The Optimal Control by the Thrust Vector of Air-Breathing Electric Propulsion to Maximize the Apogee Altitude of Orbit with an Ultra-Low Perigee

封面

如何引用文章

全文:

开放存取 开放存取
受限制的访问 ##reader.subscriptionAccessGranted##
受限制的访问 订阅存取

详细

The problem of changing the apogee altitude of orbits with ultralow perigee (altitude 120–250 km) is considered. To compensate for the aerodynamic drag of the spacecraft, an air-breathing electric propulsion (ABEP) is used, the fuel for which is the gases of the outboard atmosphere. The decrease in the efficiency of an ABEP with an increase in the angle of attack and the possibility of ABEP operation only at a sufficient gas concentration in the ionization chamber are taken into account. The problem is solved on the basis of the Pontryagin maximum principle under the assumption that the aerodynamic drag and thrust are small compared to the gravitational forces. The results of studies of optimal programs for controlling the thrust vector of an ABEP depending on the parameters of the orbit, the layout of the spacecraft, the engine, and the power of the energy source are presented.

作者简介

A. Filatyev

Moscow State University, 119991, Moscow, Russia; Moscow Aviation Institute, 125080, Moscow, Russia

Email: yanova2007@yandex.ru
Россия, Москва; Россия, Москва

O. Yanova

Moscow Aviation Institute, 125080, Moscow, Russia; Zhukovsky Central Aerohydrodynamic Institute, 140181, Zhukovsky, Moscow oblast, Russia

编辑信件的主要联系方式.
Email: yanova2007@yandex.ru
Россия, Москва; Россия, Московская обл., Жуковский

