Spacecraft Transfer Optimization with Releasing the Additional Fuel Tank and the Booster to the Earth Atmosphere

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription or Fee Access

Abstract

This paper considers the idea of reducing the debris of near-Earth space by releasing the spent parts of a spacecraft on orbits touching the conditional boundary of the Earth’s atmosphere. We optimize the spacecraft transfer trajectory from a circular reference orbit of an artificial Earth satellite to a target elliptical orbit in a modified pulse problem statement. The convergence of Newton’s method is improved by introducing a series of auxiliary coordinate systems at each point of applying an impulse action. The derivatives in the transversality conditions are calculated using a special numerical-analytical differentiation technique.

About the authors

I. S Grigor'ev

Moscow State University

Email: iliagri@yandex.ru
Moscow, Russia

A. I Proskuryakov

Moscow State University

Author for correspondence.
Email: ap_91@mail.ru
Moscow, Russia

References

  1. Шустов Б.М., Рыхлова Л.В., Кулешов Ю.П. и др. Концепция системы противодействия космическим угрозам: астрономические аспекты // Астрономический вестник. 2013. Т. 47. № 4. С. 327-340.
  2. Kessler D., Cour-Palais B. Collision Frequency of Artificial Satellites: The Creation of a Debris Belt // J. Geophys. Res. 1978. V. 83. P. 2637-2646.
  3. Лаврентьев В.Г., Олейников И.И., Червонов А.М. Основные аспекты мониторинга техногенного состояния околоземного космического пространства для обеспечения безопасности космической деятельности // Механика, управление и информатика. 2015. Т. 7. № 1(54). C. 216-228.
  4. Логинов С.С., Назаров Ю.П., Юраш В.С., Яковлев М.В. Проектирование системы информационного мониторинга в целях предотвращения техногенного засорения околоземного космического пространства // Космонавтика и ракетостроение. 2014. № 4(77). C. 145-150.
  5. Бордовицына Т.В., Александрова А.Г., Чувашов И.Н. Численное моделирование динамики околоземных космических объектов искусственного происхождения с использованием параллельных вычислений // Вестн. Томск. гос. ун-та. 2011. № 4(16). C. 34-48.
  6. Трушкова Е.А., Матвеев Г.А. Оптимизация процесса обнаружения орбит новых космических объектов с помощью параллельного расчета возможных орбит // Программные продукты и системы. 2015. № 3. C. 80-87.
  7. Молотов И.Е., Воропаев В.А., Юдин А.Н. и др. Комплексы электронно-оптических средств для мониторинга околоземного космического пространства // Экологический вестн. науч. центров черномор. эконом. сотрудничества. 2017. № 4-2. C. 110-116.
  8. Космический мусор. Кн. 2. Предупреждение образования космического мусора / Под науч. ред. Райкунова Г.Г. М.: Физматлит, 2014.
  9. Juergen S., Bischof B., Foth W.-O., Gunter J.-J. ROGER a potential orbital space debris removal system [Electronic resource]. URL: http://adsabs.harvard.edu/abs/2010cosp.. 38.3935S (accessed 28.05.2022)
  10. Guang Zhai, Yue Qiu, Bin Liang, Cheng Li. On-orbit capture with flexible tether-net system // Acta Astronautica. 2009. No. 69, P. 613-623.
  11. Юдинцев В.В. Динамика захвата сетью вращающегося объекта - космического мусора // Вестн. моск. авиац. ин-та. 2018. Т. 25. № 4. С. 37-48.
  12. Савельев Б.И. Многоразовый космический аппарат-буксир для уборки космического мусора // Патент № 2510359. Российская Федерация. 2014. Бюллетень № 9.
  13. Dudziak R., Tuttle S., Barraclough S. Harpoon technology development for the active removal of space debris // Advances in Space Research. 2015. V. 56(3). P. 509-527.
  14. Асланов В.С., Алексеев А.В., Ледков А.С. Определение параметров оснащенной гарпуном тросовой системы для буксировки космического мусора // Тр. МАИ. 2016. № 90. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=74644
  15. Ледков А.С. Управление силой тяги при буксировке космического мусора на упругом тросе // Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2014. № 10. C. 383-397.
  16. Авдеев А.В., Башкин А.С., Каторгин Б.И., Парфеньев М.В. Анализ возможности очистки околоземного пространства от опасных фрагментов космического мусора с помощью космической лазерной установки на основе автономного непрерывного химического HF-лазера // Квантовая электроника. 2011. Т 41. № 7. С. 669-674.
  17. Авдеев А.В. К вопросу борьбы с космическим мусором с помощью лазерной космической установки на основе HF-НХЛ // Тр. МАИ. 2012. № 61. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=35496
  18. Аполлонов В.В. Уничтожение космического мусора и объектов естественного происхождения лазерным излучением // Квантовая электроника. 2013. Т. 43. № 9. C. 890-894.
  19. Phipps C., Baker K., Libby S., et al. Removing orbital debris with lasers // Advances in Space Research. 2012. V. 49(9). P. 1283-1300.
