Исследование движения центра масс межпланетных космических аппаратов

Исследование движения центра масс межпланетных космических аппаратов

1. Оглавление 1

2. Исследовательская часть . 3

2.1. Введение . 3

2.2. Краткие сведения об орбите 4

2.2.1. Характеристика орбиты 4

2.2.2. Связь МКА с наземными пунктами управления 5

2.2.3. Выведение на рабочую орбиту . 6

2.3. Исходные данные и цели работы . 10

2.3.1. Исходные данные 10

2.3.2. Цели работы 12

2.4. Моделирование движения центра масс МКА 13

2.4.1. Уравнения движения МКА 13

2.4.2. Возмущающие ускорения, действующие на МКА 15

2.4.3. Расчет параметров текущей орбиты МКА 22

2.5. Коррекция траектории МКА 24

2.5.1. Коррекция приведения 24

2.5.2. Расчет потребного топлива . 26

2.5.3. Коррекция поддержания . 27

2.6. Движение МКА относительно центра масс . 28

2.6.1. Уравнения движения относительно центра масс МКА 28

2.6.2. Стабилизация углового положения при коррекции . 28

3. ОРГАНИЗАЦИОННО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ . 31

3.1. Организация и планирование выполнения темы . 31

3.2. Определение затрат труда 31

3.3. Расчет сметы затрат на разработку программного продукта . 35

4. ПроМЫШЛЕННАЯ ЭКОЛОГИЯ И БЕЗОПАСНОСТЬ 39

4.1. Введение . 39

4.2. Анализ вредных факторов . 39

4.3. Требования к видеотерминальным устройствам 44

4.4. Расчет вредных излучений . 46

4.5. Рациональная организация рабочего места . 46

4.6. Рекомендации по снижению утомляемости 47

4.7. Защита от напряжения прикосновения. Зануление . 48

4.8. Пожарная безопасность . 49

5. Список литературы . 53

6. Приложение. ТекстЫ Программ для Borland C++ и Matlab 4.0 for windows 54

6.1. Основной программный модуль main.cpp 54

6.2. Подпрограмма расчета возмущающих ускорений, параметров орбиты и коррекции sfun.cpp . 57

6.3. Файл начальной инициализации init.h 77

6.4. Файл описания переменных def.h 79

6.5. Файл sfun.h 81

6.6. Файл rk5.h . 81

6.7. Программа построения временных диаграмм . 82

2. ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЧАСТЬ

2.1. ВВЕДЕНИЕ

В данной работе проводится исследование движения центра масс МКА под действием различных возмущающих ускорений (от не­центральности гравитационного поля Земли, сопротивления атмо­сферы, притяжения Солнца и Луны, из-за давления солнечных лу­чей) и создание математической модели движения ЦМ МКА, по­зво­ляющей учесть при интегрировании уравнений движения ЦМ МКА эволюцию орбиты МКА.

В работе разрабатывается алгоритм коррекции, ликвидирующий ошибки выведения МКА и рассчитывается масса топлива, необхо­димая для проведения коррекции, необходимой из-за эволюции па­раметров орбиты и из-за ошибок выведения МКА на рабочую ор­биту.

Точность проведения коррекции зависит от точности направле­ния корректирующего импульса, заданной в ТЗ. Было проведено моде­лирование системы коррекции в режиме стабилизации угло­вого по­ложения при работе корректирующей двигательной уста­новки.

В работе приводятся программы, реализующие интегрирование уравнений движения ЦМ МКА, процесс осуществления коррекции и расчет топлива для коррекции.

2.2. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ОРБИТЕ

Основными показателями эффективности космической группировки, являются:

- предельная производительность МКА в сутки на освещенной стороне Земли не менее 400-500 объектов.

- периодичность наблюдения районов съемки не реже одного раза в сутки.

Расположение плоскости орбиты по отношению к Солнцу выбрано таким образом, чтобы угол между линией узлов и следом терминатора на плоскости экватора Земли составлял Dт = 30°. При этом северный полувиток орбиты должен проходить над освещенной частью земной поверхности. Для определенности углу Dт приписывается знак «+» в том случае, если восходящий узел орбиты находится над освещенной частью Земли, и знак «-», если ВУ находится над неосвещенной частью. При выборе баллистического построения оперируют углом D, однозначно определяющимся прямым восхождением Солнца a0 и долготой восходящего узла орбиты в абсолютном пространстве W: D = a0 - W. Соотношение между углом Dт и углом D: D º Dт - 90°.