参考

  1. Гродзовский Г.Л., Иванов Ю.Н., Токарев В.В. Механика космического полета с малой тягой. М.: Наука, 1966.
  2. Маров М.Я., Филатьев А.С. Комплексные исследования электрореактивных двигателей при полетах в ионосфере Земли: К 50-летию Государственной программы “Янтарь” // Косм. исслед. 2018. Т. 56. № 2. С. 137–144. https://doi.org/10.7868/S0023420618020061 (Cosmic Research. 2018. Т. 56. № 2. P. 123–129).10.7868/S0023420618020061
  3. Virgili J., Roberts P.C.E., Palmer K. et al. Very Low Earth Orbit mission concepts for Earth Observation: Benefits and challenges // Proc. 12th Reinventing Space Conf. London, UK. 2014. BIS-RS-2014-37.
  4. Filatyev A.S., Golikov A.A., Nosachev L.V. et al. Spacecraft with air-breathing electric propulsion as the future ultra-speed aircraft // Proc. 71th Intern. Astronautical Congress. The CyberSpace Edition. 1–5 Oct. 2020. IAC-20-C4.6.8.
  5. Dolgich A. Soviet Studies on Low-Thrust Orbital Propellant-Scooping Systems // Foreign Sciebce Bull. 1969. V. 5. № 7. P. 1–9.
  6. Цой Э.П. Выбор оптимальной программы управления тягой накопителя рабочего вещества в нестационарном режиме // Тр. ЦАГИ. 1968. Вып. 1145.
  7. Шумилкин В.Г. Управление тягой орбитального аппарата с двигателем ограниченной мощности при полете с накоплением атмосферного воздуха // Ученые записки ЦАГИ. 1976. Т. 7. № 2. С. 81–87.
  8. Romano F. et al. System Analysis and Test-Bed for an Atmosphere-Breathing Electric Propulsion System Using an Inductive Plasma Thruster // Proc. 68th Intern. Astronautical Congress. Adelaide, Australia, 25–29 Sept. 2017. IAC-17-C4.6.5.
  9. Rock B.St., Blandino J.J., Demetriou M.A. Propulsion Requirements for Drag-Free Operation of Spacecraft in Low Earth Orbit // J. Spacecraft and Rockets. 2006. V. 43. № 3. P. 594–606. https://doi.org/10.2514/1.15819
  10. Marchetti P., Blandino J.J., Demetriou M.A. Electric Propulsion and Controller Design for Drag-Free Spacecraft Operation // J. Spacecraft and Rockets. 2008. V. 45. № 6. P. 1303–1315. https://doi.org/10.2514/1.36307
  11. Becedas J., González G., Domínguez R.M. et al. Aerodynamic Technologies for Earth Observation Missions in Very Low earth Orbit. A: Reinventing Space Conference // Proc. 16th Reinventing Space Conf. (RISpace). London, UK, 30 Oct. – 1 Nov. 2018. P. 1–10.
  12. Filatyev A.S., Erofeev A.I., Yanova O.V. et al. Physical Grounds and Control Optimization of Low-Orbit Spacecraft with Electric Ramjet // Proc. 68th Intern. Astronautical Congress. Adelaide, Australia, 25–29 Sept. 2017. IAC-17-C4.IP.51.
  13. Barral S., Cifali G., Albertoni R. et al. Conceptual Design of an Air-Breathing Electric Propulsion System // Proc. 34th Intern. Electric Propulsion Conf. Kobe, Japan, 4–10 July 2015. IEPC-2015-271.
  14. Понтрягин Л.С., Болтянский В.Г., Гамкрелидзе Р.В., Мищенко Е.Ф. Математическая теория оптимальных процессов. М.: Наука, 1969.
  15. Filatyev A.S., Yanova O.V. On the optimal use of electric ramjet for low-orbit spacecraft // Procedia Engineering. 2017. V. 185. P. 173–181. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.03.299
  16. Filatyev A.S., Erofeev A.I., Nikiforov A.P. et al. Comparative evaluation of the applicability of electrical ramjets // Proc. 58th Israel Annual Conf. Aerospace Science. WeL1T4.3. Tel-Aviv, Haifa, Israel, 14–15 Mar. 2018. P. 503–519. http://toc.proceedings.com/ 37020webtoc.pdf.
  17. Filatyev A.S., Yanova O.V. The control optimization of low-orbit spacecraft with electric ramjet // Acta Astronautica. 2019. V. 158. P. 23–31.
  18. Yanova O.V., Filatyev A.S. Synthesis of the optimal control of spacecraft with air-breathing electric propulsion in orbits with ultra-low perigee in view of dependence of the engine efficiency on angle of attack // Proc. 71th Intern. Astronautical Congress. The CyberSpace Edition. 1–5 Oct. 2020. IAC-20-C1.5.1.
  19. Ерофеев А.И., Никифоров А.П., Плугин В.В. Экспериментальные исследования воздухозаборника в свободномолекулярном потоке газа // Ученые записки ЦАГИ. 2017. Т. 48. № 3. С. 56–69.
  20. Ерофеев А.И., Никифоров А.П., Плугин В.В. Моделирование процессов в воздухозаборнике для низкоорбитальных космических аппаратов в вакуумной аэродинамической трубе // Актуальные вопросы проектирования автомат. космич. аппаратов для фундам. и прикладных науч. исслед.: сб. тр. конф. Вып. 2. Химки: Изд-во “НПО им. С.А. Лавочкина”. 2017. С. 365–374.
  21. Охоцимский Д.Е., Сихарулидзе Ю.Г. Основы механики космического полета. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1990.
  22. Мирер С.А. Механика космического полета. Орбитальное движение. М.: Резолит, 2007.
  23. Fearn D.G. Ion thruster thrust vectoring requirements and techniques // 27th Intern. Electric Propulsion Conf. Pasadena, CA. 15–19 Oct. 2001. IEPC-01-115.
  24. Munoz V., González D., Becedas J. et al. Attitude control for satellites flying in VLEO using aerodynamic surfaces // J. British Interplanetary Society. 2020. V. 73. № 3. P. 103–112.
  25. Prieto D.M., Graziano B.P., Roberts P.C.E. Spacecraft drag modelling // Progress in Aerospace Sciences. 2014. V. 64. P. 56–65. https://doi.org/10.1016/j.paerosci.2013.09.001
  26. Livadiotti S., Crisp N.H., Robert P.C.E. et al. A review of gas-surface interaction models for orbital aerodynamics applications // Progress in Aerospace Sciences. 2020. V. 119. Art. № 100675. https://doi.org/10.1016/j.paerosci.2020.100675
  27. Mehta P.M., Walker A., McLaughlin C.A., Koller J. Comparing Physical Drag Coefficients Computed Using Different Gas–Surface Interaction Models // J. Spacecraft and Rockets. 2014. V. 51. № 3. P. 873–883. https://doi.org/10.2514/1.A32566
  28. Koppenwallner G. Satellite Aerodynamics and Determination of Thermospheric Density and Wind // AIP Conf. Proc. 2011. V. 1333. P. 1307–1312. https://doi.org/10.1063/1.3562824
  29. Moe K., Moe M.M. Gas-surface interactions and satellite drag coefficients // Planetary and Space Science. 2005. V. 53. P. 793–801. https://doi.org/10.1016/j.pss.2005.03.005
  30. Koppenwallner G. Comment on special section: new perspectives on the satellite drag environments of Earth, Mars, and Venus // J. Spacecraft and Rockets. 2008. V. 45. № 6. P. 1324–1327. https://doi.org/10.2514/1.37539
  31. Sutton E.K. Normalized Force Coefficients for Satellites with Elongated Shapes // J. Spacecraft and Rockets. 2009. V. 46. № 1. P. 112–116. https://doi.org/10.2514/1.40940
  32. Doornbos E. Thermospheric Density and Wind Determination from Satellite Dynamics. Book Ser.: Springer Theses. 2012. https://link.springer.com/book/10.1007/ 978-3-642-25129-0
  33. Golikov A.A., Filatyev A.S. Integrated optimization of trajectories and layout parameters of spacecraft with air-breathing electric propulsion // Acta Astronautica. 2022. V. 193. P. 644–652. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2021.06.052

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML
下载
2.

下载 (382KB)
索引源数据
3.

下载 (92KB)
索引源数据
4.

下载 (179KB)
索引源数据
5.

下载 (105KB)
索引源数据
6.

下载 (24KB)
索引源数据
7.

下载 (337KB)
索引源数据
8.

下载 (197KB)
索引源数据
9.

下载 (308KB)
索引源数据
10.

下载 (76KB)
索引源数据
11.

下载 (189KB)
索引源数据
12.

下载 (226KB)
索引源数据
13.

下载 (280KB)
索引源数据

版权所有 © А.С. Филатьев, О.В. Янова, 2023

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».