Оценка коэффициента аккомодации поверхности малого космического аппарата по результатам летных испытаний

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.

1. Баринова 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. Bird G. A. Molecular Gas Dynamics and the Direct Simulation of Gas Flows // Clarendon Press. Oxford, 1994.

6. Maxwell J. C. On stresses in rarified gases arising from inequalities of temperature // Journal The Royal Society. 1878. Vol. 27. P. 304—308.

7. 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.

8. Cercignani C., Lampis M. Kinetic models for gas-surface interactions // Journal Transport Theory and Statistical Physics. 1971. Vol. 1, iss. 2. P. 101—114.

9. Lord R. G. Some extensions to the Cercignani-Lampis gas-surface scattering kernel. // Journal Physics of Fluids. 1991. Vol. 3. P. 1427—1433.

10. Эльясберг П. Е. Прикладные задачи космической баллистики. М.: Наука, 1973. 144 с.

11. Мантуров А. И. Механика управления движением космических аппаратов. Самара: Изд-во Самарского государственного аэрокосмического университета, 2003. 63 с.

12. 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.

13. 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.

14. Сазонов В. В. Построение интерактивной геометрической модели внешней поверхности космического аппарата // Математическое моделирование. 2020. Т. 32, № 6. С. 37—52.

15. 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.

16. 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.

17. Белоконов И. В., Ломака И. А. К вопросу идентификации проектных параметров наноспутника // Космическая техника и технологии. 2022. Т. 38, № 3. С. 37—52.

18. 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.

19. Narkeliūnas J. А numerical approach to estimate the ballistic coefficient of space debris from TLE orbital data. NASA report ARC-E-DAA-TN29522. 2016.

20. 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.

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.