Formacje satelitarne


Nazwa projektu: Kontrola i sterowanie formacjami satelitarnymi za pomocą wzajemnych oddziaływań magnetycznych (praca doktorska)
Odbiorca: Wydział Elektroniki i Technik Informacyjnych, Politechnika Warszawska
Autor pracy doktorskiej: R. Wawrzaszek
Promotor: Doc. dr hab. Marek Banaszkiewicz
Status: zakończono



Celem projektu (będącego rozprawą doktorską dr inż. Romana Wawrzaszka) było wyznaczenie systemu sterowania dwu- i trój-obiektowych formacji złożonych z satelitów oddziałujących magnetycznie oraz sprawdzenie jego skuteczności w obecności sił zaburzających i w przypadku realizacji nieskomplikowanych manewrów rekonfiguracji.

Formacja satelitarna jest grupą sztucznych satelitów pozostających w stosunkowo niewielkim oddaleniu od siebie i realizujących powierzone zadania w sposób zorganizowany i możliwie autonomiczny.
Systemy tego typu mogą realizować wiele celów badawczych oraz użytkowych niewykonalnych z pomocą obecnie dostępnych rozwiązań: tworzyć interferometry optyczne i radiowe, tworzyć systemy teleskopów z rozdzielonym zwierciadłem i detektorem, składać w kosmosie rozległe struktury itp.

Największe problemy związane z praktycznym wykorzystaniem formacji satelitarnych skupiają się wokół zagadnień kontroli położenia i orientacji obiektów. Obecnie, realizacja większości manewrów w przestrzeni kosmicznej wymaga zużycia pewnej ilości materiałów pędnych. W przypadku ruchu orbitalnego, utrzymanie stałych pozycji względnych między członkami formacji wymaga nieprzerwanego wydatku paliwa. Ogranicza to znacznie czas trwania tego typu misji.

Jako wyjście naprzeciw problemom autor zaproponował formacje aktualizujące wzajemne rozmieszczenie satelitów za pomocą wzajemnych oddziaływań magnetycznych. Źródłem tych oddziaływań byłyby cewki elektromagnesów zamontowanych na każdym z satelitów. Energia elektryczna jest praktycznie jedynym „paliwem”, jakie może być dostarczane nieprzerwanie do satelity w przestrzeni kosmicznej za pośrednictwem baterii słonecznych co teoretycznie może pozwalać na nieskończoną liczbę manewrów.

W celu przeprowadzenia analiz autor skonstruował modele dynamiki układów dwu- i trój-ciałowych w oparciu o równania kinematyczne oraz równania opisujące oddziaływania elektromagnetyczne. Wychodząc od modelu i zestawu 45 równań opisujących układ trój-ciałowy, zrealizowana została część teoretyczna pracy polegająca na określeniu stabilności systemu poprzez analizę stabilności układu zlinearyzowanego. Wykazana niestabilność uzasadnia potrzebę znalezienia kontrolera do ustabilizowania systemu. Zostaje on wyznaczony w postaci sprzężenia zwrotnego od stanu, metodą minimalizacji kwadratowej funkcji kosztów, dla poszczególnych typów formacji rozważanych w pracy.

Drugą część projektu stanowiła weryfikacja użyteczności wyznaczonych kontrolerów, przeprowadzana za pomocą opracowanego symulatora formacji magnetycznych. Symulator ten dokonuje całkowania numerycznego pełnych (niezlinearyzowanych) równań dynamiki formacji w różnych warunkach, a mianowicie w odosobnionym układzie swobodnym, ruchu orbitalnym oraz ruchu orbitalnym zaburzonym, przy uwzględnieniu zaburzeń od pola magnetycznego Ziemi.

Wyniki przeprowadzonych analiz i symulacji wykazują istnienie wokółziemskich orbit formacji, w przypadku których zaburzenia magnetyczne oraz grawitacyjne nie powodują destabilizacji formacji magnetycznej. Może to mieć istotne znaczenie z punktu widzenia przyszłych misji kosmicznych.

Planowany na lata 2015-2025 projekt formacji satelitarnych TPF (interferometryczne teleskopy ) autorstwa NASA