novtexmechМехатроника, автоматизация, управлениеMekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie1684-64272619-1253Commercial Publisher «New Technologies»10.17587/mau.27.383-392novtexmech-2057Research ArticleДИНАМИКА, БАЛЛИСТИКА, УПРАВЛЕНИЕ ДВИЖЕНИЕМ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВDYNAMICS, BALLISTICS AND CONTROL OF AIRCRAFTОценка коэффициента аккомодации поверхности малого космического аппарата по результатам летных испытанийAccommodation Coeffi cient Estimation of a Small Spacecraft Surface Based on Flight DataБелоконовИ. В.BelokonovI. V.

И. В. Белоконов, д-р техн. наук, проф.

Самара

Samara, 443086

ibelokonov@mail.ruЕлисовН. А.ElisovN. A.

Н. А. Елисов, канд. тех. наук, ст. науч. сотр.

Самара

Samara, 443086

mr07th@gmail.comЛомакаИ. А.LomakaI. A.

И. А. Ломака, канд. тех. наук, ст. науч. сотр.

Самара

Lomaka I. A., Cand. of Tech. Sc., Senior Researcher

Samara, 443086

igorlomaka63@gmail.comСамарский национальный исследовательский университет имени академика С. П. КоролеваРоссияSamara UniversityRussian Federation202620072026277383392Copyright © Commercial Publisher «New Technologies», 20262026Commercial Publisher «New Technologies»Commercial Publisher «New Technologies»https://mech.novtex.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://mech.novtex.ru/jour/article/view/2057

Предложен метод оценки коэффициента аккомодации поверхности малого космического аппарата (МКА) сложной формы, совершающего нестабилизированное угловое движение. Метод сочетает моделирование процесса взаимодействия свободномолекулярного потока с поверхностью МКА (вычислительный эксперимент) и анализ результатов изменения баллистических параметров (баллистический эксперимент). Вычислительный эксперимент заключается в определении зависимости коэффициента лобового сопротивления МКА от ориентации МКА при угловом движении. Для моделирования обтекания МКА свободномолекулярным потоком использован метод прямого моделирования Монте-Карло. При этом варьируется значение коэффициента аккомодации. Баллистический эксперимент выполняется в предположении известной модели плотности атмосферы и учитывает как угловое движение, так и движение центра масс. При этом определяется характер динамики вращения МКА и оценивается его усредненная площадь проекции. Обработка траекторной информации позволяет оценить баллистический коэффициент МКА и пересчитать его в коэффициент лобового сопротивления. На основе сравнения оценки коэффициента лобового сопротивления, полученной в результате вычислительного эксперимента, с результатами баллистического эксперимента подбирается коэффициент аккомодации, который играет роль коэффициента согласования. При оценке значений коэффициента лобового сопротивления в вычислительном эксперименте для нестабилизированного МКА используются значения усредненной площади проекции, что может привести к неоднозначности результатов. Метод иллюстрируется на примере МКА SamSat-Ion и МКА СамСат-Ионосфера Самарского университета, имеющих сложную геометрию. В приведенном примере угловое движение МКА имеет низкую чувствительность к аэродинамическим возмущениям из-за высоких значений собственного магнитного момента, поэтому привлекалась информация о движении центра масс. Предложенный метод требует наличия априорной информации об усредненной площади проекции МКА, поэтому угловое движение МКА должно соответствовать установившемуся режиму. Оценка коэффициента аккомодации по предложенному методу позволит более надежно оценивать значение коэффициента лобового сопротивления, а значит, впоследствии оценивать плотность атмосферы, опираясь уже на найденное значение коэффициента лобового сопротивления.

This paper proposes a method for estimation of surface accommodation coefficient for a small spacecraft with a complex shape. The method combines modeling of gas-surface interaction of a free molecular flow (computational experiment) and analyzing orbital motion (ballistic experiment). The computational experiment includes determining attitude dependence of the drag coefficient. Direct simulation Monte Carlo is used for aerodynamic calculations. The accommodation coefficient is varied. The ballistic experiment is performed under the assumption of a known atmospheric density model and considered both angular and orbital motion. Spacecraft attitude is determined and it’s averaged projection area is estimated. Processing trajectory information is used for estimation of the ballistic coefficient. Accommodation coefficient is the agreement factor and it is selected by comparing the drag coefficient estimated from the computational experiment with the results of the ballistic experiment. The averaged projection area is used for estimating the drag coefficient, which can lead to results ambiguity. The method illustrated for SamSat-Ion and SamSat-Ionosphere small spacecraft, which have complex geometry. However, the small spacecraft attitude has low sensitivity to aerodynamic disturbances due to large residual magnetic moment, so orbital motion information was used. The proposed method requires a priori information on the averaged projection area of the small spacecraft, so the angular motion of the small spacecraft should correspond to the steady-state mode. The proposed method may provide more reliable estimate of the drag coefficient. Further estimation of the atmospheric density can be made by the already determined drag coefficient.