2.2.1. ХАРАКТЕРИСТИКА ОРБИТЫ

Для решения задач наблюдения Земли из космоса с хорошим раз­решением при жестких ограничениях на массу КА и минимизации затрат на выведение целесообразно использовать низкие круговые орбиты. В этом классе орбит выделяют солнечно-синхронные ор­биты со следующими свойствами:

- скорость прецессии плоскости орбиты в пространстве состав­ляет примерно 1° в сутки, что практически обеспечивает постоян­ство ориентации ее относительно терминатора Земли в течении всего срока активного существования КА.

- близость наклонения плоскости орбиты к полярному, что обес­печивает глобальность накрытия полюсами обзора поверхности Земли.

- возможность наблюдения районов на поверхности Земли при­мерно в одно и то же местное время при незначительном изменении углов места Солнца в точке наблюдения.

Всем этим условиям удовлетворяют солнечно-синхронные ор­биты с высотами от нескольких сот до полутора тысяч километров. На больших высотах наклонение солнечно-синхронной орбиты от­ли­чается от полярного, и глобальность накрытия поверхности Земли не обеспечивается. Для повышения эффективности наблюде­ния це­лесообразно выбрать орбиты с изомаршрутной трассой, у которых следы орбит ежесуточно проходят на одними и теми же районами Земли, что позволяет обеспечивать периодичность на­блюдения од­ного и того же объекта, как минимум, раз в сутки с одного КА.

Предварительные расчеты показали, что целесообразно исполь­зовать орбиту с высотой Н = 574 км и наклонением плоскости ор­биты к плоскости экватора Земли i = 97,6°.

Масса МКА может составить от 500 до 800 кг (что зависит от вида целевой аппаратуры, устанавливаемой на борту МКА). Для выведения МКА на орбиту используется РН СС-19 («Рокот») с разгонным блоком «Бриз».

2.2.3. СВЯЗЬ МКА С НАЗЕМНЫМИ ПУНКТАМИ УПРАВЛЕНИЯ

Управление МКА осуществляется с наземных пунктов управления на территории России. Их количество и место расположения выбирается таким образом, чтобы на любом витке можно было организовать сеанс связи с МКА хотя бы с одного пункта управления. Угол возывшения МКА над горизонтом наземного пункта управления должен быть не менее 7°, а дальность до МКА не должна превышать 2200 км.

В расчете зон связи были использованы следующие исходные данные:

- высота орбиты - 574 км.

- наклонение орбиты - 97,6°.

- географическая долгота восходящего узла первого витка - 4° в.д.

- минимальный угол возвышения МКА над местным горизонтом - 7°.

Из рассматривавшихся возможных наземных пунктов управления (Москва, Новосибирск, Хабаровск, Мурманск, Калининград, Диксон, Комсомольск-на-Амуре, Петропавловск-Камчатский), было выбрано три (Москва, Диксон, Петропавловск-Камчатский), обеспечивающие возможности связи с МКА на любом витке орбиты. При этом зоны связи с МКА составляют от 3 до 9 минут на витке.

Интергральные характеристики возможности связи с МКА:

- высота орбиты - 574 км.

- число витков, видимых из Москвы, вит/сутки - 6.

- суммарное время видимости из Москвы, мин - 41.

- суммарное время видимости с трех пунктов, мин - 153.

- максимальное время видимости одного витка, мин - 9,1.

2.2.4. ВЫВЕДЕНИЕ МКА НА РАБОЧУЮ ОРБИТУ

Выведение МКА на орбиту с наклонением i = 97,6° и высотой Н = 574 км осуществляется ракетой-носителем «Рокот» с разгонным блоком «Бриз». При выведении для каждой отделяющейся части РН (отработанная первая ступень, обтекатель, отработанная вторая ступень) существует свой район падения.

Возможные варианты старта:

1. Полигон Байконур.

Из-за отсутствия зон падения отделяющихся частей возможно сформировать опорную орбиту с наклонением i порядка 65°. Для формирования опорной орбиты с наклонением близким полярному при использовании трассы с азимутом стрельбы более 180° (направление стрельбы на юг) - первая ступень падает в районе Ашхабада, обтекатель сбрасывается на высоте Н порядка 100 км, вторая ступень падает за Аравийским полуостровом. С точки зрения энергетики, выведение осуществляется не по оптимальной схеме, в результате чего на круговую орбиту высотой Н порядка 700 км выводится МКА массой менее 600 кг.