Dynamiczne interakcje między satelitami podczas finalnej fazy manewru spotkania orbitalnego

Nazwa projektu: Dynamic interaction between satellites during final phase of the rendezvous maneuver (Dynamiczne interakcje między satelitami podczas finalnej fazy manewru spotkania orbitalnego)

Odbiorca: ASTRIUM Space Transportation (Bremen)

Kierownik projektu: K. Seweryn

Uczestnicy projektu: T. Rybus (CBK),

 

W ostatnich latach coraz poważniej rozważa się możliwość przeprowadzania bezzałogowych misji serwisowych, dzięki którym można by naprawiać znajdujące się na orbicie satelity. Mimo zwiększenia niezawodności urządzeń oraz opanowania rynku komercyjnych satelitów przez duże wyspecjalizowane firmy, które powszechnie stosują standaryzowane elementy, awarie wynoszonych satelitów nadal się zdarzają. Wystąpienie poważnych uszkodzeń systemów w trakcie pracy (np. niesprawność układu kontroli orientacji) powoduje znaczące skrócenie czasu życia satelity. Zdarza się również, że awaria następuje od razu po wyniesieniu obiektu na orbitę (np. nieotwarcie się paneli z bateriami słonecznymi) albo niesprawność rakiety nośnej pozostawia satelitę na nieprawidłowej (zbyt niskiej) orbicie. Wówczas satelita w ogóle nie może rozpocząć normalnej pracy. Dlatego też operatorzy satelitów sprawdzają czy serwisowanie (naprawianie) uszkodzonych satelitów mogłoby być ekonomicznie opłacalne, zaś przemysł kosmiczny oraz instytuty naukowe analizują techniczne możliwości przeprowadzania takich misji.

Kluczowym elementem misji serwisowej jest przechwycenie uszkodzonego satelity przez satelitę serwisowego, które umożliwia podjęcie zaplanowanych działań naprawczych (np. przejęcie kontroli nad orientacją przestrzenną uszkodzonego satelity). W analizowanych scenariuszach serwisowania satelitów rozważa się wykorzystanie do tego celu manipulatora, czyli mechanicznego ramienia. Takie rozwiązanie pozwala na uchwycenie uszkodzonego satelity nawet w przypadku, w którym nie ma kontroli nad tym satelitą i nie jest utrzymywana jego stała orientacja (po awarii układu kontroli orientacji satelita może zacząć obracać się wokół swojego środka masy ze znaczną prędkością), a następnie precyzyjne spozycjonowanie przechwyconego satelity w celu połączenia z satelitą serwisowym (dokowanie). Manipulator może również zostać wykorzystany do wykonania napraw uszkodzonego satelity (np. wymiana komponentów, odblokowanie zaciętego mechanizmu rozkładania paneli z bateriami słonecznymi).

Wykonany w Centrum Badań Kosmicznych PAN projekt wdrożeniowy „Dynamic interaction between satellites during final phase of the rendezvous maneuver” związany jest z pracami nad demonstratorem technologii serwisowania satelitów. Celem projektu było opracowanie oprogramowania symulacyjnego pozwalającego na kompleksową analizę dynamiki satelity serwisowego wyposażonego w manipulator. Symulacje prowadzone z użyciem tego oprogramowania dostarczają danych, które potrzebne są przy projektowaniu układu kontroli orientacji satelity serwisowego.

Zagadnienia związane ze sterowaniem manipulatorami satelitarnymi oraz satelitami wyposażonymi w takie manipulatory jest niezwykle złożone ze względu na interakcje zachodzące między poszczególnymi elementami układu. Ruchy manipulatora wywołują siły i momenty reakcji działające na jego bazę, co powoduje zmiany orientacji satelity serwisowego, które w rozważanym scenariuszu są kompensowane przez układ kontroli orientacji tego satelity. Przechwytywanie uszkodzonego satelity może wiązać się z koniecznością wykonywania bardzo szybkich ruchów manipulatora (jeśli uszkodzony satelita obraca się z dużą prędkością wokół swojego środka masy), zaś po przechwyceniu uszkodzonego satelity pojawia się konieczność poruszania manipulatorem, na którego końcu znajduje się duża masa (przechwycony satelita). Ze względu na interakcje satelita-manipulator tylko przeprowadzenie pełnych symulacji rozważanych manewrów pozwala na oszacowanie sił i momentów reakcji wywoływanych ruchami manipulatora, dlatego też pojawiła się potrzeba stworzenia takiego oprogramowania symulacyjnego.

Wykonane w ramach zrealizowanego projektu oprogramowanie oparte jest na module planowania trajektorii i wyznaczania momentów sterujących przegubami manipulatora (moduł ten bazuje na wynikach przedstawionych w rozprawie doktorskiej dr. inż. Karola Seweryna „Dynamika manewru zbliżenia satelitów i ich połączenia za pomocą manipulatora o więzach nieholonomicznych”) oraz na modelu układu satelita-manipulator wykonanym w środowisku Matlab Simulink. Takie podejście pozwala na uwzględnienie w zadaniu prostym dynamiki (tzn. w symulacji zachowania układu) dodatkowych sił działających na układ (np. siły tarcia w przegubach manipulatora). Ponadto możliwa jest łatwa weryfikacja przeprowadzanych symulacji, ponieważ wykonywana w Simulinku symulacja zachowania układu nie jest oparta na równaniach wprowadzanych do modułu planowania trajektorii, lecz odbywa się zupełnie niezależnie.

Wykonane oprogramowanie pozwala na analizę różnych etapów manewru spotkania orbitalnego:

  • Rozkładanie manipulatora.
  • Wykonywanie złożonych sekwencji ruchów manipulatora (np. w celu obserwacji uszkodzonego satelity umieszczoną na końcówce manipulatora kamerą).
  • Chwytanie manipulatorem uszkodzonego satelity, który może rotować wokół stałej osi lub koziołkować (taka sytuacja ma miejsce np. w przypadku awarii układu kontroli orientacji).
  • Poruszanie manipulatorem po przechwyceniu uszkodzonego satelity i pozycjonowanie tego satelity w celu wykonania dokowania z satelitą serwisowym.

Wykonane oprogramowanie umożliwia przeprowadzanie symulacji dla różnych parametrów układu (np. różna prędkość obrotowa uszkodzone satelity, różna wzajemna pozycja obu satelitów). Analiza poszczególnych faz manewru spotkania orbitalnego umożliwia dobór właściwych parametrów układu kontroli orientacji satelity serwisowego.

Wykonane oprogramowanie pozwoliło na znalezienie odpowiedzi na wiele pytań istotnych dla projektu układu kontroli orientacji satelity serwisowego:

  • Jak bardzo ruchy manipulatora podczas poszczególnych faz manewru spotkania orbitalnego zakłócają orientację satelity serwisowego?
  • W jaki sposób należy planować trajektorię, aby te zakłócenia były minimalne?
  • Czy standardowy układ kontroli orientacji jest w stanie utrzymać stałą orientację satelity serwisowego podczas ruchów manipulatora?
  • W jakim stopniu sterowanie typu feed-forward (pozwalające przewidzieć zakłócenia pochodzące od manipulatora przed rozpoczęciem manewru i uwzględnić je z w układzie sterowania) poprawia działanie układu kontroli orientacji satelity serwisowego?
Dynamiczne interakcje między satelitami podczas finalnej fazy manewru spotkania orbitalnego
Dynamiczne interakcje między satelitami podczas finalnej fazy manewru spotkania orbitalnego