малый космический аппаратсвободномолекулярный потокидентификацияалгоритмматематическая модельsmall spacecraftfree molecular flowidentificationalgorithmmathematical modelИсследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-72-30002, https://rscf.ru/project/23-72-30002/.This work was supported by the Russian Science Foundation (# 23-72-30002), https://rscf.ru/project/23-72-30002/.ReferencesБаринова Е. В., Белоконов И. В., Елисов Н. А., Крамлих А. В., Ломака И. А., Николаев П. Н., Тимбай И. А. Особенности динамики и некоторые вопросы управления угловым движением малоразмерных космических аппаратов нанокласса на низких орбитах // Гироскопия и навигация. 2023. № 3. С. 3—35.Barinova E. V., Belokonov I. V., Elisov N. A., Kramlih А. V., Lomaka I. А., Nikolaev P. N., Timbay I. A. Some Features of Dynamics and Attitude Control of Nanosatellites in Low Orbits, Gyroscopy and Navigation, 2023, vol. 14, no. 3, pp. 183—204.Bernstein V., Pilinski M. Drag Coefficient Constraints for Space Weather Observations in the Upper Thermosphere // Space Weather. 2022. Vol. 20, iss. 5. P. 1—28.Bernstein V., Pilinski M. Drag Coefficient Constraints for Space Weather Observations in the Upper Thermosphere, Space Weather, 2022, vol. 20, iss. 5, pp. 1—28.Pilinski M., Brian M. A., Scott E. P. Drag Coefficients of Satellites with Concave Geometries:Comparing Models and Observations // Journal of Spacecraft and Rockets. 2011. Vol. 48, iss. 2. P. 312—325.Pilinski M., Brian M. A., Scott E. P. Drag Coefficients of Satellites with Concave Geometries: Comparing Models and Observations, Journal of Spacecraft and Rockets, 2011, vol. 48, iss. 2, pp. 312—325.Sinpetru L. A., Crisp N. H., Mostaza-Prieto D., Livadiotti S., Roberts P. C. E. ADBSat: Methodology of a novel panel method tool for aerodynamic analysis of satellites // Computer Physics Communications. 2022. Vol. 275.Sinpetru L. A., Crisp N. H., Mostaza-Prieto D., Livadiotti S., Roberts P. C. E. ADBSat: Methodology of a novel panel method tool for aerodynamic analysis of satellites, Computer Physics Communications, 2022, vol. 275.Bird G. A. Molecular Gas Dynamics and the Direct Simulation of Gas Flows // Clarendon Press. Oxford, 1994.Bird G. A. Molecular Gas Dynamics and the Direct Simulation of Gas Flows, Oxford, Clarendon Press, 1994.Maxwell J. C. On stresses in rarified gases arising from inequalities of temperature // Journal The Royal Society. 1878. Vol. 27. P. 304—308.Maxwell J. C. On stresses in rarified gases arising from inequalities of temperature, Journal The Royal Society, 1878, vol. 27, pp. 304—308.Nocilla S. The surface re-emission law in free molecular flow. 1963 Proceedings of 3rd International Symposium on Rarefied Gas Dynamics. New York, USA, 1963. P. 327–346.Nocilla S. The surface re-emission law in free molecular flow, 1963 Proceedings of 3rd International Symposium on Rarefied Gas Dynamics, New York, USA, 1963, pp. 327—346.Cercignani C., Lampis M. Kinetic models for gas-surface interactions // Journal Transport Theory and Statistical Physics. 1971. Vol. 1, iss. 2. P. 101—114.Cercignani C., Lampis M. Kinetic models for gas-surface interactions, Journal Transport Theory and Statistical Physics, 1971, vol. 1, iss. 2, pp. 101—114.Lord R. G. Some extensions to the Cercignani-Lampis gas-surface scattering kernel. // Journal Physics of Fluids. 1991. Vol. 3. P. 1427—1433.Lord R. G. Some extensions to the Cercignani-Lampis gas-surface scattering kernel, Journal Physics of Fluids, 1991, vol. 3, pp. 1427—1433.Эльясберг П. Е. Прикладные задачи космической баллистики. М.: Наука, 1973. 144 с.El’yasberg P. E. Applied problems of space ballistics, Moscow, Nauka, 1973, 144 p. (in Russian).Мантуров А. И. Механика управления движением космических аппаратов. Самара: Изд-во Самарского государственного аэрокосмического университета, 2003. 63 с.Manturov А. I. Mechanics of spacecraft motion control. Samara state aerospace university, Samara, 2003, 63 p. (in Russian).Picone J. M., Hedin A. E., Drob D. P., Aikin A. C. NRLMSISE-00 empirical model of the atmosphere: Statistical comparisons and scientific issues // Journal of Geophysical Research: Space Physics. 