¿Qué es Dinámica de actitud de la nave espacial?

Rama de la dinámica aeroespacial que estudia el movimiento de actitud de una nave espacial, incluido el movimiento de la nave espacial en su conjunto alrededor de su centro de masa y el movimiento relativo entre varias partes de la nave espacial. El diseño estructural de la nave espacial y el diseño del sistema de control de actitud se basan en el estudio de la dinámica de actitud.

Descripción general del desarrollo

La dinámica de actitud de las naves espaciales se desarrolla a partir de la teoría de la mecánica celeste sobre la precesión y nutación del movimiento del eje de rotación de la tierra y la teoría del movimiento de equilibrio de la luna moviéndose alrededor de su centro de masa.

La primera nave espacial tenía una estructura relativamente simple y fue tratada como un cuerpo rígido en la investigación dinámica. Sin embargo, el satélite estadounidense "Explorer" 1 mostró un movimiento de balanceo inesperado durante su vuelo. Un análisis posterior mostró que el problema era el movimiento de partes móviles dentro del satélite.

Siempre que se abandone la hipótesis de un cuerpo rígido ideal y se sustituya por un cuerpo cuasi-rígido, es decir, un modelo de cuerpo rígido aproximado con disipación de energía en su interior, se puede explicar el fenómeno observado. La investigación adicional deriva los criterios de diseño para la estabilidad de movimiento de los satélites de giro y los satélites de giro dual.

A mediados de la década de 1960, el estudio sobre la vibración termoelástica de la varilla estirable de paredes delgadas del satélite estabilizado por gradiente de gravedad bajo la luz solar, y el análisis de la estabilidad del satélite giratorio con antena flexible, mostró que la vibración flexible no es solo una interferencia del control de actitud, pero es parte de las características del objeto controlado.

El método de coordenadas híbridas que apareció a principios de la década de 1970 proporcionó una herramienta conveniente para el diseño del sistema de control y el diseño estructural en este sentido. También se ha prestado atención a la dinámica de los sistemas de cuerpos múltiples rígidos y los sistemas de mezcla de cuerpos rígidos y líquidos.

A fines de la década de 1970, la dinámica de actitud de las naves espaciales con cuerpos rígidos como cuerpo principal se había resuelto básicamente. Desde la aparición del transbordador espacial, desde finales de la década de 1970, la dinámica de las grandes naves espaciales flexibles se ha convertido gradualmente en el principal tema de investigación de esta disciplina.

El método de investigación suele ser primero hacer suposiciones simplificadas sobre la nave espacial y su entorno y establecer un modelo dinámico. Luego, de acuerdo con los principios de la mecánica, se enumera la ecuación diferencial que describe el movimiento de la postura, es decir, el modelo matemático.

Finalmente, se utilizan métodos de análisis o simulaciones por computadora para estudiar las propiedades de las soluciones de las ecuaciones de movimiento, y de ellas se pueden extraer conclusiones significativas.

Los modelos de naves espaciales comúnmente utilizados incluyen cuerpo rígido, cuerpo cuasi-rígido, cuerpo elástico, cuerpo multirrígido, sistema de mezcla cuerpo rígido-cuerpo elástico, sistema de mezcla cuerpo-líquido rígido, etc. Las fuerzas ambientales que actúan sobre la nave espacial están relacionadas con la órbita de la nave espacial.

Las principales fuerzas ambientales experimentadas por los satélites terrestres artificiales son la fuerza aerodinámica, la fuerza del gradiente de gravedad, el par del campo geomagnético y el par de presión de la radiación solar. Aunque sus valores son muy pequeños, su acción a largo plazo también tendrá un impacto importante en el movimiento de actitud de la nave espacial.

Además, los chorros de gas, los volantes, las antenas, las alas de la batería solar, el propulsor líquido en los tanques de almacenamiento, y los astronautas y otros objetos en movimiento internos actúan sobre el cuerpo de la nave espacial como torque interno. Algunos pares internos, como el par de inyección producido por los motores a reacción con control de actitud, a menudo se tratan como pares externos.

