Законы Кеплера. В.В. Волоцуев, И.С. Ткаченко Введение в проектирование космическ. В. В. Волоцуев, И. С. Ткаченко
 Скачать 6.51 Mb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «САМАРСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ АКАДЕМИКА С.П. КОРОЛЕВА» (САМАРСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ) В.В. ВОЛОЦУЕВ, И.С. ТКАЧЕНКО ВВЕДЕНИЕ В ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ Рекомендовано редакционно-издательским советом федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева» в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по программам высшего образования по специальности 24.05.01 Проектирование, производство и эксплуатация ракет и ракетно- космических комплексов и по направлению подготовки 24.03.01 Ракетные комплексы и космонавтика С А М А Р А Издательство Самарского университета 2018 2 УДК 629.78 (075) ББК 39.62 В 685 Рецензенты: д-р техн. наук, проф. А. В. Б о л д ы р е в, канд. техн. наук М. В. Б о р и с о в Волоцуев, Владимир Валериевич В 685 Введение в проектирование космических аппаратов: учеб. пособие / В.В. Волоцуев, И.С. Ткаченко. – Самара: Изд-во Самарского университета, 2018. – 144 с.: ил. ISBN 978-5-7883-1316-0 В данном учебном пособии описываются важные аспекты про- цесса проектирования космических аппаратов: введение в механику космического полёта; области использования космического про- странства; введение в основы устройства; частные примеры расчета проектных характеристик. Учебное пособие предназначено для студентов начальных кур- сов в рамках дисциплины «Введение в ракетно-космическую техни- ку» по направлению подготовки 24.03.01 Ракетные комплексы и космонавтика и специальности 24.05.01 Проектирование, производ- ство и эксплуатация ракет и ракетно-космических комплексов. Подготовлено на кафедре космического машиностроения Са- марского университета. УДК 629.78 (075) ББК 39.62 ISBN 978-5-7883-1316-0 © Самарский университет, 2018 3 ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие ........................................................................................... 6 Введение .................................................................................................. 7 1 Введение в механику движения космических тел ........................ 8 1.1 Закон всемирного тяготения ..................................................... 8 1.2 Законы Кеплера .......................................................................... 9 1.2.1 Первый закон Кеплера ...................................................... 9 1.2.2 Второй закон Кеплера ..................................................... 11 1.2.3 Третий закон Кеплера ...................................................... 12 1.3 Модель движения искусственного спутника Земли в плоскости орбиты ....................................................................... 13 1.3.1 Интеграл энергии и первая космическая скорость ....... 13 1.3.2 Преобразование орбиты искусственного спутника Земли из круговой в эллиптическую ...................................... 14 1.3.3 Преобразование орбиты искусственного спутника Земли из эллиптической в высокую круговую ..................... 16 1.3.4 Пример преобразования орбиты искусственного спутника Земли в одной плоскости ......................................... 18 1.4 Модель движения искусственного спутника Земли в трёхмерном космическом пространстве ................................... 20 1.4.1 Параметры орбиты искусственного спутника Земли в трёхмерном космическом пространстве .................. 20 1.4.2 Изменение угла наклонения плоскости орбиты искусственного спутника Земли .............................................. 22 1.4.3 Пример перелёта искусственного спутника Земли с низкой круговой орбиты на высокую круговую орбиту с поворотом плоскости орбиты ............................................... 24 1.4.4 Трассы полёта искусственных спутников Земли .......... 26 2 Использование космических аппаратов в научных и народно-хозяйственных целях ....................................................... 30 2.1 Понятие космический аппарат ............................................... 30 2.2 Задачи исследования Земли с помощью автоматических космических аппаратов ................................................................. 31 2.2.1 Орбиты для автоматических космических аппаратов исследования Земли .................................................................. 32 4 2.2.2 Описание исследовательских задач и примеры их реализации ............................................................................ 33 2.3 Задачи исследования космоса с помощью автоматических космических аппаратов ................................................................. 37 2.3.1 Задачи исследования «дальнего» космоса ..................... 37 2.3.2 Задачи исследования Солнечной системы .................... 41 2.4 Научные эксперименты в околоземном космическом пространстве ................................................................................... 47 2.5 Дистанционное зондирование Земли с помощью автоматических космических аппаратов в народно- хозяйственных целях ..................................................................... 49 2.5.1 Качества космической информации наблюдения земной поверхности .................................................................. 50 2.5.2 Примеры реализации космических аппаратов дистанционного зондирования Земли ..................................... 