движение системы РН – группировка КО, которое с учѐтом принятых предположений описывается системой из 6NKO алгебраических уравнений (где
NKO количество космических объектов) и
7NKO 1
дифференциальных уравнений вида:3140
i i i i i
i i
KO KO KO KO KO
PH PH
PH PH PH PH PH
KO PH i KO PH i
V R g
W V
g G m
V R g W V
V V V R
R R
0
, i1,NKO, (1)
где R и V вектора относительного расстояния и скорости между РН и КО; RPH и VPH вектора текущего положения и скорости РН в инерциальной системе координат; RKO и VKO вектора текущего положения и скорости КО в инерциальной системе координат;
WPH вектор кажущейся скорости РН, gPH ускорение силы притяжения Земли в центре масс РН; mPH масса РН; GPH весовой секундный расход; g0 ускорение силы притяжения Земли в точке старта; WKO вектор кажущейся скорости КО, gKO ускорение силы притяжения Земли в центре масс КО.
Ввиду нелинейности системы дифференциальных уравнений (1), еѐ решение проведено численным методом с использованием компьютерного моделирования. В качестве начальных условий движения КО выбран каталог NORAD от 20.06.13 г и окно запуска с 00:00:00 21.06.13 по 00:00:00 22.06.13. По данным каталога на околоземных орбитах движется 17816 КО, по 14026 из которых имеются начальные условия движения.
В результате компьютерного моделирования совместного движения гипотетической РН на солнечно-синхронные орбиты и группировки КО получены гистограммы распределения основных параметров опасных сближений: относительного расстояния (рис. 1), относительной скорости (рис. 2) и угла встречи (рис. 3). Из 750 тысяч промоделированных запусков выявлено три опасных сближения РН с КО на относительные расстояния менее 100 м, параметры которых приведены в табл. 1. При этом, вероятность сближения в запуске составляет 410-6, что уже говорит о реальной угрозе безопасности полѐта РН и необходимости принятия специальных мер по еѐ повышению. К примеру, вероятность столкновения МКС с космическим мусором 10-5 считается недопустимой.
Таблица 1. Параметры сближения РН с КО на относительные расстояния менее 100 м Минимальное
относительное расстояние, м
Относительная
скорость, км/с Угол встречи, град Высота полѐта, км
38 9,3 77 883
69 14,5 152 692
76 13,9 136 712
3141
Рисунок 1. Распределение КО по относительному расстоянию сближения и высоте целевой орбиты РН
Рисунок 2. Распределение КО по относительной скорости сближения и высоте целевой орбиты РН
3142
Рисунок 3. Гистограмма распределения КО по углу встречи и высоте целевой орбиты РН Анализ распределения оскулирующих параметров орбит опасных КО (рис. 4 и рис. 5) показал, что наибольшее их число движется по орбитам со средней высотой 800-100 км и наклонением 90-100 град, где и наблюдается наибольшая концентрация КО.
В результате анализа полученных результатов исследования можно сделать следующие выводы:
распределение основных характеристик параметров сближения РН и КО имеет сложный характер, большинство опасных сближений наблюдается на относительных скоростях более 10 км/с и углах встречи более 90 град;
наибольшую опасность для полѐта РН представляют КО, движущиеся на орбитах высотой 800-1000 км и наклонением 90-110 град;
из 750 тысяч промоделированных траекторий выявлено несколько сближений на относительные расстояния менее 100 м, что с учѐтом вероятностного характера совместного движения РН и КО может представлять существенную опасность для безопасного полѐта РН и говорит о необходимости учѐта состояния космической обстановки в процессе планирования миссий выведения;
вероятность сближения РН с КА в запуске на расстояние менее 100 м составляет 410-
6, что почти в два раза меньше предельно допустимого значения вероятности столкновения МКС с космическим мусором.
Рисунок 4. Гистограмма распределения опасных КО по высоте орбиты
3143
Рисунок 5. Гистограмма распределения опасных КО по наклонению орбиты
Следует обратить внимание на тот факт, что для исключения сближения на критическое расстояние достаточно сместить момент старта на несколько секунд до или после момента, для которого оно выявлено. Исходя из этого можно сказать, что использование метода соответствующего выбора времени старта в зависимости от состояния космической обстановки в районе траектории РН может на первых порах быть эффективным способом повышения безопасности еѐ полѐта через группировку КО до тех пор, пока не будут разработаны и внедрены эффективные средства очистки космического пространства.
УДК 532.593:541.24
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗЛИЧНЫХ МЕТОДОВ УПРАВЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЕМ ТОПЛИВА В УСЛОВИЯХ НЕВЕСОМОСТИ
Горелова Кристина Витальевна [email protected]
Младший научный сотрудник НДЛ гидродинамики физико-технического факультета Днепропетровского национального университета, Днепропетровск, Украина
Научный руководитель С.А. Давыдов
Значительное увеличение количества и объема космических программ по освоению космоса за последние десятилетия требует разработки космических летательных аппаратов (КЛА) нового поколения для осуществления космической индустриализации - космические станции, транспортные космические корабли, межпланетные КЛА и т. д.
Их проектирование связано с решением целого ряда актуальных проблем, одной из которых является эффективное управлением положением компонент жидкого ракетного топлива в условиях практической невесомости для обеспечения повторных запусков двигателей КЛА.
Кроме того, в зависимости от особенностей полетного задания, может возникнуть необходимость в перемещении части топлива из одного бака в другой, сброс невыработанных остатков топлива за пределы летательного аппарата и т.п.
Наряду с активными участками траектории полета возникают промежутки времени на протяжении которых летательный аппарат (ЛА) двигается по инерции, а топливо при этом находится в условиях низкой гравитации. Под влиянием разнонаправленных внешних силовых импульсов топливо перемешивается с газом наддува, вследствие чего положение газа по отношению к сливному отверстию из бака становится неопределенным. В то же время успешный запуск двигателей исключает проникновения газовой фазы в сливную