Los parámetros que describen el movimiento de un cuerpo rígido a menudo utilizan ángulos de Euler o los cuatro elementos de Euler. Se pueden usar parámetros concentrados o parámetros distribuidos para describir el movimiento relativo de cada parte.

Las ecuaciones de movimiento son ecuaciones diferenciales ordinarias o ecuaciones diferenciales parciales, según el modelo seleccionado. Las ecuaciones de movimiento se pueden dividir en dos categorías: ecuaciones cinemáticas y ecuaciones dinámicas.

Para el modelo de cuerpo cuasi-rígido, un método de análisis aproximado se usa comúnmente en ingeniería método de convergencia de energía. A menudo se utiliza para el análisis de estabilidad de satélites de espín y de doble espín. Para las naves espaciales flexibles, la ecuación de movimiento es a menudo un sistema de ecuaciones diferenciales ordinarias con dimensiones muy altas o una combinación de las mismas y ecuaciones diferenciales parciales.

Para analizar, diseñar y simular, las ecuaciones de movimiento deben simplificarse. Si el movimiento relativo entre las diversas partes de la nave espacial es pequeño y la amortiguación estructural también es pequeña, se puede utilizar el método de coordenadas de modo en la teoría de vibración elástica.

Para el modelo de nave espacial con cuerpo rígido como cuerpo principal y accesorios flexibles, se puede utilizar el método de combinar los parámetros de movimiento del cuerpo rígido y las coordenadas de modo, es decir, el método de coordenadas mixtas.

Los temas de investigación de dinámica de actitudes estudian los siguientes temas.

Problema de estabilidad degiro "El problema de estabilidad de los satélites de giro (ver Estabilidad de giro de satélites artificiales) es uno de los primeros temas de investigación. Si la nave espacial es un cuerpo rígido ideal, entonces su movimiento de giro alrededor del eje principal de máxima inercia o eje principal de mínima inercia es estable, es decir, la pequeña nutación no aumentará.

Si hay disipación de energía dentro de la nave espacial, solo el movimiento de rotación alrededor del eje principal de máxima inercia es estable, este es el conocido principio del eje máximo. Además de la estabilidad, los temas de investigación incluyen la precesión y nutación del eje de giro bajo la acción de un par externo y varios métodos de amortiguación dinámica.

El problema de la estabilidad de doble giro Para los satélites de doble giro, el giro alrededor del eje principal de inercia máxima no siempre es estable; y el giro alrededor del eje principal de inercia mínima también puede ser estable, siempre que la tasa de disipación de energía en la plataforma La relación entre la tasa de disipación y el rotor es mayor que un cierto valor. Este principio aporta flexibilidad al diseño estructural del satélite de doble giro, haciéndolo más adaptable a las limitaciones de tamaño estructural del vehículo de lanzamiento.

Los temas de investigación relacionados incluyen la estimación de la tasa de disipación de energía del rotor y el plano, el método de amortiguación de la nutación, la oscilación cónica cuando el eje de giro es inconsistente con el eje principal de inercia, el movimiento de ángulo grande y la dinámica del proceso de desrotación.

El problema del cuerpo del giróscopo “El cuerpo del giróscopo se refiere a un cuerpo rígido con un rotor simétrico de rotación de alta velocidad montado con un eje fijo. Un satélite de doble giro es un giroscopio y su rotor es la parte principal del satélite.

Una nave espacial estabilizada de tres ejes con una rueda de impulso (ver control de actitud de tres ejes de la nave espacial) también es un cuerpo de giroscopio. Dado que el rotor de la rueda de impulso es aproximadamente un cuerpo rígido, el movimiento de nutación de este cuerpo de giro es siempre estable. Las naves espaciales estabilizadas de tres ejes generalmente adoptan un control de actitud activo.

Los giroscopios a veces tienen problemas dinámicos especiales, por ejemplo, la aceleración de un rotor en un satélite en rotación que es perpendicular al eje de rotación del satélite puede hacer girar la estrella y cambiar la actitud del satélite.

