OPTIMAL CONTROL OF A TETHER DEPLOYMENT IN THE TASK OF PAYLOAD DEORBITING

Статья посвящена поиску оптимального управления силой натяжения троса в задаче доставки груза с орбиты. Использование тросовых систем позволяет осуществить спуск груза на Землю без затрат реактивного топлива. Известно, что при баллистическом спуске использование крутой траектории позволяет сократить область возможной посадки и минимизировать получаемое аппаратом количество тепла. Целью работы является разработка методики поиска закона развертывания троса, обеспечивающего спуск сферической капсулы в атмосфере по наиболее крутой траектории. Операция доставки груза разбита на три этапа: движение груза в составе космической тросовой системы, свободное движение по кеплеровской орбите до границы атмосферы и спуск в атмосфере. Разработан генетический алгоритм поиска оптимального закона управления тросом. В качестве критерия оптимальности выбрано время спуска груза в атмосфере. Анализ найденных законов позволил предложить новую схему развертывания, которая, в отличие от широко обсуждаемого в литературе динамического развертывания, включает фазу втягивания троса на этапе возвратного колебания. Это позволяет использовать силу Кориолиса для дополнительного торможения груза. Эффективность разработанной методики продемонстрирована на примере эксперимента YES-2. Было установлено, что увеличение предельной скорости втягивания троса ведет к уменьшению времени спуска груза в атмосфере. Полученные результаты могут быть использованы при проектировании новых космических транспортных систем, включающих в себя тросы переменной длины.This paper is devoted to the searching of optimal control tether tension in the task of a payload deorbiting. Applying of space tethers allows to descent the payload to the Earth without use of jet fuel. It is known that the use of a steep ballistic trajectory reduces the possible landing area and minimizes the thermal loads on reentry capsules. The purpose of the study was to develop a technique of searching control law for tether deployment, which provide steepest descent trajectory for spherical capsule in the atmosphere. Maneuver of payload deorbiting consists of three phases: tethered motion, free flight in a Keplerian orbit to the atmosphere boundary, descent in the atmosphere. Genetic algorithm for searching the optimal control law of the tether deployment was developed. Time of descent in the atmosphere was chosen as the optimality criterion. Analysis of found laws has allowed to propose a new deployment scheme, which involves retracting of the tether in the phase of swing back motion in contrast to the widely discussed dynamic deployment. This allows to use the Coriolis force for additional braking of the payload. The effectiveness of the developed technique was demonstrated by the example of the YES2 experiment. The study showed that increasing the maximum speed of tether retraction leads to a reduction in the time of descent of the payload in the atmosphere. The results can be used for creation of new space transportation systems that include tethers of variable length

Attitude Motion of Cylindrical Space Debris during Its Removal by Ion Beam

The paper is devoted to the problem of space debris mitigation. Contactless method of the space debris deorbiting is considered. It is assumed that ion thrusters on the active spacecraft create the ion flow, which blows the debris and slows it down. The objectives of this work are the development of mathematical models and the research of space debris motion under the action of the ion flow. It is supposed that the space debris is a rigid body of a cylindrical shape. Calculation of ion beam force and torque was performed for a self-similar model of plasma plume expansion using the hypothesis of ion fully diffused reflection from a surface. A mathematical model describing plane motions of the cylindrical space debris under the influence of gravity gradient torque and the ion flux was constructed. It was shown that motion of the space debris around its center of mass has a significant effect on its removal time. Phase portraits, describing the motion of the space debris relative to its center of mass, were constructed. Comparison of the descent times in different motion modes was carried out. The results can be used to create new effective systems of large space debris removal

Book of Abstracts of The Sixth International Conference on Tethers in Space

Abstracts of The Sixth International Conference on Tethers in Space. June, 12-14, 2019. Madri