54 2.6 Обеспечение коммуникаций с помощью автоматических космических аппаратов ................................................................. 56 2.6.1 Обеспечение ретрансляции радиосигналов в космическом пространстве ................................................... 57 2.6.2 Спутниковая навигация ................................................... 60 2.7 Решение транспортной задачи в космическом пространстве ................................................................................... 64 2.7.1 Транспортные космические аппараты в пилотируемой космонавтике ................................................ 65 2.7.2 Космические разгонные блоки для транспортиро- вания автоматических космических аппаратов ..................... 69 3 Введение в основы устройства космических аппаратов .............................................................................................. 71 3.1 Целевое оборудование автоматических космических аппаратов ........................................................................................ 71 3.1.1 Оптико-электронные телескопические комплексы ...... 71 3.1.2 Радиометрические комплексы ........................................ 74 3.1.3 Датчики физических полей и регистраторы частиц ..... 78 3.1.4 Радиопередающее и коммутационное оборудование ... 79 3.2 Оборудование для обеспечения управления движением центра масс космического аппарата ............................................ 81 3.2.1 Навигационное оборудование космического аппарата 81 3.2.2 Исполнительные органы управления движением центра масс космического аппарата ....................................... 83 5 3.3 Оборудование для обеспечения управления движением относительно центра масс космического аппарата .................... 85 3.3.1 Оборудование для измерения углового положения космического аппарата ............................................................. 86 3.3.2 Исполнительные органы для управления движением относительно центра масс космического аппарата ............... 88 3.4 Оборудование для обеспечения электроэнергией бортовых приборов космического аппарата ............................... 96 3.4.1 Химические источники электроэнергии ........................ 97 3.4.2 Солнечные источники электроэнергии........................ 101 3.4.3 Ядерные источники электроэнергии ............................ 106 3.4.4 Бортовая электрическая сеть ........................................ 110 3.5 Оборудование для обеспечения теплового режима на борту космического аппарата ................................................ 110 3.5.1 Потоки тепловой энергии в космическом пространстве............................................................................ 111 3.5.2 Создание тепловых условий для оборудования космического аппарата ........................................................... 115 3.6 Оборудование для обеспечения информационного управления на борту космического аппарата............................ 118 3.7 Конструкция космического аппарата .................................. 120 4 Примеры частных задач расчета проектных характеристик космических аппаратов .................................................................... 124 4.1 Расчет массы рабочего тела для реактивного двигателя разгонного блока .......................................................................... 124 4.2 Расчет массогабаритных проектных характеристик телескопического комплекса космического аппарата по статистическим моделям ........................................................ 127 4.3 Расчет длины гравитационной штанги для малого космического аппарата ................................................................ 129 4.4 Расчет площади солнечных батарей и ёмкости аккумуляторных батарей солнечной энергоустановки космического аппарата ................................................................ 134 4.5 Расчет площади радиационного теплообменника космического аппарата ................................................................ 137 Заключение ......................................................................................... 142 Список использованных источников ............................................ 143 6 ПРЕДИСЛОВИЕ Настоящее учебное пособие является второй частью учебно- методического комплекса, посвященного вводным основам проекти- рования, конструирования и производства ракетно-космической тех- ники. В учебном пособии внимание уделяется процессу проектиро- вания космических аппаратов. Учебное пособие предназначено для обучающихся на первом курсе студентов по специальности 24.05.01 «Проектирование, произ- водство и эксплуатация ракет и ракетно-космических комплексов» и бакалавров по направлению 24.03.01 «Ракетные комплексы и космо- навтика». При рассмотрении материала настоящего учебного пособия предполагается, что читатель обладает знаниями математики и физи- ки и ряда естественных наук в объеме средней школы. Целью данного учебного пособия является подготовка студен- тов первого курса к успешному освоению общеинженерных и специ- альных дисциплин старших курсов. Более подробные знания в области проектирования космиче- ских аппаратов могут быть получены студентами из накопленной учебно-методической литературы библиотеки кафедры космического машиностроения, в создание которой внесли свой вклад сотрудники кафедры (Козлов Д.И., Соллогуб А.В., Аншаков Г.П., Кириллин А.Н., Салмин В.В., Куренков В.И., Ткаченко С.И., Старинова О.