2002. Vol. 107, iss. A12. P. 1—16.Picone J. M., Hedin A. E., Drob D. P., Aikin A. C. NRLMSISE-00 empirical model of the atmosphere: Statistical comparisons and scientific issues, Journal of Geophysical Research: Space Physics, 2002, vol. 107, iss. A12, pp 1—16.Абрашкин В. И., Воронов К. Е., Пияков А. В., Пузин Ю. Я., Сазонов В. В., Семкин Н. Д., Филиппов А. С., Чебуков С. Ю. Определение вращательного движения спутника Аист по данным бортовых измерений магнитного поля Земли // Препринты ИПМ им. М. В. Келдыша. 2014. № 17. С. 1—38.Abrashkin V. I., Puzin Y. Y., Filippov A. S., Voronov K. E., Dorofeev A. S., Piyakov A. V., Semkin N. D., Sazonov V. V., Chebukov S. Y. Detection of the rotational motion of the aist-2d small spacecraft by magnetic measurements, Cosmic Research, 2019, vol. 57, no. 1, pp. 48—60.Сазонов В. В. Построение интерактивной геометрической модели внешней поверхности космического аппарата // Математическое моделирование. 2020. Т. 32, № 6. С. 37—52.Sazonov V. V. Construction of an Interactive Geometric Model of a Spacecraft’s Outer Surface, Mathematical Models and Computer Simulations, 2021, vol. 13, pp. 116—125.Mehta P. M., Walker A., Mclaughlin C. Comparing Physical Drag Coefficients Computed Using Different Gas Surface Interaction Models // Journal of Spacecraft and Rockets. 2014. Vol. 51, iss. 3. P. 873—883.Mehta P. M., Walker A., Mclaughlin C. Comparing Physical Drag Coefficients Computed Using Different Gas Surface Interaction Models, Journal of Spacecraft and Rockets, 2014, vol. 51, iss. 3, pp. 873—883.Белоконов И. В., Ломака И. А. Послеполетное восстановление вращательного движения малого космического аппарата по информации солнечного датчика // Известия Российской академии наук. Теория и системы управления. 2023. № 2. С. 73—84.Belokonov I. V., Lomaka I. A. Postflight Recovery of the Rotational Motion of a Small Space Vehicle from Solar Sensor Information, Journal of Computer and Systems Sciences International, 2023, vol. 62, iss. 2, pp. 214—224.Белоконов И. В., Ломака И. А. К вопросу идентификации проектных параметров наноспутника // Космическая техника и технологии. 2022. Т. 38, № 3. С. 37—52.Belokonov I. V., Lomaka I. A. On the issue of identification of design parameters of a nanosatellite, Space technique and technologies, 2022. vol. 38, no. 3 pp. 37—52 (in Russian).Белоконов И. В., Крамлих А. В., Ломака И. А., Николаев П. Н. Восстановление углового движения космического аппарата по данным о токосъеме с панелей солнечных батарей // Известия РАН. Теория и системы управления. 2019. № 2. С. 133—144.Belokonov I. V., Kramlikh А. V., Lomaka I. A., Nikolaev P. N. Reconstruction of a Spacecraft’s Attitude Motion Using the Data on the Current Collected from Solar Panels, Journal of Computer and Systems Sciences International, 2019, vol. 58, iss. 2, pp. 286—296.Narkeliūnas J. А numerical approach to estimate the ballistic coefficient of space debris from TLE orbital data. NASA report ARC-E-DAA-TN29522. 2016.Narkeliūnas J. А numerical approach to estimate the ballistic coefficient of space debris from TLE orbital data, NASA report ARC-E-DAA-TN29522, 2016.Sun Y. Wang B., Meng X. et al. Analysis of Orbital Atmospheric Density from QQ-satellite Precision Orbits Based on GNSS Observations // Remote Sensing. 2022. Vol. 14. P. 1—21.Sun Y. Wang B., Meng X. et al. Analysis of Orbital Atmospheric Density from QQ-satellite Precision Orbits Based on GNSS Observations, Remote Sensing, 2022, vol. 14, pp. 1—21.Romanazzo M., Steiger C., Tran Viet., Emanuelli P., Floberghagen R., Fehringer M. Low Orbit Operations of ESA’s Gravity Mission GOCE. 2013 Proceedings of 5th European Conference for Aeronautics and Space Sciences (EUCASS). Munich, Germany, 2013. P. 1—14.Romanazzo M., Steiger C., Tran Viet., Emanuelli P., Floberghagen R., Fehringer M. Low Orbit Operations of ESA’s Gravity Mission GOCE, 2013 Proceedings of 5th European Conference for Aeronautics and Space Sciences (EUCASS), Munich, Germany, 2013. pp. 1—14.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.