Problema de estabilidad del gradiente de gravedad”La flexibilidad, la deformación térmica y la vibración térmica de la varilla de gravedad en el satélite (ver Estabilidad del gradiente de gravedad) también pueden causar serios problemas dinámicos.

Para los satélites giroscópicos con gradientes de gravedad estables, la diferencia en la magnitud y la dirección del momento angular del rotor interno conducirá a varios estados de equilibrio posibles. La estabilidad de estos estados de equilibrio es un tema de investigación teórica.

El problema de las naves espaciales con accesorios flexibles Para una nave espacial estabilizada de tres ejes con accesorios flexibles, generalmente se hace un modelo simplificado utilizando el método de coordenadas híbridas para el análisis y diseño del sistema de control. Para una nave espacial con giro estabilizado con una antena flexible, se puede utilizar el método de Lyapunov para probar la existencia de la antena flexible, que puede reducir la reserva estable.

El problema de las naves espaciales con cavidades líquidas: Para naves espaciales estabilizadas por giro con cavidades líquidas, el líquido en el interior del cuerpo reduce el almacenamiento de la estabilidad convencional relacionada con la disipación de energía.

En condiciones normales de inestabilidad, también puede hacer que el líquido resuene con la nutación, lo que lleva a una inestabilidad dinámica más severa. Para este tipo de naves espaciales, además de las cuestiones de estabilidad, existen estudios teóricos y experimentales sobre la tasa de disipación de energía de los líquidos, y estudios sobre procesos de estado transitorio de líquidos.

Para la nave espacial estable de tres ejes con cavidad líquida, se trata principalmente de establecer un modelo matemático del movimiento del líquido bajo una fuerza física muy pequeña y estudiar la interacción entre el líquido y el sistema de control.

El problema delas naves espaciales grandes y flexibles. Las naves espaciales grandes y flexibles no tienen un cuerpo rígido como las naves espaciales con accesorios flexibles.

Por lo tanto, la banda de frecuencia de su sistema de control debe cubrir un mayor número de modos de vibración. Por lo general, los métodos de mecánica estructural (como el método de elementos finitos) establecer un modelo matemático y luego utilizar el método de coordenadas de modo para simplificarlo.

El estudio de varios criterios y métodos de simplificación de modelos para proporcionar varios modelos matemáticos con un cierto grado de fidelidad, adecuados para el análisis y el diseño, la simulación digital y el cálculo en naves espaciales, es el principal tema de la dinámica a este respecto.

Problema de dinámica de actitud de reentrada

Las fuerzas externas que recibe la nave durante el proceso de reentrada son la gravedad y las fuerzas aerodinámicas. La base de la dinámica de actitud de reentrada es la aerodinámica. Las naves espaciales generalmente requieren ángulos estables de ataque y deslizamiento lateral cuando vuelven a entrar en la atmósfera.

En la reentrada inicial, la amplitud de oscilación del ángulo de ataque real en relación con su valor medio (ángulo de ataque de corte) disminuye gradualmente. A medida que la altitud disminuye, la amplitud del ángulo de ataque puede continuar aumentando y, a veces, volver a disminuir. La amplitud del ángulo de oscilación de ataque está controlada por el sistema de control de actitud. La dinámica de actitud durante la reentrada y la dinámica orbital están estrechamente relacionadas.

Algunas naves espaciales de reentrada balística (ver tecnología de retorno de naves espaciales) giran alrededor del eje longitudinal durante el proceso de reentrada, lo que puede reducir la influencia de la sustentación generada por el ángulo de ataque de compensación en la órbita y reducir la dispersión de los puntos de aterrizaje.

La nave espacial de tipo retorno con sustentación está diseñada para tener un ángulo de ataque de compensación más grande para obtener una cierta sustentación, y al mismo tiempo controlar el movimiento de actitud alrededor del eje longitudinal para ajustar la dirección de la sustentación en el espacio inercial para lograr el propósito de ajustar la órbita de retorno.