Л. и др.). Отдельно авторы выражают благодарность рецензентам – док- тору технических наук, профессору кафедры конструкции и проек- тирования летательных аппаратов Самарского университета А. В. Болдырев и кандидату технических наук, врио заместителя ге- нерального конструктора по научной работе АО «РКЦ «Прогресс» М. В. Борисов за ценные замечания и рекомендации, которые были учтены при подготовке рукописи учебного пособия к изданию. 7 ВВЕДЕНИЕ Продолжением развития ракетной техники (ракет космическо- го назначения) стало развитие космической техники. Началом кос- мической эры можно условно считать 4 октября 1957 года, когда на межконтинентальной баллистической ракете «Р-7» в качестве полез- ной нагрузки разместили первый искусственный спутник Земли «Спутник-1» и запустили вокруг земного шара. В дальнейшие годы начала развиваться целая отрасль про- мышленности, связанная с созданием и эксплуатацией техники, дви- жущейся в космическом пространстве. Одновременно развивались и накапливались научно-технические инженерные знания о способах создания различной космической техники. В целом процесс создания космических технических объектов, аналогично процессу создания ракет, включает в себя такие этапы как проектирование, конструирование и производство. Задачи произ- водства ракетной техники и космической техники имеют много об- щего между собой: детали создаются на одинаковом оборудовании, используются схожие способы соединения деталей и способы сборки изделия в целом. Задачи конструирования ракетной и космической техники также схожи. Проектирование ракетной и космической техники имеет раз- личия по многим аспектам, среди которых: различные способы дви- жения проектируемых объектов; различная внешняя окружающая среда; различные источники энергии; различные алгоритмы поведе- ния и др. Соответственно, процесс проектирования космической тех- ники, выделяется в отдельную область со своей методологией от об- ласти проектирования ракет. В настоящем учебном пособии описываются важные аспекты проектирования космических аппаратов с целью создания общего представления о данном процессе у студентов начальных курсов, обучающихся по указанным специальностям. 8 1 ВВЕДЕНИЕ В МЕХАНИКУ ДВИЖЕНИЯ КОСМИЧЕСКИХ ТЕЛ Для создания искусственных тел, предназначенных для «полё- тов» (движения) в космическом пространстве, в первую очередь, следует познакомиться с фундаментальными законами движения естественных природных космических тел, таких как планеты, спут- ники, астероиды, кометы и т.п. 1.1 Закон всемирного тяготения В XVII веке был сформулирован закон физики, характеризую- щий силы притяжения тел в космическом пространстве. Формули- ровка этого закона для двух тел следующая: сила, с которой притяги- ваются два тела в инерциальном пространстве с массами 1 M и 2 m пропорциональна произведению этих масс и обратно пропорцио- нальна квадрату расстояния r между ними (см. рис. 1.1): 2 2 1 r m M f F , (1.1) где 11 10 67 , 6 f м 3 /кг·с 2 – коэффициент пропорциональности (грави- тационная постоянная). Рис. 1.1. К определению всемирного закона тяготения 9 Тело с большей массой можно условно считать центром при- тяжения (притягивающим центром). Тело с меньшей массой мож- но условно считать спутником, движущимся относительно притяги- вающего центра под действием силы всемирного тяготения (грави- тации). Пусть в нашем случае 2 1 m M , тогда параметр 1 M f назовем гравитационной постоянной притягивающего центра. Выра- жение (1.1) запишется в виде: 2 2 r m F , (1.2) К примеру, если притягивающим центром является Земля, то 5 10 986 , 3 З км 3 /с 2 , если притягивающим центром является Солнце, то 20 10 32 , 1 Солн м 3 /с 2 1.2 Законы Кеплера 1.2.1 Первый закон Кеплера Траектория тела (спутника), движущегося относительно при- тягивающего центра (в центральном поле тяготения), имеет форму эллипса, в одном из фокусов которого находится притягивающий центр [1]. Указанный эллипс также иначе называют орбитой космиче- ского тела (спутника). Рис. 1.2. Траектория движения спутника в центральном поле тяготения 10 Из рисунка 1.2 видно, что положение спутника на орбите пла- неты характеризуется следующими параметрами: r – радиус-вектор, направленный из притягивающего центра (к примеру, из центра Земли) в центр масс движущегося тела (спутни- ка); – «пери» ( греч. ) точка орбиты спутника, самая близкая к при- тягивающему центру (для Земли – точка перигея орбиты); – «апо» ( греч. ) точка орбиты спутника, самая далекая от при- тягивающего центра (для Земли – точка апогея орбиты); 1 f , 2 f – фокусы эллипса; a – большая полуось орбиты; b – малая полуось орбиты; c – расстояние между фокусом и центром эллипса (сжатие орбиты); – угол истиной аномалии, т.е. угол между направлением на «пери»-точку и радиусвектором текущего положения спутника на орбите (от 0 до 360 град.); r – радиус-вектор «пери»-точки орбиты спутника; r – радиус-вектор «апо»-точки орбиты спутника; e – эксцентриситет орбиты (отношение расстояния между центром эллипса и его фокусом к большой полуоси, a c e ). Также введем дополнительные функциональные зависимости: 2 r r a ; (1.3) H R r З ; (1.4) где З R – радиус притягивающего центра (для Земли – средний радиус планеты 6371 З R км); H – высота «пери»-точки орбиты спутника; H R r З ; (1.5) где H – высота апогея орбиты спутника; r r r r e ; (1.6) r r r r p 2 ; (1.7) где p – фокальный параметр эллипса (орбиты). 11 Удобнее пользоваться уравнением эллиптической орбиты в полярных координатах: cos 1 e p r ; (1.8) В точках «пери» и «апо» углы равны соответственно 0 и 180 градусов. Подставляя эти углы в последнее выражение (1.8) можно получить: e p r 1 , e p r 1 (1.9) |