  20. Кузнецов И.И., Мухин И.Б., Снетков И.Л., Палашов О.В. Схемы орбитальных лазеров для удаления космического мусора // Космический мусор: фундаментальные и практические аспекты угрозы. Сер. "Механика, управление и информатика". Под редакцией Л.М. Зеленого, Б.М. Шустова. 2019. C. 199-206.
  21. Baranov A.A., Grishko D.A., Razoumny Y.N., Li Jun. Flyby of large-size space debris objects and their transition to the disposal orbits in LEO // Advances in Space Research. 2017. V. 59(12). P. 3011-3022.
  22. Баранов А.А., Гришко Д.А. Баллистические аспекты облета крупногабаритного космического мусора на низких околокруговых орбитах // Изв. РАН. Теория и системы управления. 2015. № 4. C. 143.
  23. Space debris mitigation guidelines. Inter-Agency Space Debris Coordination Committee. Revision 2. 2020.
  24. ГОСТ Р 52925-2018. Изделия космической техники. Общие требования к космическим средствам по ограничению техногенного засорения околоземного космического пространства. Введeн 2019-01-01. М.: Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии, 2018.
  25. Голиков А.Р., Баранов А.Р., Будянский А.А., Чернов Н.В. Выбор низковысотных орбит захоронения и перевод на них выработавших свой ресурс космических аппаратов // Вестн. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2015. № 4. C. 4-19.
  26. Булынин Ю.Л., Созонова И.Л. Анализ выполнения требований межагентского координационного комитета по предупреждению образования космического мусора // Вестн. Сиб. гос. аэрокосм. ун-та им. акад. М.Ф. Решетнева. 2013. № 6. С. 100-106.
  27. Коловский И.К., Подолякин В.Н., Шмаков Д.Н. Оценка возможности проведения маневра увода с рабочей орбиты космических аппаратов "Гонец-М" // Космонавтика и ракетостроение. 2018. № 2(101). C. 107-113.
  28. Вениаминов С.С., Червонов А.М. Космический мусор - угроза человечеству. М.: Изд-во ИКИ РАН, 2012.
  29. Зеленцов В.В. Очистка околоземного космического пространства от космического мусора // Аэрокосм. науч. журн. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2016. № 6. C. 1-14.
  30. Адушкин В.В., Вениаминов С.С., Козлов С.И. Как не допустить дальнейшего засорения околоземного космического пространства // Воздушно-космическая сфера. 2017. № 1(91). C. 96-103.
  31. Кириллов В.А., Багатеев И.Р., Тарлецкий И.С., Баландина Т.Н., Баландин Е.А. Анализ концепций очистки околоземного космического пространства // Сиб. журн. науки и технологий. 2017. Т. 18. № 2. C. 343-351.
  32. Клюшников В.Ю. Возможные направления реализации функций распределенного космического аппарата // Космонавтика и ракетостроение. 2014. № 2(75). C. 66-74.
  33. Шатров Я.Т., Баранов Д.А., Трушляков В.И., Куденцов В.Ю. Определение направлений разработки методов, технических решений и средств снижения техногенного воздействия на окружающую среду для реализации на борту космических средств выведения // Вестн. Самар. гос. аэрокосм. ун-та. 2011. № 1(25). С. 38-47.
  34. Афанасьева Т.И., Гридчина Т.А., Колюка Ю.Ф. Оценка возможных орбит увода для очищения области космического пространства на высотах 900-1500 км // Космонавтика и ракетостроение. 2014. № 1. C. 94-105.
  35. Григорьев И.С., Проскуряков А.И. Оптимизация целевой орбиты и траектории апсидального импульсного выведения космического аппарата на нее с учетом сброса отработавших ступеней в атмосферу // Инженер. журн.: наука и инновации. 2019. № 4(88). https://doi.org/10.18698/2308-6033-2019-4-1869
  36. Григорьев И.С., Проскуряков А.И. Импульсные перелеты космического аппарата со сбросом ступеней в атмосферу и фазовым ограничением (часть I) // Инженер. журн.: наука и инновации. 2019. № 9(93). https://doi.org/10.18698/2308-6033-2019-9-1917
  37. Григорьев И.С., Проскуряков А.И. Импульсные перелеты космического аппарата со сбросом ступеней в атмосферу и фазовым ограничением (часть II) // Инженер. журн.: наука и инновации. 2019. № 10(94). https://doi.org/10.18698/2308-6033-2019-9-1925
  38. Григорьев И.С., Григорьев К.Г. К проблеме решения в импульсной постановке задач оптимизации траекторий перелетов космического аппарата с реактивным двигателем большой тяги в произвольном гравитационном поле в вакууме // Космические исследования. 2002. № 40(1). C. 88-111.
  39. Дубошин Г.Н. Справочное руководство по небесной механике и астродинамике. М.: Наука, 1976.
  40. Гродзовский Г.Л., Иванов Ю.Н., Токарев В.В. Mеханика космического полета. Проблемы оптимизации. M.: Наука, 1975.
  41. Исаев В.К., Сонин В.В. Об одной модификации метода Ньютона численного решения краевых задач // Журн. вычисл. мат. и мат. физики. 1963. № 6(3). С. 1114-1116.
  42. Федоренко Р.П. Введение в вычислительную физику. М.: Изд-во Моск. физ.-техн. ин-та, 1994.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2023 The Russian Academy of Sciences