Моделирование пространственного движения космической тросовой системы с надувным баллоном, предназначенной для доставки груза на орбиту

Abstract

Рассматривается схема вывода груза с низкой околоземной орбиту на более высокую с помощью переводимой во вращение радиально ориентированной космической тросовой системы. Предполагается, что до момента стыковки космическая тросовая система находится в радиальном положении. С помощью легкой ракеты на низкую орбиту выводится груз, который пристыковывается к нижнему концу троса. После этого на стыковочном модуле надувается баллон, и тросовая система переводится во вращение за счет действия аэродинамической силы сопротивления. Целью работы является разработка математической модели, описывающей пространственное движение космической тросовой системы с надувным баллоном, и исследование влияния положения центра масс баллона на колебания системы. С помощью уравнений Лагранжа второго рода была разработана математическая модель. Результаты моделирования движения тросовой системы со сферическим надувным баллоном показали, что предлагаемая схема позволяет осуществить вывод груза на более высокую орбиту. Положение центра масс сферического баллона оказывает заметное влияние на колебания системы. Наиболее предпочтительной является компоновка, при которой центр масс баллона находится ниже его геометрического центра. The scheme of raising payload from a low Earth orbit to a higher one using a space tether system, which translates into rotation, is considered. It is assumed that initially the space tether system is in a stable radial position. The payload is launched into a low orbit by a light rocket, where it is docked to a special module at the lower tether end. After docking, a balloon, which envelops the payload, is inflated by the module, and the tether system is put into rotation due to the action of aerodynamic drag. The aim of the work is to develop a mathematical model that describes the spatial motion of the space tether system with the inflated balloon and to analyze the influence of the balloon’s center of mass position on the oscillations of the system. The mathematical model was developed using Lagrange formalism. The results of numerical simulation of the system motion with a spherical balloon showed that the considered scheme of payload lifting can be implemented. The position of the balloon center of mass significantly affects its oscillations. The most preferred situation is when the center of mass is below the geometric center of the balloon.